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石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

时间:2018-2-1 9:04:03 来源: 点击次数:1660

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

北京首瑞专注耐久性测试12年

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石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

张士山1, 张显安2,唐守峰3,李北星1,王涛1

(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,湖北武汉,430070;

2.湖北交投科技发展有限公司,湖北武汉,430030;3.湖北石首长江公路大桥有限公司,湖北石首,434400)

摘要:为防止石首长江公路大桥主桥超宽箱梁开裂引起耐久性能降低问题,进行高性能混凝土配合比设计及优化。本文通过水化热、绝热温升、力学试验、早期抗裂试验、干缩与徐变等试验方法,研究了不同胶材用量、水胶比、矿物掺和料掺量对抗裂性能及耐久性能影响,配制出抗裂性能、耐久性能及长期体积稳定性较好的高性能混凝土。结果表明:采用52.5水泥掺入15%I级粉煤灰+15%矿粉、水胶比0.295、砂率39.5%、1.25%外加剂掺量的箱梁C55高性能混凝土具有良好的工作性能、力学性能、热物理学性能、抗裂性能和耐久性能,且降低了混凝土长期收缩值和徐变变形值。C55高性能混凝土在该项目上应用效果良好。

关键词:高性能混凝土;配合比设计;水化热;抗裂性;收缩徐变

0引言

石首长江公路大桥主桥为双塔单侧混合梁斜拉桥,主跨布置为(75+75+75)m+820m+(300+100)m,混凝土主梁采用分离式双边箱的PK箱梁断面,该箱梁在国内外同类型桥梁中居前列,设计采用7.5m、6.0m两种标准节段预制拼装施工方案。主桥箱梁宽38.5m、高3.822m,顶板厚35cm,底板厚40cm,斜板厚35cm,内腹板厚55cm,根据受力需求,索塔区和支点区各部位板厚均相应增加,索塔处及辅助墩墩顶各设置2.5m厚横隔板一道,过渡墩墩顶设置3.0m厚横隔板,且构造复杂,振捣难度大,该部位属于高强大体积混凝土。该混凝土胶材用量高、水胶比低,使得温度收缩和自收缩大,如养护不到位会产生较大的干缩,以上的问题一旦任何一方面控制不好都将导致梁体开裂风险增大,最终引起耐久性能降低。因此有必要通过优选原材料及配合比优化调整进行混凝土性能研究,要求主体箱梁混凝土具有缓凝、低坍落度损失和高抗离析性,具有降低水化热温升和早期开裂敏感性、且后期收缩徐变要小和高的耐久性特点。

1试验原材料及方法

以下试验选用华新P·O52.5水泥;掺和料为岳阳华能电厂I级粉煤灰、荆州中和S95级矿粉;宜昌凡泰碎石为(4.75~9.5mm):(9.5~19mm)=3:7,表观密度2748kg/m3;细集料为洞庭湖中砂,表观密度2742kg/m3,细度模数为2.6;减水剂为湖北聚福德聚羧酸高性能减水剂(JFD)。

混凝土拌合物工作性能、力学性能试验依据《公路水泥与混凝土试验规程》JTG E30—2005进行;热物理学性能试验依据《水工混凝土试验规程》SL352—2006,其中水化热采用八通道TAM Air热活性微量热仪测定,绝热温升采用JR-2A型绝热温升测定仪测定;混凝土早期抗裂试验、碳化、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀、收缩徐变试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082—2009进行;混凝土含气量及初凝时间试验依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080—2002进行。

2混凝土配合比设计及性能试验

2.1 配合比设计

根据设计和施工要求,超宽箱梁需达到的性能指标为:拌合物坍落度210~230mm,扩展度520±30mm,1h坍损≤20mm,含气量小于2.5%,硬化混凝土7d强度≥55MPa,28d强度≥66MPa且≤75MPa,28d弹性模量≥3.75×104MPa,且7d达到其80%以上;混凝土绝热温升低于55℃,平板法开裂试验抗裂性等级达III级以上,56d收缩率≤400×10-6微应变,14d龄期加载90d的徐变系数≤1.0,56d电通量≤1000C,养护7d龄期28d碳化深度≤5mm,抗硫酸盐侵蚀等级≤KS150。前期根据抗压强度、劈拉强度、氯离子渗透试验结果,配合比使用495kg/m3水泥、砂率0.395、用水量147kg/m3较为合适,根据抗裂性、长期体积稳定性和耐久性进一步所用的配合比见表1、基本试验结果见表2所示。

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

由表1可知,1)X1~X3配合比掺和料为20%,根据表2实验结果可以看出,随着粉煤灰掺量比例的增大,坍落度和扩展度逐渐变大,早期的抗压和劈拉强度逐渐降低,但是后期强度略微增大,随着粉煤灰掺量增大56d电通量逐渐提高但均满足设计要求;2)X4~X5配合比掺和料为25%,与20%掺和料相比较可以看出,早期强度略微降低但差别不大,劈拉强度增大;3)同样X6~X8配合比掺和料为30%时抗压强度发展规律跟前者相似,但粉煤灰掺量超过15%时劈拉强度降低。由此可以看出随着粉煤灰掺量增加早期强度逐渐降低,但后期28d强度增大,当粉煤灰掺量超过15%时,后期28d强度开始降低,这是因为在低水胶比情况下,由于内部结构自由水在水化过程中逐渐减少而后期不能水化过多的粉煤灰,导致后期强度降低,劈拉强度随着掺和料掺量的增加逐渐增大,但当粉煤灰掺量超过15%时劈拉强度开始降低。因此综合考虑粉煤灰和矿粉对力学性能、工作性能、抗裂性和耐久性能影响因素,选用X-2、X-5、X-7配合比进一步进行抗裂性、体积稳定性和耐久性试验。

2.2 优化配合比的水化热与绝热温升

针对大体积混凝土的配制宜选用缓凝型化学外加剂,以利于混凝土的温控。为验证这一理论,本研究在70%水泥+15%粉煤灰+15%矿渣粉胶凝材料体系的基础上,测试了箱梁混凝土工程选用的聚福德缓凝型聚羧酸盐减水剂对70%水泥+15%粉煤灰+15%矿渣粉胶凝体系的水化放热历程的影响以及配合比X-2、X-5、X-7的绝热温升发展曲线,结果见图1及图2。

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

根据试验数据可以看出,干湿循环-硫酸盐侵蚀对混凝土的损伤表现为:先致密后损伤。在侵蚀前期,少量的侵蚀产物对混凝土的内部结构有密实作用,同时胶凝材料继续水化,促进混凝土性能的增长。侵蚀后期,大量的硫酸盐侵蚀介质进入混凝土内部,生成钙矾石或者硫酸钠结晶,产生巨大的结晶压力,压迫混凝土内部的毛细孔壁,从而引起微裂纹的形成、扩展,从而加速混凝土的性能劣化。对比三个配合比抗硫酸盐侵蚀能力顺序为:X7>X5>X2。说明复掺合适比例的粉煤灰矿粉的高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀能力增强,其主要原因是在低水胶比情况下,粉煤灰矿粉在水化过程中水化产物改善了孔隙结构,提高了混凝土致密性。

测得三个配合比的试块养护7d后经过28d的碳化深度,其量纲相当于大气条件下碳化50年。碳化程度都很小,几乎测定不出来,数值近似为0,说明三个配合比都具有非常好的抗碳化腐蚀能力。

2.6掺和料对收缩的影响机理分析

复掺合适比例粉煤灰和矿粉能够改善孔结构,使水化相孔径细化,表现为降低混凝土本身的收缩徐变作用。图5、图6分别是纯水泥净浆体显微分析、70%水泥+15%粉煤灰+15%矿粉净浆体显微分析。

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

3结论

(1)从混凝土工作性能、力学性能、抗裂性、体积稳定性和耐久性为一体的设计要求出发,结合原材料性能,通过胶凝材料水化热、绝热温升等方法优选出性能较优的配合比,且进一步进行防裂技术试验研究论证,得出该配合比具有较好的抗裂性能,具体参数为:胶材总量495 kg/m3,粉煤灰15%,矿粉15%,水胶比0.295,砂率39.5%,减水剂掺量1.2%。

(2)在箱梁混凝土中,矿物掺和料存在着一最佳替代掺量,本研究的箱梁高性能混凝土加入15%粉煤灰与15%矿粉复合掺量效果最好,并且加入具有缓凝型聚羧酸高性能减水剂最终减缓了水化放热速率,降低了混凝土水化热和绝热温升,提高了混凝土的抗塑性干燥收缩开裂性能,并有利于收缩和徐变的降低。说明石首长江公路大桥边跨箱梁在原材料的选择和控制以及配合比的确定方面是成功的。

参考文献

[1] 李北星,马立军,关爱军,查进,高鹤,周明凯. 箱梁C55高性能混凝土的抗裂性与耐久性研究[J]. 武汉理工大学学报,2010,14:40-44.

[2] 陈虎成,刘明虎,徐国平,谭皓. 鄂东大桥宽幅混凝土箱梁防裂措施研究与应用[J]. 公路工程,2010,06:73-77.

[3] Wallah S.E.. Creep Behaviour of Fly Ash-Based Geopolymer Concrete[J]. Civil Engineering Dimension,2010,122:.

[4] 赵庆新,孙伟,缪昌文,田倩,郑克仁,林玮. 磨细矿渣和粉煤灰对高性能砼徐变性能的影响[J]. 武汉理工大学学报,2005,11:39-42.

[5] Xia Chen,Li Zeng,Kunhe Fang. Anti-crack performance of phosphorus slag concrete[J]. Wuhan University Journal of Natural Sciences,2009,141:.

[6] 田晓霞,苏慈,曾田胜. 高性能混凝土在宽幅桥梁工程中早期收缩裂缝控制[J]. 商品混凝土,2013,08:49-51.

[7] 彭留留. 预应力混凝土箱梁桥裂缝及控制研究[D].西南交通大学,2011.

[8] 朱果. 大跨度预应力混凝土连续箱梁桥收缩徐变效应分析[D].重庆大学,2012.

[9] Mahdi Arezoumandi,JefferyS. Volz. A comparative study of the mechanical properties, fracture behavior, creep, and shrinkage of high-volume fly ash concrete[J]. Journal of Sustainable Cement-Based Materials,2013,23-4:.

[10] Havlásek P, Jirásek M. Multiscale modeling of drying shrinkage and creep of concrete[J]. Cement & Concrete Research, 2016, 85:55-74.

[11] 胡建勤. 高性能混凝土抗裂性能及其机理的研究[D].武汉理工大学,2002.

[12] 陈建奎, 王栋民. 高性能混凝土(HPC)配合比设计新法——全计算法[J]. 硅酸盐学报, 2000, 28(2):194-198.

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

张士山1, 张显安2,唐守峰3,李北星1,王涛1

(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,湖北武汉,430070;

2.湖北交投科技发展有限公司,湖北武汉,430030;3.湖北石首长江公路大桥有限公司,湖北石首,434400)

摘要:为防止石首长江公路大桥主桥超宽箱梁开裂引起耐久性能降低问题,进行高性能混凝土配合比设计及优化。本文通过水化热、绝热温升、力学试验、早期抗裂试验、干缩与徐变等试验方法,研究了不同胶材用量、水胶比、矿物掺和料掺量对抗裂性能及耐久性能影响,配制出抗裂性能、耐久性能及长期体积稳定性较好的高性能混凝土。结果表明:采用52.5水泥掺入15%I级粉煤灰+15%矿粉、水胶比0.295、砂率39.5%、1.25%外加剂掺量的箱梁C55高性能混凝土具有良好的工作性能、力学性能、热物理学性能、抗裂性能和耐久性能,且降低了混凝土长期收缩值和徐变变形值。C55高性能混凝土在该项目上应用效果良好。

关键词:高性能混凝土;配合比设计;水化热;抗裂性;收缩徐变

0引言

石首长江公路大桥主桥为双塔单侧混合梁斜拉桥,主跨布置为(75+75+75)m+820m+(300+100)m,混凝土主梁采用分离式双边箱的PK箱梁断面,该箱梁在国内外同类型桥梁中居前列,设计采用7.5m、6.0m两种标准节段预制拼装施工方案。主桥箱梁宽38.5m、高3.822m,顶板厚35cm,底板厚40cm,斜板厚35cm,内腹板厚55cm,根据受力需求,索塔区和支点区各部位板厚均相应增加,索塔处及辅助墩墩顶各设置2.5m厚横隔板一道,过渡墩墩顶设置3.0m厚横隔板,且构造复杂,振捣难度大,该部位属于高强大体积混凝土。该混凝土胶材用量高、水胶比低,使得温度收缩和自收缩大,如养护不到位会产生较大的干缩,以上的问题一旦任何一方面控制不好都将导致梁体开裂风险增大,最终引起耐久性能降低。因此有必要通过优选原材料及配合比优化调整进行混凝土性能研究,要求主体箱梁混凝土具有缓凝、低坍落度损失和高抗离析性,具有降低水化热温升和早期开裂敏感性、且后期收缩徐变要小和高的耐久性特点。

1试验原材料及方法

以下试验选用华新P·O52.5水泥;掺和料为岳阳华能电厂I级粉煤灰、荆州中和S95级矿粉;宜昌凡泰碎石为(4.75~9.5mm):(9.5~19mm)=3:7,表观密度2748kg/m3;细集料为洞庭湖中砂,表观密度2742kg/m3,细度模数为2.6;减水剂为湖北聚福德聚羧酸高性能减水剂(JFD)。

混凝土拌合物工作性能、力学性能试验依据《公路水泥与混凝土试验规程》JTG E30—2005进行;热物理学性能试验依据《水工混凝土试验规程》SL352—2006,其中水化热采用八通道TAM Air热活性微量热仪测定,绝热温升采用JR-2A型绝热温升测定仪测定;混凝土早期抗裂试验、碳化、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀、收缩徐变试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082—2009进行;混凝土含气量及初凝时间试验依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080—2002进行。

2混凝土配合比设计及性能试验

2.1 配合比设计

根据设计和施工要求,超宽箱梁需达到的性能指标为:拌合物坍落度210~230mm,扩展度520±30mm,1h坍损≤20mm,含气量小于2.5%,硬化混凝土7d强度≥55MPa,28d强度≥66MPa且≤75MPa,28d弹性模量≥3.75×104MPa,且7d达到其80%以上;混凝土绝热温升低于55℃,平板法开裂试验抗裂性等级达III级以上,56d收缩率≤400×10-6微应变,14d龄期加载90d的徐变系数≤1.0,56d电通量≤1000C,养护7d龄期28d碳化深度≤5mm,抗硫酸盐侵蚀等级≤KS150。前期根据抗压强度、劈拉强度、氯离子渗透试验结果,配合比使用495kg/m3水泥、砂率0.395、用水量147kg/m3较为合适,根据抗裂性、长期体积稳定性和耐久性进一步所用的配合比见表1、基本试验结果见表2所示。

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

由表1可知,1)X1~X3配合比掺和料为20%,根据表2实验结果可以看出,随着粉煤灰掺量比例的增大,坍落度和扩展度逐渐变大,早期的抗压和劈拉强度逐渐降低,但是后期强度略微增大,随着粉煤灰掺量增大56d电通量逐渐提高但均满足设计要求;2)X4~X5配合比掺和料为25%,与20%掺和料相比较可以看出,早期强度略微降低但差别不大,劈拉强度增大;3)同样X6~X8配合比掺和料为30%时抗压强度发展规律跟前者相似,但粉煤灰掺量超过15%时劈拉强度降低。由此可以看出随着粉煤灰掺量增加早期强度逐渐降低,但后期28d强度增大,当粉煤灰掺量超过15%时,后期28d强度开始降低,这是因为在低水胶比情况下,由于内部结构自由水在水化过程中逐渐减少而后期不能水化过多的粉煤灰,导致后期强度降低,劈拉强度随着掺和料掺量的增加逐渐增大,但当粉煤灰掺量超过15%时劈拉强度开始降低。因此综合考虑粉煤灰和矿粉对力学性能、工作性能、抗裂性和耐久性能影响因素,选用X-2、X-5、X-7配合比进一步进行抗裂性、体积稳定性和耐久性试验。

2.2 优化配合比的水化热与绝热温升

针对大体积混凝土的配制宜选用缓凝型化学外加剂,以利于混凝土的温控。为验证这一理论,本研究在70%水泥+15%粉煤灰+15%矿渣粉胶凝材料体系的基础上,测试了箱梁混凝土工程选用的聚福德缓凝型聚羧酸盐减水剂对70%水泥+15%粉煤灰+15%矿渣粉胶凝体系的水化放热历程的影响以及配合比X-2、X-5、X-7的绝热温升发展曲线,结果见图1及图2。

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

根据试验数据可以看出,干湿循环-硫酸盐侵蚀对混凝土的损伤表现为:先致密后损伤。在侵蚀前期,少量的侵蚀产物对混凝土的内部结构有密实作用,同时胶凝材料继续水化,促进混凝土性能的增长。侵蚀后期,大量的硫酸盐侵蚀介质进入混凝土内部,生成钙矾石或者硫酸钠结晶,产生巨大的结晶压力,压迫混凝土内部的毛细孔壁,从而引起微裂纹的形成、扩展,从而加速混凝土的性能劣化。对比三个配合比抗硫酸盐侵蚀能力顺序为:X7>X5>X2。说明复掺合适比例的粉煤灰矿粉的高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀能力增强,其主要原因是在低水胶比情况下,粉煤灰矿粉在水化过程中水化产物改善了孔隙结构,提高了混凝土致密性。

测得三个配合比的试块养护7d后经过28d的碳化深度,其量纲相当于大气条件下碳化50年。碳化程度都很小,几乎测定不出来,数值近似为0,说明三个配合比都具有非常好的抗碳化腐蚀能力。

2.6掺和料对收缩的影响机理分析

复掺合适比例粉煤灰和矿粉能够改善孔结构,使水化相孔径细化,表现为降低混凝土本身的收缩徐变作用。图5、图6分别是纯水泥净浆体显微分析、70%水泥+15%粉煤灰+15%矿粉净浆体显微分析。

石首长江公路大桥箱梁C55高性能混凝土的配合比设计与性能研究

3结论

(1)从混凝土工作性能、力学性能、抗裂性、体积稳定性和耐久性为一体的设计要求出发,结合原材料性能,通过胶凝材料水化热、绝热温升等方法优选出性能较优的配合比,且进一步进行防裂技术试验研究论证,得出该配合比具有较好的抗裂性能,具体参数为:胶材总量495 kg/m3,粉煤灰15%,矿粉15%,水胶比0.295,砂率39.5%,减水剂掺量1.2%。

(2)在箱梁混凝土中,矿物掺和料存在着一最佳替代掺量,本研究的箱梁高性能混凝土加入15%粉煤灰与15%矿粉复合掺量效果最好,并且加入具有缓凝型聚羧酸高性能减水剂最终减缓了水化放热速率,降低了混凝土水化热和绝热温升,提高了混凝土的抗塑性干燥收缩开裂性能,并有利于收缩和徐变的降低。说明石首长江公路大桥边跨箱梁在原材料的选择和控制以及配合比的确定方面是成功的。

参考文献

[1] 李北星,马立军,关爱军,查进,高鹤,周明凯. 箱梁C55高性能混凝土的抗裂性与耐久性研究[J]. 武汉理工大学学报,2010,14:40-44.

[2] 陈虎成,刘明虎,徐国平,谭皓. 鄂东大桥宽幅混凝土箱梁防裂措施研究与应用[J]. 公路工程,2010,06:73-77.

[3] Wallah S.E.. Creep Behaviour of Fly Ash-Based Geopolymer Concrete[J]. Civil Engineering Dimension,2010,122:.

[4] 赵庆新,孙伟,缪昌文,田倩,郑克仁,林玮. 磨细矿渣和粉煤灰对高性能砼徐变性能的影响[J]. 武汉理工大学学报,2005,11:39-42.

[5] Xia Chen,Li Zeng,Kunhe Fang. Anti-crack performance of phosphorus slag concrete[J]. Wuhan University Journal of Natural Sciences,2009,141:.

[6] 田晓霞,苏慈,曾田胜. 高性能混凝土在宽幅桥梁工程中早期收缩裂缝控制[J]. 商品混凝土,2013,08:49-51.

[7] 彭留留. 预应力混凝土箱梁桥裂缝及控制研究[D].西南交通大学,2011.

[8] 朱果. 大跨度预应力混凝土连续箱梁桥收缩徐变效应分析[D].重庆大学,2012.

[9] Mahdi Arezoumandi,JefferyS. Volz. A comparative study of the mechanical properties, fracture behavior, creep, and shrinkage of high-volume fly ash concrete[J]. Journal of Sustainable Cement-Based Materials,2013,23-4:.

[10] Havlásek P, Jirásek M. Multiscale modeling of drying shrinkage and creep of concrete[J]. Cement & Concrete Research, 2016, 85:55-74.

[11] 胡建勤. 高性能混凝土抗裂性能及其机理的研究[D].武汉理工大学,2002.

[12] 陈建奎, 王栋民. 高性能混凝土(HPC)配合比设计新法——全计算法[J]. 硅酸盐学报, 2000, 28(2):194-198.

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