劉冠國，馬愛斌，張萍

（1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 210098；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 211112；3.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211189）

第15屆全國纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議論文

崇啟大橋C55箱梁混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化

劉冠國1,2，馬愛斌1，張萍3

（1.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京 210098；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 211112；3.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211189）

以崇啟大橋箱梁混凝土施工為依托，提出了配合比設(shè)計(jì)方案，并借鑒國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，開展江海交匯環(huán)境下混凝土耐久性失效狀況研究，評(píng)估了崇啟大橋預(yù)期采用高性能結(jié)構(gòu)混凝土的抗氯離子滲透及抗鹽霧侵蝕性能．通過對(duì)混凝土的工作性能、力學(xué)性能及各項(xiàng)耐久性性能的分析和研究，最終得到配合比優(yōu)化方案．

箱梁混凝土，配合比，粉煤灰，耐久性

0 引言

國內(nèi)外對(duì)于河口水域的研究，始于20世紀(jì)初流體力學(xué)領(lǐng)域?qū)＜业馁Y料統(tǒng)計(jì)、數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)[1-2]．近年來，河口區(qū)域混凝土的耐久性問題得到重視，研究者以離海岸距離為標(biāo)志將近海大氣環(huán)境進(jìn)行劃分[3]，分析了氯離子含量與距河口距離的關(guān)系[4]，研究了橋墩大體積混凝土裂縫控制措施和氯離子對(duì)混凝土耐久性的影響[5-6]．

崇啟大橋工程位于江蘇省東南部，由于海水倒灌的原因，橋位水域洪季鹽、淡水強(qiáng)烈混合，水位變化明顯，對(duì)混凝土耐久性構(gòu)成嚴(yán)重威脅[7]．箱梁混凝土結(jié)構(gòu)由于配筋密度大，預(yù)應(yīng)力波紋管多，要求混凝土具有良好的工作性，流動(dòng)度大、保水性保塑性好；同時(shí)，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到箱梁的尺寸效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)承受的彎拉荷載及使用中承受的疲勞荷載，對(duì)混凝土的收縮和徐變進(jìn)行控制[8]．

1 原材料性能與實(shí)驗(yàn)方案

1.1 原材料性能

本工程選用金寧洋P.II42.5硅酸鹽水泥，鎮(zhèn)江諫壁一級(jí)粉煤灰，S95礦粉．細(xì)集料細(xì)度模數(shù)為2.90，表觀密度2 590 kg/m3，堆積密度1 520 kg/m3，含泥量0.5%．粗集料壓碎值10.6%，表觀密度2 700 kg/m3，含泥量0.4%，針片狀含量2%，顆粒級(jí)配良好．

1.2 耐久性實(shí)驗(yàn)方案

通過測試不同配合比混凝土的工作性能、力學(xué)性能、氯離子滲透性能、干燥收縮、自收縮、抗開裂及抗硫酸鹽性能，對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)估及優(yōu)化．

2 結(jié)果與分析

2.1 工作性能

依據(jù)箱梁混凝土配合比設(shè)計(jì)原則，控制水膠比不變，按表1的配合比配制混凝土，以調(diào)整聚羧酸減水劑的摻量來控制混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失，要求初始坍落度在200～220 mm之間，1 h后的擴(kuò)展度不得小于400 mm．由表2可知，3組拌合物性能均滿足配合比設(shè)計(jì)要求．

2.2 力學(xué)性能

表1 C55箱梁混凝土配合比Tab.1C55 box girder concrete mix ratio

表2 C55箱梁混凝土工作性Tab.2C55 box girder concrete workability

由圖1可知，3組箱梁混凝土的力學(xué)性能均滿足設(shè)計(jì)要求．其中，粉煤灰用量最小的XL-F13S27在3d、7 d、28 d齡期時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大；由56 d抗壓強(qiáng)度來看，粉煤灰用量最小的XL-F13S27的強(qiáng)度最大，粉煤灰用量最大的XL-F27S13的抗壓強(qiáng)度最?。?/p>

由表3所示，箱梁混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度7 d時(shí)即達(dá)40MPa，28d時(shí)，達(dá)到同齡期立方體抗壓強(qiáng)度的80%以上．7d時(shí)試驗(yàn)的靜彈模量達(dá)38.0GPa以上，但由7 d至28 d時(shí)靜彈模最增長不多，粉煤灰摻量最小的XL-F13S27的28 d靜彈模量最大．

表3 C55箱梁混凝土軸心抗壓強(qiáng)度和靜彈模量Tab.3C55 box girder concrete axil compressive strength and static elastic modulus

圖1 C55箱梁混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展Fig.1The C55 box girder concrete compressive strength development

2.3 耐久性能

2.3.1 氯離子滲透性

對(duì)混凝土氯離子的滲透性研究采用電通量法和RCM法2種方法進(jìn)行研究分析．測試結(jié)果（圖2、圖3）表明，3組箱梁混凝土的抗氯離子滲透性遠(yuǎn)優(yōu)于相關(guān)規(guī)范的控制要求．28 d齡期時(shí)，XL-F27S13的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最?。坏V物摻和料總量相同的情況下，在不同齡期，礦粉比例高的XL-F13S27的抗氯離子滲透性能均要優(yōu)于XL-F20S20，且XL-F13S27的氯離子擴(kuò)散系數(shù)在84 d齡期時(shí)已降至28 d的32%，XL-F20S20的84 d齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)為28 d的41%．粉煤灰的活性效應(yīng)發(fā)揮于水化后期，早期主要是對(duì)水泥石結(jié)構(gòu)的填充密實(shí)作用，從時(shí)間角度來看，對(duì)混凝土的長期耐久性貢獻(xiàn)較大[3-4]．

2.3.2 干燥收縮

箱梁3組混凝土的干燥收縮測試數(shù)據(jù)如圖4所示．箱梁混凝土的28d干燥收縮值從大到小的順序依次為XL-F20S20、XL-F13S27、XL-F27S13，28 d干燥收縮率分別為0.0244%、0.0224%、0.0194%，XL-F27S13中粉煤灰摻量最大，由于粉煤灰的活性小，在同樣齡期內(nèi)膠凝材料的水化程度小，同時(shí)，由于粉煤灰中微粉填充在毛細(xì)管和凝膠孔內(nèi)，使得孔徑細(xì)化、孔道更加彎曲復(fù)雜，混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，阻礙了硬化水泥漿中毛細(xì)管內(nèi)水份和C-S-H凝膠內(nèi)的物理吸附水的散失，降低了混凝土的干縮值．

圖2 C55箱梁混凝土電通量Fig.2The C55 box girder concrete electric flux

圖3 C55箱梁混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)Fig.3The C55 box girder concrete Cl-diffusion coefficient

圖4 C55箱梁混凝土干燥收縮發(fā)展曲線Fig.4The C55 box girder concrete drying shrinkage development curve

2.3.3 自生收縮

箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)高、水泥用量大、水膠比小，混凝土在隔絕濕交換條件下的收縮大，同時(shí)由于配筋密集，鋼筋混凝土保護(hù)層厚度小，任何原因造成混凝土的收縮裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的損害都會(huì)引起很大的危害．

由圖5，混凝土在測試前期會(huì)經(jīng)過一段膨脹再收縮，其中粉煤灰摻量最大的XL-F13S27進(jìn)入收縮階段最晚，箱梁混凝土隨著粉煤灰摻量的增加，收縮值減小，粉煤灰摻量為27%的混凝土7 d時(shí)的收縮率不及摻量為20%的一半，摻入13%粉煤灰的混凝土收縮率最大．分析認(rèn)為，這是由于混凝土在絕濕條件下的收縮，主要是因?yàn)樗幕炷磷陨砜紫秲?nèi)水份，導(dǎo)致混凝土的毛細(xì)管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，管壁受到張拉作用，混凝土產(chǎn)生收縮，當(dāng)混凝土膠凝材料中粉煤灰摻量增加時(shí)，混凝土的水化速率減小，混凝土內(nèi)部水分消耗速度減慢，同齡期時(shí)混凝土毛細(xì)管壁受到的張拉作用減小，自收縮減小．

圖5 箱梁混凝土自收縮Fig.5The C55 box girder concrete self-constriction development curve

4 配合比優(yōu)化結(jié)果

文章根據(jù)崇啟大橋箱梁混凝土的特點(diǎn)，考慮施工工藝，進(jìn)行了箱梁混凝土的工作性和耐久性的系統(tǒng)研究，得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)試驗(yàn)研究，確定C55箱梁混凝土選擇膠凝材料用量為480較為合理，采用粉煤灰和礦粉復(fù)摻，并調(diào)整適宜的比例，水膠比控制為0.29～0.30．

2）在不同齡期，礦粉比例高的XL-F13S27的抗氯離子滲透性能均要優(yōu)于XL-F20S20，且XL-F13S27的氯離子擴(kuò)散系數(shù)在84 d齡期時(shí)已降至28 d的32%，XL-F20S20的84 d齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)為28 d的41%．

3）箱梁混凝土的28d干燥收縮值從大到小的順序依次為XL-F20S20、XL-F13S27、XL-F27S13，28d干燥收縮率分別為0.0244、0.022 4、0.0194%，XL-F27S13中粉煤灰摻量最大，由于粉煤灰的活性小，在同樣齡期內(nèi)膠凝材料的水化程度?。?/p>

綜合對(duì)比測試性能，確定推薦配合比XL-F13S 27；且推薦配比與現(xiàn)場配比相近，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可同步驗(yàn)證現(xiàn)場配比性能，對(duì)現(xiàn)場配比亦有參照價(jià)值．

[1]PROTCHARD D W．Salinity distribution and circulation in the chesapeake bay estuarine system：Sears found[J]．Marine Research，1952（11）：106-123．

[2]童朝峰，劉豐陽，邵宇陽，等．長江口北支重啟大橋處潮位和鹽度過程研究[J]．水道港口，2012，33（4）：291-298．

[3]金偉良，衛(wèi)軍，袁迎曙，等．氯鹽環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論與方法[M]．北京：科學(xué)出版社，2011．

[4]張俊芝，王建澤，黃海珍，等．錢塘江河口水體氯離子含量及對(duì)混凝土的侵蝕[J]．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2008，17（4）：34-38．

[5]程杭平．平均海平面抬高對(duì)錢塘江鹽度入侵的影響分析[J]．浙江水利科技，2002（6）：1-4．

[6]朱少杰．九堡大橋大體積混凝土橋墩溫度裂縫控制措施研究[J]．橋隧工程，2010（11）：197-200．

[7]劉冠國，馬愛斌，秦鴻根，張萍．江海交匯環(huán)境橋梁性能混凝土耐久性研究現(xiàn)狀與探討[J]．混凝土，2014，3:45-47．

[8]王德港，王北辰，李國梁等．箱梁混凝土裂縫處理方法[J]．公路交通科技，2013，10：112-114．

[責(zé)任編輯 楊屹]

Mix proportion design and optimization for C55 box girder concrete of Chongqi Bridge

LIU Guanguo1,2，MA Aibin1，ZHANG Ping3

(1.Collegeof MechanicsandMaterials,Hohai University,JiangsuNanjing210098,China;2.JSTIGROUP,JiangsuNanjing211112, China;3.School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Jiangsu Nanjing 211189,China)

For the construction of box girder concrete of Chongqi bridge and combined with key points of quality control, the mix designs were proposed.The durability of box girderconcrete were studied in salt spray environment.The finally mix proportion was obtained in the study of work performace,mechanical properties and durability performance.

box girder concrete;mix design;fly ash;durability

P754.5

A

1007-2373(2015)05-0102-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.021

2014-09-18

國家自然科學(xué)基金（51308112）

劉冠國（1980-），男（漢族），博士生，高級(jí)工程師，lgg@jstri.com．