C50自密实混凝土在桥梁工程的应用

刘新辉

(娄底路桥建设有限责任公司,湖南娄底 417000)

自密实混凝土具有高流动性,高填充性,高间隙通过性,高抗分离性的特点,混凝土拌合物在自重下即可自行填充模板空间,形成自密实结构,被称为“近几十年中混凝土建筑技术最具革命性的发展”,冰岛建筑研究院的Wallevik先生预言:“将来有一天,所有混凝土都会变成自密实混凝土[1]。

高速公路桥梁工程的混凝土强度等级均为C50,变截面T梁结构,这些结构的截面形式通常比较复杂,T梁下部尺寸较小且配筋密集,如果配制的混凝土坍落度不高,难以保证混凝土振捣均匀,不可避免的造成不密实,导致混凝土的强度和耐久性降低,因此,本文主要采用自密实混凝土配制C50高标号混凝土。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

1)水泥(C):韶峰P.O 42.5水泥,化学成分及主要性能指标见表1和表2;

2)粉煤灰(FA):湘潭电厂生产的风选超细粉煤灰,比表面积为560 m2/kg,化学成分见表1;

3)矿渣(SG):涟钢泰基牌磨细矿渣,比表面积为460 m2/kg,化学成分见表1;

4)砂(S):湘江河砂,级配合格,细度模数2.73,符合Ⅱ区要求;

5)水(W):自来水;

6)减水剂(Sp):巴斯夫聚羧酸减水剂。

表1 水泥和粉煤灰的化学成分%

表2 韶峰牌P.O 42.5水泥性能指标

1.2 试验方法

根据GB/T2419-1994《水泥胶砂流动度测定方法》测试胶砂试样的流动度,根据GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行坍落度试验和扩展度试验,采用J-环测试混凝土的间隙通过性。

2 C50自密实混凝土配合比设计

2.1 粉煤灰、矿渣粉体的优化组合试验

粉煤灰、矿渣之间存在最佳颗粒级配组合,二者以适当比例组合,可以达到最密实状态。胶凝粉体在最大堆积密度下,可以把浆体中的填充水置换出来,即最佳粉体组合在相同用水量的条件下,可获得更大的流动度。因此,浆体的流动度试验可以在宏观上表示粉体的紧密堆积状态。本文通过改变粉煤灰-矿粉比例调整颗粒间的级配,使两者以最优比例组合。粉煤灰-矿粉混合比例及测试结果见表3。

表3 不同比例下的粉煤灰—矿粉及流动性试验结果

由表3可知,粉煤灰-矿粉以1∶1～3∶1的比例组合时,浆体的流动性呈增加趋势,当粉煤灰-矿粉以3∶1比例组合时,浆体流动度达到最大值(300 mm),这说明粉煤灰-矿粉的最优比例应为3∶1。

2.2 粉煤灰-矿粉、水泥和减水剂的相容性试验

粉煤灰-矿粉、水泥等胶凝材料和减水剂存在着相容性问题,如果胶凝材料和减水剂相容性差,自密实混凝土将达不到期望的工作性能。本文根据GB/T2419-1994《水泥胶砂流动度测定方法》测试胶砂试样的流动度,其中粉煤灰-矿粉的掺量为30%。

由图1可以看出,巴斯夫减水剂的饱和掺量为0.9%,在这个掺量下,净浆的初始流动度为300 mm,1 h流动度为285mm;净浆的流动度损失小,在不同掺量减水剂下,1 h后流动度损失小于5%;净浆的饱和点掺量为0.9%,饱和点掺量小。综上所述,当粉煤灰-矿粉以30%比例掺入时,净浆的流动度大,流动度损失小,饱和点掺量小,因此可以说,胶凝材料和减水剂的相容性好。

图1 胶凝材料和减水剂的相容性试验

2.3 胶凝材料总量的确定

固定水胶比为0.3,粉煤灰-矿粉(3∶1)掺量30%,砂率45%,减水剂掺量1.2%,调整胶凝材料用量为500、525、550、575、600 kg/m3这5个用量。其测试结果见表4。

表4 胶凝材料用量对自密实混凝土工作性和强度的影响

由表4可以看出,当胶凝材料用量为500～600 kg/m3时,随着混凝土胶凝材料用量的增大,混凝土的坍落度、扩展度、J-环扩展度整体呈增大的趋势。当胶凝材料用量为550 kg/m3时,自密实混凝土的坍落度达到最大值260mm,扩展度和J-环扩展度分别为660 mm、640 mm,混凝土的扩展度和J-环扩展度之差为20mm,抗压强度为66.4MPa,说明当胶凝材料用量为550 kg/m3时,所配制的自密实混凝土流动性好,具有高间隙通过性,且满足强度的要求。因此,本文采用的胶凝材料用量为550 kg/m3。

相关研究表明[2],当混凝土的浆体量不足时,仅能填充粗细集料之间的空隙,不能形成足够的富余浆体包裹粗细集料,使得混凝土具有一定的流动性。但是,如果富余的浆体过多,会因为松动效应使得粗细集料和粉体的堆积状态较差,打破自密实混凝土应有的流体平衡状态,并产生泌水离析现象,影响了自密实混凝土的工作性能,甚至降低其力学性能。

2.4 粉煤灰-矿粉掺量的确定

固定胶凝材料用量为550 kg/m3,水胶比0.3,砂率45%,减水剂掺量1.2%,调整粉煤灰矿粉(3∶1)掺量为10%、20%、30%、40%,其测试结果见表5。

表5 粉煤灰-矿粉掺量对自密实混凝土工作性和强度的影响

由表5可以看出,当粉煤灰—矿粉(3∶1)的掺量为10%～40%时,随着粉煤灰—矿粉掺量的增大,自密实混凝土的坍落度、扩展度、J-环扩展度整体呈增大的趋势,强度呈降低的趋势,综合考虑自密实混凝土的工作性能和力学性能,本文的粉煤灰—矿粉(3∶1)的掺量取30%。

相关资料表明[3]:以粉煤灰、矿粉等为主要成分的矿物掺合料,当它们以适当的比例掺入混凝土中时,矿物掺合料利用其火山灰效应、形态效应、微集料效应等提高新拌混凝土的变形性能、抗离析性能及保水性能。

2.5 水胶比的确定

固定胶凝材料用量为550 kg/m3,粉煤灰—矿粉(3∶1)掺量为30%,砂率45%,减水剂掺量1.2%,调整水胶比为0.28、0.30、0.32、0.34,其测试结果见表6。

表6 水胶比对自密实混凝土工作性和强度的影响

由表6可以看出,自密实混凝土的工作性整体随水胶比的增大而改善,当水胶比为0.32时,混凝土的坍落度、扩展度、J-环扩展度达到最大值,继续增大水胶比,自密实混凝土的工作性能变化不大。但随着水胶比的增大,自密实混凝土的强度显著降低,当水胶比为0.34时,自密实混凝土的强度低于C50设计值。因此,本文采用的水胶比为0.32。

2.6 砂率的确定

相关研究表明[4],自密实混凝土的适宜砂率为40%～45%。固定胶凝材料用量为550 kg/m3,粉煤灰—矿粉(3∶1)掺量为30%,水胶比为0.32,减水剂掺量1.2%,调整砂率为41%、43%、45%、47%、49%,其测试结果见表7。

由表7可以看出,当砂率为41%～49%时,随着砂率的增大,自密实混凝土的坍落度、扩展度、J-环扩展度呈先增大后降低的趋势。当砂率为43%时,自密实混凝土的坍落度、扩展度、J-环扩展度基本达到最大值。因为,本文采用的砂率为43%。

表7 砂率对自密实混凝土工作性和强度的影响

为保证自密实混凝土具有较好的流动性,而又不能产生离析泌水问题,应适当增大自密实混凝土的砂率,以增加混凝土拌合物的粘度。砂率对混凝土的工作性能影响显著,砂率过大时,混凝土拌合物需要更多的水泥浆包裹粗细集料的表面,降低混凝土的流动性;砂率过小时,混凝土拌合物富余过多的水泥浆体出现泌水现象。因此,用水量一定时,混凝土拌合物存在一个最优砂率,使得拌合物获得最佳的流动性,并保持良好的粘聚性和保水性[5]。

3 工程应用

根据本文确定的配合比,浇筑了一片试验T梁,拆模后混凝土表面平整光洁,无漏浆、孔洞、蜂窝麻面现象,取得了预期的效果,如图2所示。

图2 自密实混凝土配制的T梁

通过现场搅拌,并成型了标准试件,测得的混凝土坍落度为255mm,28 d抗压强度为62.8 MPa,满足设计要求。

4 结论

本文根据T梁的施工要求,采用自密实混凝土技术,成功应用了自密实混凝土,取得如下结论:

1)以水泥净浆最佳流动度为指标,确定粉煤灰∶矿粉比例为3∶1。

2)以混凝土坍落度、扩展度、J-环扩展度为指标,确定自密实混凝土的胶凝材料用量为550 kg/m3,粉煤灰—矿粉掺量为30%,水胶比为0.32,砂率为43%。

3)工程应用表明,混凝土的外观质量良好,工作性和强度满足设计要求。

[1]廉慧珍,张 青,等.国内外自密实高性能混凝土研究及应用现状[J].施工技术,1999,28(5):1-4.

[2]陶 津,赵桂祥,袁 勇,等.高强自密实混凝土工作性能及配合比优化研究[J].施工技术,2005,34:31-34.

[3]愈然刚,陈金平,肖光辉,等.自密实混凝土配合比设计及其正交试验研究[J].工业建筑,2005,35:691-694.

[4]张明征.高性能混凝土的配制与应用[M].北京:中国计划出版社,2003.

[5]周厚贵.水工自密实混凝土的设计及应用[J].水力发电,2007(6):26-28.