九江长江公路大桥超宽箱梁C55粉煤灰高性能混凝土配合比设计

张剑峰，王运金，唐凯，胡峰强，李北星

（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．江西省交通运输厅九江长江公路大桥项目建设办公室，江西 九江 332000）

0 引言

九江长江公路大桥主桥设计为双塔双索面单侧混合梁斜拉桥，南岸边跨预应力混凝土箱梁总长261.5m，跨径布置为（70+75+84+32.5）m，混凝土强度等级设计为C55，采用纵向分段分节支墩支架泵送工艺施工。箱梁为扁平流线型闭合箱形截面，采用单箱三室整体式断面，中心线处梁高3.6m，含风嘴顶板全宽38.9m，属于超宽混凝土箱梁。箱梁内含密集的普通钢筋和预应力管道，混凝土的浇捣难度大；同时，由于高强混凝土温度收缩和自收缩大，在腹板和风嘴、横隔梁等大体积部位极易产生温度与收缩裂缝。因此，要求配制的箱梁主体混凝土具有缓凝、低坍落度损失和高抗离析性[1-2]，并具有低的水化热温升。此外，要求配制的混凝土必须具有较低的收缩徐变以减少箱梁预应力损失，要求混凝土具有良好的抗渗、抗碳化与抗冻性能，以提高混凝土的耐久性[3]，延长桥梁的使用寿命。本文着重研究了大桥超宽箱梁混凝土的配合比设计参数及物理力学性能。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

水泥：华新水泥阳新有限公司P·Ⅱ42.5级水泥。表观密度3.11 g/cm3，3 d、28 d抗压强度分别为29.9MPa和53.7MPa，有效碱含量为0.47%。

粗骨料：湖北阳新金峰石灰岩碎石，小、中石按3∶7搭配的5～20 mm连续级配，含泥量0.44%，表观密度2738 kg/m3，松堆密度1643 kg/m3，压碎值9.6%，针片状含量2.8%，无碱-骨料反应活性。

细骨料：江西赣江河砂，细度模数2.6，表观密度2630 kg/m3，松堆密度1598 kg/m3，含泥量0.9%，泥块含量0%，无碱-骨料反应活性。

粉煤灰：华能武汉阳逻电厂I级粉煤灰，表观密度2.12 g/cm3，烧失量1.52%，需水量比92.4%，7 d、28 d胶砂活性指数分别为83.7%和90%，有效碱含量（按总碱量的1/6计算）为0.244%。

减水剂：经试验优选，选用马贝建筑材料（上海）有限公司MAPEISX-C18（-2）缓凝型聚羧酸盐高效减水剂，固含量29.7%。

1.2 试验方法

混凝土拌合物性能、抗压强度、劈拉强度和弹性模量试验依据JTG E30—2005《公路水泥与混凝土试验规程》进行；混凝土氯离子扩散系数的测定依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的RCM法进行，采用RCM-D型全自动混凝土氯离子扩散系数快速测定仪；混凝土塑性收缩开裂试验采用日本笠井芳夫教授的平板试件约束抗裂性试验方法进行[4]；混凝土压力泌水、含气量及初凝时间试验依据GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

1.3 混凝土配合比设计

根据设计和施工要求，超宽箱梁混凝土须达到的主要性能指标为：拌合物坍落度210～230mm，扩展度（550±50）mm，坍损1 h内不大于20mm；含气量应小于2.5%；硬化混凝土28 d配制强度应大于67MPa，但不宜高于设计强度的140%即77MPa，7d强度不低于设计强度的90%；28 d弹性模量不低于3.75×104MPa，且7 d达到其85%以上；混凝土绝热温升低于60℃，平板法开裂试验抗裂性等级达Ⅲ级及以上；28 d氯离子扩散系数（RCM法）小于4.0×10-12m2/s。

首先，根据全计算方法[5-6]对C55高性能混凝土的理论配合比进行了计算，水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶减水剂=361.5∶120.5∶629∶1125∶159.1∶1.18%（占胶凝材料）。以该理论计算配合比为基础，确定箱梁C55高性能混凝土配合比参数范围为：胶凝材料用量480～510 kg/m3，其中粉煤灰掺量15%～30%，水胶比0.30～0.33，砂率37%～40%，减水剂掺量为胶凝材料质量的1.1%。试验用混凝土配合比及混凝土性能分别见表1和表2。

表1 混凝土设计配合比

表2 混凝土的性能

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对混凝土性能的影响

图1为固定单位用水量时，水胶比与混凝土工作性、强度及28 d氯离子扩散系数之间的关系。

由图1（a）分析得，在用水量一定条件下，随着胶凝材料用量的降低，混凝土的坍落度和扩展度变化不大，各组混凝土的工作性均能满足箱梁混凝土的设计和施工要求，而且坍落度与扩展度均有较大富余。从图1（b）和图1（c）可以看出，随着水胶比的增大，硬化混凝土的强度呈下降趋势、氯离子扩散系数呈增大趋势，但是差别不大。本试验研究的水胶比范围为0.30～0.32，各组混凝土的28 d强度均超过箱梁混凝土67MPa配制强度的要求，氯离子扩散系数满足4.0×10-12m2/s的要求，综合考虑工作性、强度与抗氯离子渗透性等因素，胶凝材料用量选用495 kg/m3较为适中，而水胶比选择0.31即可，考虑到施工中水泥强度的波动及上述混凝土工作性还有调整的余地，水胶比在试验基础上降为0.305。

图1 水胶比与混凝土的工作性、强度及氯离子扩散系数的关系

2.2 粉煤灰掺量对混凝土性能的影响

图2为固定其他参数不变，粉煤灰等量取代水泥0%、15%、20%、25%、30%时与混凝土工作性、强度及28 d氯离子扩散系数之间的关系。

由图2（a）分析得，随粉煤灰掺量增加，拌合物坍落度和扩展度增加，说明粉煤灰改善了混凝土的工作性。图2（b）的强度结果显示，随粉煤灰掺量增加，7 d龄期强度降低，粉煤灰掺量25%的混凝土与基准配比混凝土的7 d强度差值为11.7MPa；而28 d强度变化比较复杂，随粉煤灰掺量增加，强度呈先降低→后上升→再降低的趋势，粉煤灰掺量在20%时强度最大、在30%时强度最小，粉煤灰掺量15%、25%的28 d强度差别不大。图2（c）显示随粉煤灰掺量增加，氯离子扩散系数呈先下降后增长的趋势，但均低于基准样，其中粉煤灰掺量25%时最小。由于C55箱梁混凝土28 d配制强度以67～77MPa为宜，7 d强度达到55MPa即可，因此，综合考虑粉煤灰对强度和抗氯离子渗透性的影响、对工作性的改善作用及对水化热的降低作用，粉煤灰掺量以选择较高的25%为宜。

图2 粉煤灰掺量与混凝土工作性、强度及氯离子扩散系数的关系

2.3 砂率对混凝土性能的影响

图3为固定水胶比、单位水泥用量时，砂率与混凝土工作性、强度及28 d氯离子扩散系数之间的关系。

图3 砂率与混凝土工作性、强度及氯离子扩散系数的关系

由图3（a）分析得，随着砂率的增加，混凝土的黏聚性逐步改善，混凝土坍落度呈先增后降趋势，扩展度逐渐下降，图3（b）和图3（c）表明，4组混凝土样的28 d抗压强度与氯离子扩散系数差别不大。综合来看，砂率在39%时，混凝土的工作性和强度均较为满意，因此本试验条件下，合理砂率为39%。

2.4 优化配合比的塑性收缩开裂试验

综上所述配合比XL11的综合性能最优，其早期塑性收缩开裂试验的结果如表3所示。由结果可知，混凝土的抗裂等级为Ⅱ级，该配合比的混凝土抗裂性能良好。

表3 混凝土平板法开裂试验结果

2.5 优化配合比重演试验的物理力学性能及应用效果

根据试验成果，最终确定用于施工的混凝土优化配合比为XL11，对该配比进行重演试验，测得的各项物理力学性能如表4所示。

表4 XL11优化配合比的物理力学性能

由表4的结果，混凝土的工作性、强度及弹性模量等指标均达到设计要求或比设计要求高，其中7 d的绝热温升仅为55.4℃，比设计要求低4.6℃。工地试验室根据X11配合比复盘的试验结果也与表4结果吻合。根据现场施工的状况看，混凝土的坍落度为220～230mm，扩展度为525～575mm，黏聚性好，泵送顺利，混凝土拌合物通过密集钢筋网没有出现离析，拆模后混凝土外观质量基本达到清水混凝土的标准，取样的28 d抗压强度均在70 MPa以上。

3 结语

粉煤灰的掺入能较好地改善混凝土的工作。在本试验条件下，掺量20%的28 d抗压强度最佳，掺量30%时混凝土28 d强度降低显著；粉煤灰对混凝土的抗氯离子渗透性的影响存在一个最佳掺量，当粉煤灰掺量＜25%时，混凝土的抗氯离子渗透性随掺量的增加而增强，当粉煤灰掺量＞25%时，混凝土的抗氯离子渗透性降低。

本试验条件下，采用42.5级P·Ⅱ水泥与Ⅰ级粉煤灰配伍优化得到的箱梁C55高性能混凝土的配合比设计参数为：胶凝材料用量495 kg/m3、其中粉煤灰掺量25%、水胶比0.305、砂率39%。该配合比具有胶凝材料用量较低的特点，室内试验结果与应用表明，该配合比的混凝土具有良好的泵送施工性能，较高的抗裂性能，较高的早期强度和较大的后期强度发展以及高的抗氯离子渗透性。

[1] 李北星，马立军，关爱军，等.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，2010，32（14）：40-44.

[2] 贾国盛.黄河特大桥主桥箱梁高强混凝土配合比的设计[J].铁道建筑，2001（8）：19-21.

[3] 刘建忠，刘加平，周伟玲，等.预应力箱梁用粉煤灰混凝土的配制与性能研究[J].施工技术，2005，34（4）：21-23.

[4] 中国土木工程学会技术标准.混凝土结构耐久性设计与施工指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[5] 陈建奎，王栋明.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.

[6] Aïtcin P C，Mehta P K.Principles Underlying Production of High Performance Concrete[J].Cement，Concrete and Aggregates，1990，12（2）：70-78.