高强自密实清水混凝土在桥梁预制构件生产中的应用研究_尹轶.pdf

NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS0引言自密实清水混凝土是一种新型的绿色混凝土，兼具自密实混凝土和清水混凝土的优势。自密实混凝土为了达到大流动特性，往往需要较大的胶凝材料用量和大砂率支撑，但这也会造成混凝土浆体黏度过大、难以消除气泡的富集现象，对其表观质量不利，清水混凝土对表观质量要求较高，在施工时往往需要进行振捣，将浆体内的气泡排除，但是振捣又极易引起泌水现象，因此自密实混凝土与清水混凝土之间是存在一定的矛盾性的1-8。为了提升高性能自密实清水混凝土的整体性能，有必要开展系列试验研究。北方大部分地区处于温带大陆性季风气候，冬季气温普遍较低，昼夜温差较大，无霜期较短，夏季气候干燥炎热，并时常伴有大风。本文依托于某预制自密实清水混凝土桥梁工程高强自密实清水混凝土在桥梁预制构件生产中的应用研究尹轶（国能黄大铁路有限责任公司，山东 东营257000）收稿日期：2022-08-06；修订日期：2022-12-07作者简介：尹轶，男，1986 年生，工程师，研究方向为铁道工程。E-mail：。摘要：为提高预制自密实清水混凝土的工作性能和耐久性能，延长桥梁的服役年限，对 C50 墩柱和 C60 盖梁高强自密实清水混凝土展开室内试验研究。结果表明：C50 墩柱自密实清水混凝土的最佳胶凝材料用量为 570 kg/m3，其中粉煤灰、矿粉用量分别为120、60 kg/m3，砂的细度模数为 2.7，砂率为 44%；C60 盖梁自密实清水混凝土的最佳胶凝材料用量为 550 kg/m3，其中粉煤灰、矿粉用量分别为 100、50 kg/m3，砂的细度模数为 2.7，砂率为 46%；C50 和 C60 的抗冻性分别可达到 F200 和 F250，平均开裂面积1 mm2/根，单位面积内的裂缝数量1 根/m2，单位面积的开裂面积0.5 mm2/m2，28、56 d 电通量均可控制在 800、500 C 以内。设计的 C50 和 C60高强自密实清水混凝土工作性能和耐久性能均较佳，可在一定程度上延长复杂环境下桥梁的服役性能。关键词：自密实清水混凝土；桥梁；墩柱；盖梁；工作性能；耐久性能中图分类号：TU528.31文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0037-05Research on the application of high strength self compacting fair faced concretein the production of precast members of bridgesYIN Yi（Guoneng Huangda Railway Co.Ltd.，Dongying 257000，China）Abstract：In order to improve the working performance and durability of precast self compacting fair faced concrete and prolong the service life of the bridge，an indoor experimental study was carried out on C50 pier column and C60 bent cap high-strength self compacting fair faced concrete.The results show that the best cementitious content of C50 pier column self compacting fair faced concrete is 570 kg/m3，among which fly ash is 120 kg/m3，mineral powder is 60 kg/m3，the best sand rate of C50 is44%，and the best cementitious content of C60 bent cap self compacting fair faced concrete is 550 kg/m3，among which fly ash is100 kg/m3and mineral powder is 50 kg/m3，the optimum sand ratio of C60 is 46%，and the optimum sand fineness modulus of thetwo strength grades is 2.7.The frost resistance of C50 and C60 can reach F200 and F250 respectively，the average cracking areais less than 1 mm2/piece，the number of cracks per unit area is less than 1 piece/m2，the cracking area per unit area is less than0.5 mm2/m2，and the electric flux at the age of 28 d and 56 d can be controlled within 800 C and 500 C.The designed C50 andC60 high-strength self compacting fair faced concrete have better working performance and durability，which can prolong the serviceperformance of the bridge in complex environment to a certain extent.Key words：self compacting fair faced concrete，bridges，pier column，bent cap，working performance，durability中国科技核心期刊37新型建筑材料202302为例，该工程项目年平均气温为 7.8，夏季平均气温 22.4，冬季平均气温-10.7，年平均风速 1.9m/s，冻土深度为 17 cm，年平均降雨量为 443 mm，工程建设所处的环境十分复杂。工程共设计 700 余根 C50 自密实清水混凝土墩柱以及 380 余根 C60 自密实清水混凝土盖梁，为了保证盖梁和墩柱良好的工作性能、力学性能及耐久性能，同时保证施工外观色泽质量基本一致，对自密实清水混凝土的配制和施工提出了更高的要求。本文对 C50 墩柱和 C60 盖梁 2 种高强自密实清水混凝土展开室内试验研究，从工作性能入手对混凝土配合比进行优化，同时对优化后的混凝土进行力学性能和耐久性测试，验证最佳配合比下混凝土是否具有良好的服役性能，以期为工程的建设和施工提供借鉴。1试验1.1原材料水泥：墩柱采用 P O42.5 水泥，盖梁选用 P O52.5 水泥，主要技术性能见表 1。表 1水泥的主要技术性能粉煤灰：平均烧失量 6.7%，含水率 0.3%，需水量比 95%，细度（45 m 筛筛余）20%。矿粉：密度 2.95 g/cm3，比表面积 410 m2/kg，7、28 d 活性指数分别为 80%、98%，含水量 0.5%，平均烧失量 2.5%，SO3含量 3.1%。石：粒径 520 mm，压碎指标 8%，含泥量 0.1%，泥块含量0，针片状含量 5%，松散堆积孔隙率 39%。砂：天然河砂，含泥量 1.1%，泥块含量 0.1%，云母含量0.2%，轻物质含量 0.1%。外加剂：聚羧酸系高性能防冻减水剂，固含量 18%，减水率 30%。水：自来水。1.2试验配合比桥梁墩柱自密实混凝土设计强度等级为 C50，要求水胶比0.33，含气量 2%4%，压力泌水率10%，扩展度为 660755 mm 且 4 h 内无损失，倒坍时间 35 s，7 d 抗压强度需达到标准值的 80%，28 d 抗压强度需达到标准值的 120%135%，氯离子含量不超过总胶凝材料的 0.1%，碱含量不超过1.8 kg/m3。桥梁盖梁自密实混凝土设计强度等级为 C60，要求水胶比0.31，其余要求与 C50 一致9-10。按照上述要求，确定了墩柱 C50 和盖梁 C60 自密实清水混凝土的初步配合比见表 2，砂的细度模数均为 2.7。表 2自密实清水混凝土的初步配合比kg/m31.3试验内容按照 JGJ/T 2832012 自密实混凝土应用技术规程 进行试验设计：（1）通过不同胶凝材料用量、矿物掺合料配比、砂细度模数以及砂率下的工作性能试验，工作性能指标包括：坍落度、扩展度、T500、L 型仪填充比、倒坍时间等 5 项指标对 2 种强度等级自密实清水混凝土的配合比进行优化设计。（2）测试最佳配合比下 2 种强度等级自密实清水混凝土不同龄期的强度。（3）测试最佳配合比下 2 种强度等级自密实清水混凝土的耐久性，主要包括：抗冻性（-20 下冻结 4 h，8 下融化 2 h，每 6 h 为 1 个冻融循环）、抗裂性（风速 5 m/s，温度 8，相对湿度 52%，24 h 后测量裂缝数量）以及抗氯离子渗透性（电通量法，NaCl 溶液质量浓度 3%，NaOH 溶液摩尔浓度为 0.3%，试验时间 6 h）。2工作性能试验结果分析2.1胶凝材料用量对自密实清水混凝土工作性能的影响固定水泥、矿粉和粉煤灰的比例以及胶砂比，其余材料用量与表 2 相同，研究胶凝材料用量对清水混凝土工作性能的影响，结果见表 3。表 3胶凝材料用量对自密实清水混凝土工作性能的影响由表 3 可知：随着胶凝材料用量的增加，自密实清水混凝土的浆体体积增大，填充性能得到有效提高，混凝土的坍落度、扩展度逐渐增大，倒坍时间延长，T500先缩短后延长。当胶水泥类型密度/（g/cm3）比表面积/（m2/kg）标准稠度用水量/%凝结时间/min28 d 抗压强度/MPa初凝终凝P O42.53.1032523.716533046.2P O52.53.1536024.217029062.1强度等级水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂水C504006012082584511.6150C603901106084086013.0160强度等级胶凝材料用量/（kg/m3）坍落度/mm扩展度/mmT500/sL 型仪填充比倒坍时间/sC505402606209.20.777.45602656608.50.816.95802706807.10.838.16002757107.20.859.26202707207.90.8010.4C605002206609.80.837.85202356708.60.847.55402406757.30.867.25602456907.50.897.15802607008.20.927.5尹轶：高强自密实清水混凝土在桥梁预制构件生产中的应用研究38NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS凝材料用量分别为 580、540 kg/m3时，C50、C60 混凝土的 T500最短。按照JGJ/T 2832012 及设计要求，自密实清水混凝土的扩展度应为 660755 mm，因此，C50 混凝土中胶凝材料用量大于 560 kg/m3即可，C60 混凝土中胶凝材料用量大于 500kg/m3即可。综合试验结果：在满足扩展度要求的基础上，C50的最佳胶凝材料用量应在 560580 kg/m3，C60 的最佳胶凝材料用量应在540560 kg/m3，本试验取 570、550 kg/m3分别作为C50、C60 自密实清水混凝土的最佳胶凝材料用量。2.2矿物掺合料配比对自密实清水混凝土工作性能的影响在最佳胶凝材料用量下，其余试验条件不变，仅改变粉煤灰与矿粉的配比，得到不同矿物掺合料配比下自密实清水混凝土的工作性能，结果见表 4。表 4矿物掺合料配比对自密实清水混凝土工作性能的影响由表 4 可知：随着矿粉用量的增加，自密实清水混凝土的扩展度逐渐增大，倒坍时间延长，这说明矿粉掺入后提高了混凝土的黏度和剪切力，但对混凝土的自密实性能可能会产生不利影响。因此，矿粉掺量不宜过高，根据试验结果，认为自密实清水混凝土应采用单掺粉煤灰或粉煤灰与矿粉按 21 的质量比复掺进行拌制。综合考虑，后续试验中，C50 混凝土中粉煤灰、矿粉用量分别为 120、60 kg/m3，C60 混凝土中粉煤灰、矿粉用量分别为 100、50 kg/m3。2.3砂细度模数对自密实清水混凝土工作性能的影响按上述试验得出的最佳配比，其余试验条件不变，仅改变砂的细度模数，研究自密实混凝土工作性能的变化，结果见表 5。由表 5 可知，随着砂细度模数的增大，C50 和 C60 自密实清水混凝土的坍落度、扩展度先增大后减小；C50 的倒坍时间先缩短后延长，C60 的倒坍时间逐渐缩短。表明随着砂细度模数的增大，混凝土的自密实性能呈先增强后变弱的特征。当砂表 5砂细度模数对自密实清水混凝土工作性能的影响的细度模数小于 2.7 时，砂中细颗粒含量较多，导致混凝土浆体的黏度增大，流动性能减弱，当砂的细度模数大于 3.0 后，由于粗颗粒含量较多，可能导致拌合不均匀，也会导致浆体的流动性减弱，均不利于混凝土的施工。通过对比可知，砂的细度模数为 2.7 时混凝土的综合工作性能最佳。2.4砂率对自密实清水混凝土工作性能的影响按上述试验得出的最佳配比，其余试验条件不变，仅改变砂率，研究自密实混凝土工作性能的变化，结果见表 6。表 6砂率对自密实清水混凝土工作性能的影响由表 6 可知：随着砂率的增大，C50 和 C60 自密实清水混凝土的坍落度、扩展度先增大后减小，倒坍时间大致呈先缩短后延长的趋势，当砂率为 44%48%时，2 种强度等级混凝土均具有较好的流动性和黏聚性，因此，最终确定 C50、C60 混凝土的最佳砂率分别为 44%、46%。2.5最佳配合比确定按照上述试验得到的自密实清水混凝土最佳配合比见表7。对最佳配比下拌合物工作性能和力学性能进行测试，结果强度等级坍落度/mm扩展度/mmT500/sL 型仪填充比倒坍时间/sC502656904.60.764.22707205.10.835.12707105.70.835.82707056.90.867.42606957.40.867.9C602706854.20.744.12657005.00.825.32606755.50.835.92506606.80.867.52306307.50.918.2粉煤灰/（kg/m3）1801209060015010075500矿粉/（kg/m3）0609012018005075100150强度等级砂细度模数坍落度/mm扩展度/mmT500/sL 型仪填充比倒坍时间/sC502.22606658.60.7614.22.42706807.10.769.12.72707106.70.837.83.02707006.90.837.43.32656909.40.869.8C602.22556608.30.7413.82.42656757.00.748.92.72707006.60.807.73.02656956.70.817.23.32606809.20.835.8强度等级坍落度/mm扩展度/mmT500/s倒坍时间/s2406656.67.22506807.18.12607106.76.82707206.97.42456756.97.92557006.66.82607106.87.12607109.09.82556808.112.6砂率/%404244464244464850C502657009.49.948502606808.411.4C60402356606.76.9尹轶：高强自密实清水混凝土在桥梁预制构件生产中的应用研究39新型建筑材料202302见表 8。表 72 种强度等级混凝土的最佳配合比kg/m3表 8自密实清水混凝土的工作性能和力学性能由表 8 可知，C50 和C60 自密实清水混凝土的扩展度分别为 675、700 mm，倒坍时间分别为 3.5、3.3 s，含气量分别为2.5%、2.6%；C50 自密实清水混凝土的 7 d、28 d 抗压强度分别为标准值的 86%、156%，C60 自密实清水混凝土的 7 d、28 d抗压强度分别为标准值的 88%、132%。本文设计的 C50 和C60 自密实清水混凝土工作性能和力学性能均符合JGJ/T2832012 和设计要求，工作性能优异。3耐久性能试验结果与分析3.1抗冻性试验结果C50 和C60 自密实清水混凝土在不同冻融循环次数下质量损失率和相对动弹性模量变化趋势见图 1。图 1自密实清水混凝土在不同冻融循环次数下的抗冻性由图 1 可知，随着冻融循环次数的增加，自密实清水混凝土的质量先增大后减小，相对动弹性模量逐渐减小。在冻融循环初期，由于试件内部存在少量的孔隙间隙，吸水结冰后质量反而有所增加，但是随着冻融循环次数的增加，混凝土内部在结冰膨胀力作用下不断损伤，最终膨胀力会大于骨料之间的抗拉强度，因而骨料之间的相互剥落，胶结程度降低，造成结构损伤。250 次冻融循环时，C50、C60 混凝土的质量损失率分别为 2.20%、1.71%，均未超过 5%的限值，但是 C50 混凝土在250 次冻融循环后，相对动弹性模量仅为 58%，低于 60%的限值，C60 混凝土相对动弹性模量为 72%，因此本文设计的 C50混凝土抗冻等级可达到 F200，C60 混凝土抗冻等级可达F250，抗冻性能均较佳，满足工程需求。3.2抗裂性试验结果通过平板裂缝试验得到了 C50 和 C60 自密实清水混凝土的开裂参数，结果见表 9。表 9自密实清水混凝土的抗裂性由表 9 可知，2 种强度等级混凝土在经历早期风吹之后，平均开裂面积1 mm2/根，单位面积内的裂缝数量1 根/m2，单位面积的开裂面积0.5 mm2/m2，表明本文设计的高强自密实清水混凝土虽然水泥用量较多，但通过合理砂率控制和最紧密堆积配比的设计手段，可以很好地降低混凝土的开裂敏感性，可以在多风地区延长桥梁的服役年限11-12。3.3抗氯离子渗透试验结果不同龄期下 2 种强度等级自密实清水混凝土的电通量见表 10。表 10自密实清水混凝土的电通量由表 10 可知，本文设计的 C50 和 C60 高强自密实清水混凝土 28 d 电通量可控制在 800 C 以内，56 d 电通量可控制在 500 C 以内，具有较强的抗氯离子渗透性能，可以大大降低混凝土因钢筋锈蚀而引起的开裂概率，使得桥梁的服役年限进一步延长13-14。4结语（1）通过工作性能试验，确定了 C50 墩柱自密实清水混凝土的最佳胶凝材料用量为 570 kg/m3，其中粉煤灰和矿粉的用量分别为 120、60 kg/m3，砂的细度模数为 2.7，砂率为 44%；C60 盖梁自密实清水混凝土的最佳胶凝材料用量为 550kg/m3，强度等级水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂水C503901206073593511.2165C604001005080592514.0162强度等级倒坍时间/sV 漏流出时间/s含气量/%T500/s抗压强度/MPa7 d14 d 28 dC503.5202.51043.0 57.0 78.0C603.3152.6853.0 65.0 79.0J 环流动度/mm600620扩展度/mm675700强度等级平均开裂面积/（mm2/根）单位面积的裂缝数目/（根/m2）单位面积的开裂面积/（mm2/m2）C500.60.50.30C600.50.50.25强度等级28 d 电通量/C56 d 电通量/CC50770440C60710430尹轶：高强自密实清水混凝土在桥梁预制构件生产中的应用研究40NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS（上接第 14 页）cracking and induced tensile stress characteristics of mortar andconcrete under restrained shrink ageS.7陈建平.基于温度应力试验机的超高掺量粉煤灰混凝土开裂因素研究D.杭州：浙江工业大学，2018.8王子龙，王盛伟，潘金敢，等.基于温度应力试验机的混凝土早期开裂敏感性研究J.人民长江，2020，51（S2）：275-279.9吴恺.基于温度应力试验机（TSTM）的大坝混凝土抗裂性能实验研究D.杭州：浙江工业大学，2014.10代金鹏，王起才，屈伸，等.基于成熟度理论的低温养护混凝土强度预测模型J.材料科学与工程学报，2018，36（2）：263-267.11龙朝飞，张戎令，段运，等.基于成熟度理论持续负温下不同入模温度工况的混凝土强度预测模型J.材料导报，2022，36（6）：90-97.12黎鹏平，范志宏，熊建波，等.港珠澳大桥沉管混凝土成熟度与氯离子扩散系数相关性研究J.混凝土，2014（10）：31-33，37.13Saul A G 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以内，可在一定程度上延长桥梁的服役年限。参考文献：1叶浩，熊星，肖东晖，等.清水自密实混凝土的研究与应用进展J.新世纪水泥导报，2019，25（4）：7-11.2裘泳，姜涛，赵景锋，等.基于正交设计的低品质再生骨料自密实清水混凝土配合比设计J.施工技术，2021，50（14）：134-137.3姜涛，赵景锋，李明明，等.再生骨料自密实清水混凝土配合比优化及表观性能试验研究J.硅酸盐通报，2020，39（8）：2581-2586.4孟书灵，卢霄，艾洪祥，等.桥梁清水自密实混凝土的工作性能及早期抗裂性能研究J.新型建筑材料，2020，47（5）：5-9.5周杰，闫兴非，宗霏，等.自密实清水混凝土在装配式桥梁预制墩柱中的应用研究J.混凝土与水泥制品，2019（6）：38-40.6孟亚锋，张宇星，沈卫国，等.清水自密实混凝土清水效果表征与研究J.硅酸盐通报，2019，38（8）：2683-2687.7魏文安，陈庆刚，韩薇薇.C50 清水自密实混凝土的配制及应用J.建筑技术，2017，48（10）：1028-1029.8高建民.三掺法配制高抛免振捣混凝土在清水混凝土立柱中的研究J.混凝土，2017（4）：126-128.9刘延旭.大掺量玻璃粉自密实混凝土试验研究与工程应用J.市政技术，2022，40（2）：182-186.10刘奎启.黏度改性剂对高标号自密实混凝土性能影响的试验研究J.市政技术，2020，38（1）：273-277.11李金龙.高层建筑自密实清水混凝土抗裂性能试验研究J.工程机械与维修，2020（6）：121-123.12刘波沣.自密实混凝土性能优化技术研究J.市政技术，2015，33（3）：196-200.13孙江涛，熊星，沈卫国，等.清水自密实混凝土在隧道二衬中的应用研究J.交通科技，2019（4）：74-76.14王圣贤，王雪芳.自密实清水混凝土的早龄期抗裂性能研究J.福建建筑，2017（12）：83-87.尹轶：高强自密实清水混凝土在桥梁预制构件生产中的应用研究41