郭 雷，張雨雷，李明宇，王健華，劉佳奇，馬吉坤，管浩添

（中建-大成建筑有限責(zé)任公司，北京 100048）

引 言

混凝土是高速公路建設(shè)過(guò)程中用量最大的建筑材料之一，近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)于高速公路用高性能混凝土的需求量也在逐年增長(zhǎng)。與普通混凝土相比，高性能混凝土通常具有更好的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能及其他各項(xiàng)綜合性能，因此被大量應(yīng)用于高速公路的建設(shè)過(guò)程中[1～5]。

從1988年我國(guó)建成第一條自己的高速公路開(kāi)始，到2018年時(shí)，我國(guó)的高速公路里程數(shù)已經(jīng)達(dá)到了13萬(wàn)公里以上，在高速公路的建設(shè)施工過(guò)程中，不僅積累了大量的施工、設(shè)計(jì)以及管理方面的經(jīng)驗(yàn)，也為高性能混凝土技術(shù)的發(fā)展提供了良好的平臺(tái)。針對(duì)某些特殊區(qū)域或者特殊工況環(huán)境，例如高速公路大型跨徑橋梁等，其設(shè)計(jì)及施工工藝均比較復(fù)雜，建造過(guò)程中一旦出現(xiàn)事故，將造成比較嚴(yán)重的后果，因此需要在建造過(guò)程中使用高性能混凝土，以確保施工安全。雖然高性能混凝土已經(jīng)在高速公路建設(shè)施工過(guò)程中得到了比較廣泛的應(yīng)用，但仍然存在許多問(wèn)題需要解決，在具體應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)綜合考慮原料、施工環(huán)境、環(huán)保要求以及經(jīng)濟(jì)因素等，研究合理的配制技術(shù)[6～12]。因此，本文以高速公路橋梁用高性能混凝土為研究對(duì)象，開(kāi)展了水膠比、砂率和礦渣粉摻量等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)高性能混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響研究，為高性能混凝土在高速公路橋梁建設(shè)施工過(guò)程中的應(yīng)用提供一定的技術(shù)支持。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)所用水泥為中國(guó)天瑞水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽P·O52.5級(jí)水泥，其具體物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用水泥物理性能指標(biāo)Table 1 The physical property indexes of cement for test

1.1.2 礦渣粉

試驗(yàn)所用礦渣粉為河北科旭建材有限公司生產(chǎn)的S75級(jí)礦渣粉，其具體性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)用礦渣粉性能指標(biāo)Table 2 The performance indexes of slag powder for test

1.1.3 減水劑

試驗(yàn)所用減水劑為甘肅吉發(fā)化工有限公司生產(chǎn)的MN F聚羧酸高性能減水劑，其具體性能指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)用高性能聚羧酸減水劑性能指標(biāo)Table 3 The performance indexes of high performance polycarboxylic acid water reducer for test

1.1.4 集料

試驗(yàn)所用的細(xì)集料為天然河砂，其具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4；試驗(yàn)所用粗集料為普通碎石，其具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表5。

表4 試驗(yàn)用天然河砂技術(shù)指標(biāo)Table 4 The technical indexes of natural river sand for test

表5 試驗(yàn)用普通碎石技術(shù)指標(biāo)Table 5 The technical indexes of ordinary crushed stone for test

1.2 混凝土性能評(píng)價(jià)方法

1.2.1 工作性能試驗(yàn)方法

混凝土工作性能的測(cè)試方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的坍落度試驗(yàn)和擴(kuò)展度試驗(yàn)部分，以坍落度和擴(kuò)展度為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)方法

混凝土力學(xué)性能的測(cè)試方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)G B/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)部分，以不同養(yǎng)護(hù)齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水膠比對(duì)高性能混凝土性能的影響

2.1.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

為了評(píng)價(jià)不同水膠比對(duì)高性能混凝土性能的影響，在選擇相同單位用水量和礦渣粉摻量的前提下，選取水膠比分別為0.28、0.30、0.32、0.34和0.36進(jìn)行了試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，具體配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 水膠比對(duì)高性能混凝土性能的影響配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 6 The results of mix proportion design of effect of water-binder ratio on the performance of high performance concrete

2.1.2 水膠比對(duì)工作性能的影響

按照1.2.1中的實(shí)驗(yàn)方法和2.1.1中的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，評(píng)價(jià)了水膠比對(duì)高性能混凝土工作性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著水膠比的不斷增大，高性能混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢(shì)，當(dāng)水膠比為0.32時(shí)，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均達(dá)到最大值，分別為200mm和450mm。這是由于當(dāng)水膠比處于一個(gè)合適的范圍時(shí)，容易形成濃度適宜的水泥漿體，使其包裹在集料表面，既可以保證拌合物具有良好的流動(dòng)性，還可以使其具有較好的黏聚性。

圖1 水膠比對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響Fig.1 The effect of water-binder ratio on the slump and expansion of concrete

2.1.3 水膠比對(duì)力學(xué)性能的影響

按照1.2.2中的實(shí)驗(yàn)方法和2.1.1中的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，評(píng)價(jià)了水膠比對(duì)高性能混凝土力學(xué)性能的影響，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7d和28d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 The effect of water-binder ratio on the compressive strength of concrete

由圖2實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著水膠比的不斷增大，養(yǎng)護(hù)7d和28d后的混凝土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，分析原因是由于在較低的水膠比條件下，水泥的水化作用未完全進(jìn)行，從而有利于降低和減小混凝土的孔隙尺寸和孔隙率，未水化的水泥顆粒還能夠發(fā)揮較好的填充作用，從而可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度；而水膠比越大，水泥水化完全后多余的水分將會(huì)蒸發(fā)，使硬化后的混凝土中的孔道增多，增大了孔隙率，并降低了水泥與集料之間的黏聚力，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度有所降低。根據(jù)高速公路橋梁設(shè)計(jì)要求，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為C50，綜合考慮混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度，選擇水膠比為0.32即可以滿足高速公路橋梁用混凝土性能的要求。

2.2 砂率對(duì)高性能混凝土性能的影響

2.2.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

為了評(píng)價(jià)不同砂率對(duì)高性能混凝土性能的影響，在選擇相同水膠比和礦渣粉摻量的前提下，選取砂率分別為36%、38%、40%、42%和44%進(jìn)行了試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，具體配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 砂率對(duì)高性能混凝土性能的影響配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 7 The results of mix proportion design of effect of sand ratio on the performance of high performance concrete

2.2.2 砂率對(duì)工作性能的影響

按照1.2.1中的實(shí)驗(yàn)方法和2.2.1中的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，評(píng)價(jià)了砂率對(duì)高性能混凝土工作性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 砂率對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響Fig.3 The effect of sand ratio on the slump and expansion of concrete

由圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著砂率的不斷增大，高性能混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均呈現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢(shì)，當(dāng)砂率為40%時(shí)，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均達(dá)到最大值。這是由于砂漿可以在混凝土的粗骨料之間起到良好的潤(rùn)滑作用，從而能夠減小摩擦力，另外，砂漿對(duì)于粗骨料而言還可以起到一定的黏聚作用，因此，在一定的砂率范圍內(nèi)，容易形成流動(dòng)性和黏聚性能良好的漿體，使其具有較高的坍落度和擴(kuò)展度。然而由于細(xì)砂的比表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粗骨料，當(dāng)砂率增大到一定程度時(shí)，骨料的總比表面積增大，進(jìn)而減小了砂漿在骨料表面包裹的厚度，使其潤(rùn)滑性能降低，導(dǎo)致流動(dòng)性和黏聚性能變差。

2.2.3 砂率對(duì)力學(xué)性能的影響

按照1.2.2中的實(shí)驗(yàn)方法和2.2.1中的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，評(píng)價(jià)了砂率對(duì)高性能混凝土力學(xué)性能的影響，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7d和28d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 砂率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 The effect of sand ratio on the compressive strength of concrete

由圖4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著砂率的不斷增大，養(yǎng)護(hù)7d和28d后的混凝土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢(shì)，當(dāng)砂率為40%時(shí)，7d和28d抗壓強(qiáng)度值均達(dá)到最大，分別為58.6MPa和70.5MPa。這是由于當(dāng)砂率較低時(shí)，細(xì)砂無(wú)法完全填充粗骨料之間的空隙，孔隙率較大，混凝土結(jié)構(gòu)較松散，抗壓強(qiáng)度較低；而隨著砂率的增大，混凝土結(jié)構(gòu)逐漸變得密實(shí)，使其抗壓強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)砂率增大到一定程度時(shí)，細(xì)砂的用量較大，會(huì)降低砂漿自身的密實(shí)度，從而使混凝土易分層和泌水，造成抗壓強(qiáng)度下降。因此，只有選擇合適的砂率才能保證混凝土具備良好的工作性能和力學(xué)性能，本研究綜合考慮多方面因素，選擇砂率為40%為宜。

2.3 礦渣粉摻量對(duì)高性能混凝土性能的影響

2.3.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

為了評(píng)價(jià)不同礦渣粉摻量對(duì)高性能混凝土性能的影響，在選擇相同水膠比和砂率的前提下，選取礦渣粉摻量分別為0%、10%、20%和30%進(jìn)行了試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，具體配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 礦渣粉摻量對(duì)高性能混凝土性能的影響配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 8 The results of mix proportion design of effect of slag powder content on performance of high performance concrete

2.3.2 礦渣粉摻量對(duì)工作性能的影響

按照1.2.1中的實(shí)驗(yàn)方法和2.3.1中的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，評(píng)價(jià)了礦渣粉摻量對(duì)高性能混凝土工作性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 礦渣粉摻量對(duì)混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響Fig.5 The effect of slag powder content on the slump and expansion of concrete

由圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著礦渣粉摻量的不斷增大，高性能混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這是由于礦渣粉的摻入能夠使水泥顆粒之間的空隙被充分填充，擠壓水分子的空間，使較多的水分被釋放出來(lái)，可以稀釋水泥漿體，從而使混凝土的流動(dòng)性增強(qiáng)。

2.3.3 礦渣粉摻量對(duì)力學(xué)性能的影響

按照1.2.2中的實(shí)驗(yàn)方法和2.3.1中的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，評(píng)價(jià)了礦渣粉摻量對(duì)高性能混凝土力學(xué)性能的影響，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7d和28d，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 礦渣粉摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 The effect of slag powder content on the compressive strength of concrete

由圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著礦渣粉摻量的不斷增大，養(yǎng)護(hù)7d和28d后的混凝土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。這是由于礦渣粉不能參與水化反應(yīng)，本身不具備膠凝作用，由于水膠比等條件保持不變，礦渣粉的摻入會(huì)減少水泥的加入量，從而導(dǎo)致水泥水化作用產(chǎn)生的氫氧化鈣較少，降低了膠凝作用，使混凝土的抗壓強(qiáng)度下降。綜合礦渣粉摻量對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果可知，礦渣粉的摻入能夠提高混凝土的工作性能，但同時(shí)又會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響，綜合考慮混凝土的流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度，推薦礦渣粉的摻量為20%為宜。

3 結(jié)論

（1）隨著水膠比的不斷增大，高性能混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均先增大后減小，而抗壓強(qiáng)度則逐漸降低，當(dāng)水膠比為0.32時(shí)，混凝土的流動(dòng)性較好，28d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到70.5MPa，綜合性能較好。

（2）隨著砂率的不斷增大，高性能混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均先增大后減小，抗壓強(qiáng)度同樣呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)砂率為40%時(shí)，混凝土可以達(dá)到最佳的工作性能和力學(xué)性能。

（3）隨著礦渣粉摻量的不斷增大，高性能混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均逐漸增大，而抗壓強(qiáng)度則逐漸降低，綜合考慮混凝土的工作性能和力學(xué)性能，推薦礦渣粉的最佳摻量為20%，能夠滿足高速公路橋梁建設(shè)施工對(duì)高性能混凝土性能的基本要求。