孫 軍，夏京亮，關(guān)青鋒，杜玉生

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.國家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

科科迪大橋位于科特迪瓦阿比讓市Cocody灣，主線總長約1.63 km，包含一座全長630 m、主跨200 m的鋼槽梁單塔斜拉橋；主引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力簡直T梁橋，全長258.15 m；主線路基長710 m；B匝道含4條支線，其中B5匝道為預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，全長147.5 m；還有A和C匝道；匝道路基線路共長3.7 km。主跨斜拉橋塔高108.6 m，混凝土用量約3.2萬m3，根據(jù)科科迪橋?qū)Ｓ眉夹g(shù)條款CCTP1.3.7要求：索塔需采用初步設(shè)計(jì)單位(ARCADIS)所選擇的白色混凝土。該工程處于西非中心科特迪瓦，更是位于科特迪瓦首都和經(jīng)濟(jì)中心阿比讓市，影響力大，地標(biāo)性工程，不僅實(shí)體質(zhì)量要求高，對(duì)外觀質(zhì)量要求更高，旨在打造成藝術(shù)品的景觀橋，因此白色混凝土質(zhì)量對(duì)于工程質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。

白色混凝土是采用白色硅酸鹽水泥、白色礦物摻合料、淺色骨料和不染色的外加劑配制而成的混凝土[1-4]。從前期初步的水化熱和絕熱溫升試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，白色水泥早期水化速率較高，混凝土早期絕熱溫升效應(yīng)較普通混凝土更為顯著。論文分別采用普通水泥與白色水泥制備高強(qiáng)混凝土，對(duì)比水泥類型對(duì)混凝土的工作性和力學(xué)性能的影響，以掌握使用白色水泥制備混凝土對(duì)高強(qiáng)混凝土橋塔結(jié)構(gòu)服役性能的影響。為降低膠凝材料水化熱和絕熱溫升，采用礦粉和不同摻量石灰石粉替換部分水泥用量，研究復(fù)合礦物摻和料對(duì)混凝土性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

白色硅酸鹽水泥采用CEM Ⅰ 52.5，亨特白度91，初凝時(shí)間172 min，終凝時(shí)間270 min，比表面積410 m2/kg，3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為36.5 MPa、61.8 MPa，密度3.08 g/cm3。普通水泥采用PO 52.5水泥，3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為31.5 MPa、62.3 MPa，密度2.99 g/cm3。礦粉采用白色礦粉，亨特白度87，比表面積405 m2/kg，7 d活性指數(shù)83%、28 d活性指數(shù)102%，密度2.81 g/cm3，流動(dòng)度比98.3%。所用石灰石粉的碳酸鈣含量81%，細(xì)度8.5%(45 μm篩余)，7 d活性指數(shù)63%，28 d活性指數(shù)65%，流動(dòng)度比104%，亨特白度89。細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模數(shù)2.5。粗骨料采用片麻巖5～25碎石，顏色較淺。減水劑采用聚羧酸系減水劑，含固量21.3%，減水率27.5%。

1.2 方法

按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50080—2016測(cè)試混凝土坍落度、擴(kuò)展度、含氣量和倒置坍落度筒排空時(shí)間。按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50081—2019測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，測(cè)試齡期為3 d、7 d、28 d、56 d；混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度(以下稱劈拉強(qiáng)度)，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，測(cè)試齡期為28 d、56 d；混凝土抗壓彈性模量，試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，測(cè)試齡期為28 d、56 d。

1.3 混凝土配合比

白色高強(qiáng)橋塔混凝土試驗(yàn)配合比見表1，設(shè)計(jì)為C60強(qiáng)度等級(jí)混凝土，膠凝材料用量為484 kg/m3，水膠比為0.33，砂率為42%。采用普通硅酸鹽水泥與白色硅酸鹽水泥進(jìn)行對(duì)比研究白色高強(qiáng)混凝土性能，膠凝材料分別由礦粉30%、礦粉20%+石灰石粉10%、礦粉10%+石灰石粉20%與70%水泥復(fù)合而成。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 結(jié)果與分析

2.1 白色高強(qiáng)混凝土拌合物性能

表2第2列為新拌漿體坍落度測(cè)試結(jié)果。對(duì)于摻不同含量石灰石粉漿體，白色水泥混凝土坍落度更大，WC-1坍落度為200 mm，PC-1坍落度為195 mm。使用不同水泥成型的新拌漿體坍落度隨著石灰石粉用量的上升而增大，當(dāng)石灰石粉摻量從0增大到20%時(shí)，WC漿體坍落度從200 mm依次增大到215 mm、225 mm，PC漿體坍落度從195 mm分別增大至205 mm、220 mm。

表2中擴(kuò)展度變化規(guī)律與坍落度類似，隨著石灰石粉摻量增大，WC-1至WC-3漿體擴(kuò)展度分別為480 mm、550 mm和610 mm；而PC-1至PC-3漿體擴(kuò)展度依次為455 mm、510 mm和560 mm，可見白色水泥混凝土工作性比普通水泥混凝土更好。為進(jìn)一步觀察不同水泥混凝土的粘聚性，論文測(cè)試不同漿體的倒置坍落度排空時(shí)間，發(fā)現(xiàn)白色水泥混凝土排空時(shí)間比普通混凝土低，且隨石灰石粉摻量上升而降低。從含氣量數(shù)據(jù)可知，石灰石粉摻量增大提高了漿體含氣量，除了PC-2組，PC漿體含氣量均低于WC組。圖1對(duì)混凝土拌合性能和石灰石粉摻量的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，可知石灰石粉的摻入有利于提高漿體工作性。石灰石粉在水化環(huán)境中一般充當(dāng)惰性材料，其顆粒填充至水泥顆粒間隙，降低達(dá)到所要求流動(dòng)性的需水量，并通過滾動(dòng)效應(yīng)降低水泥熟料顆粒之間的咬合、摩擦作用，提高漿體的流動(dòng)性。

表2 混凝土拌合物性能

2.2 白色高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度

圖2為表1中各配合比混凝土養(yǎng)護(hù)不同齡期后的抗壓強(qiáng)度。盡管水泥類型和石灰石摻量不同，WC-1至PC-3混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨齡期延長而提高。

3 d抗壓強(qiáng)度顯示白水泥混凝土早期強(qiáng)度更高，從上文中水泥3 d強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間可知，白水泥早期強(qiáng)度高，即白水泥早期水化更快，短時(shí)間內(nèi)生成大量CSH等產(chǎn)物，提高漿體密實(shí)程度和不同組分之間的粘結(jié)力，提高混凝土抗壓強(qiáng)度[5]。然而，隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長，普通混凝土強(qiáng)度增長更快，達(dá)到28 d時(shí)，PC-1抗壓強(qiáng)度比WC-1稍高，摻入石灰石粉后WC和PC混凝土抗壓強(qiáng)度相差不大。當(dāng)齡期達(dá)到56 d，PC-1、PC-2抗壓強(qiáng)度為79.3 MPa和77.3 MPa，分別比WC-1和WC-2高2.4 MPa和3.2 MPa。說明使用白色水泥時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度較高，但后期強(qiáng)度比普通水泥混凝土稍低。

對(duì)比不同石灰石粉摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度可知，石灰石粉的使用會(huì)降低高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度。對(duì)于白色水泥混凝土，石灰石粉替代礦粉比率為10%、20%分別令3 d抗壓強(qiáng)度降低8.3%、10.2%，令56 d抗壓強(qiáng)度降低3.6%、5.1%；對(duì)于普通水泥混凝土，石灰石粉替代礦粉比率為10%、20%分別令3 d抗壓強(qiáng)度降低2.5%、8.7%，令28 d抗壓強(qiáng)度降低3.8%、7.4%?？梢姄饺胧沂蹖?duì)白色水泥混凝土的早期強(qiáng)度和普通水泥混凝土的后期強(qiáng)度影響更大，其中10%石灰石粉摻量對(duì)不同齡期抗壓強(qiáng)度削弱幅度基本位于5%以內(nèi)，考慮到石灰石粉的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，該劣化效果在可接受范圍內(nèi)。

圖3為含有不同石灰石粉混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與擴(kuò)展度之間的關(guān)系，其表明石灰石粉摻量上升后漿體擴(kuò)展度將增大，同時(shí)導(dǎo)致硬化漿體強(qiáng)度下降。從上文分析可知，石灰石粉有利于增大新拌漿體的流動(dòng)性能，但是石灰石粉作為惰性材料，摻入混凝土中降低了具有火山灰活性的礦粉含量，削弱了水化程度，令水化產(chǎn)物生成量下降，漿體內(nèi)部粘結(jié)程度降低；由于石灰石粉基本不參與水化反應(yīng)，其填充在水泥顆粒間隙后，可供水泥水化的自由水分增多，間接提高了實(shí)際水膠比，漿體硬化后存在更多有害孔和多害孔，抗壓強(qiáng)度因而下降。

2.3 白色高強(qiáng)混凝土劈拉強(qiáng)度

圖4為WC和PC混凝土養(yǎng)護(hù)至28 d和56 d的劈拉強(qiáng)度。由于早期混凝土水化程度較弱，劈拉強(qiáng)度過低，不具參考意義，故未測(cè)試3 d和7 d劈拉強(qiáng)度?；炷镣ǔＳ伤⑺?、砂和碎石混合而成，屬于多相復(fù)合材料，不同相之間存在界面過渡區(qū)，除了咬合、摩擦作用，過渡區(qū)之間的粘合主要依靠水泥熟料水化產(chǎn)物CSH凝膠等產(chǎn)生的粘結(jié)力。由于界面兩側(cè)物相密度、表面粗糙度和吸附性能等屬性存在較大差異，即使存在粘結(jié)力，界面過渡區(qū)仍然存在較多微裂縫和孔隙甚至微小氣泡等微缺陷，在外荷載作用下，過渡區(qū)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，微裂縫沿著裂縫前端迅速發(fā)展，不同位置的裂縫貫通后，漿體受荷面積下降，造成應(yīng)力重分布，令漿體內(nèi)部裂紋數(shù)量和面積持續(xù)累積，導(dǎo)致混凝土在短期內(nèi)形成貫通裂縫，遭受劈裂破壞[6]。

綜合28 d和56 d劈拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，以白色水泥制備的混凝土比普通水泥混凝土劈拉強(qiáng)度更高。例如，WC-1試件的28 d、56 d劈拉強(qiáng)度分別為4.76 MPa和4.95 MPa，PC-1的28 d、56 d劈拉強(qiáng)度為4.28 MPa和4.86 MPa，分別降低了10.1%和18.2%。摻入石灰石粉后混凝土劈拉強(qiáng)度隨水泥種類變化的變化規(guī)律與此類似。

對(duì)于白色水泥混凝土，使用10%、20%石灰石粉替換礦粉時(shí)，混凝土劈拉強(qiáng)度隨石灰石粉摻量增大而降低。相對(duì)于WC-1，WC-2和WC-3的28 d劈拉強(qiáng)度分別下降4.8%、10.5%，56d劈拉強(qiáng)度分別下降6.7%、10.5%。對(duì)于普通水泥混凝土，試件劈裂抗拉強(qiáng)度同樣隨石灰石粉摻量上升而下降。相對(duì)于PC-1，PC-2和PC-3的28 d劈拉強(qiáng)度分別上升2.1%和下降4.2%，56 d劈拉強(qiáng)度分別下降6.0%、7.6%。

2.4 白色高強(qiáng)混凝土彈性模量

材料的彈性模量是其剛度的度量，彈模較高時(shí)，在相同應(yīng)力下材料變形較低?；炷敛牧显诜燮陂g常常受到鋼筋、構(gòu)筑節(jié)點(diǎn)等部位的約束，變形較大時(shí)容易造成開裂，進(jìn)而降低材料受荷面積，內(nèi)部應(yīng)力上升，且容易遭受外界侵蝕介質(zhì)入侵，耐久性下降[7]?；炷翞槎嘞喾蔷鶆驈?fù)合材料，其彈性行為受主要組分(如粗骨料)的體積分?jǐn)?shù)、密度、彈性模量和界面過渡區(qū)的特性影響，同時(shí)混凝土的彈性模量與內(nèi)部孔隙率密切相關(guān)。因此，測(cè)試混凝土不同齡期彈性模量可從側(cè)面掌握混凝土內(nèi)部的水化程度和骨料的剛性支撐作用。表3為不同混凝土試件的28 d、56 d彈性模量測(cè)試結(jié)果。

表3和圖5表明，混凝土彈性模量隨齡期延長而提高，提高石灰石粉摻量將降低混凝土彈性模量。此外，水泥類型對(duì)混凝土不同齡期的彈性模量影響不大，因?yàn)閺椖Ｖ饕晒橇辖M分的物理性質(zhì)決定。圖6闡述了由不同類型水泥制備的混凝土28 d、56 d抗壓強(qiáng)度與相應(yīng)齡期下彈性模量的關(guān)系?？砂l(fā)現(xiàn)總體上高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度較高時(shí)，硬化試件往往具有更高的彈性模量，在同等荷載作用下可產(chǎn)生更低的變形，可滿足對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)服役期間變形幅度要求嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求。

表3 水泥混凝土不同齡期下的彈性模量 /GPa

3 結(jié) 論

a.白色水泥混凝土力學(xué)性能比普通混凝土更高，石灰石粉的摻入可顯著改善混凝土工作性能。

b.白色水泥混凝土早期抗壓強(qiáng)度更高，但是28 d和56 d強(qiáng)度低于普通混凝土，線性回歸分析發(fā)現(xiàn)混凝土擴(kuò)展度和28 d抗壓強(qiáng)度具有顯著相關(guān)性。

c.白色水泥混凝土抗拉強(qiáng)度稍高于普通混凝土，但區(qū)別不顯著。

d.水泥類型對(duì)混凝土彈性模量無顯著影響，石灰石粉的摻入會(huì)降低彈性模量，彈性模量與混凝土抗壓強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系。