桥梁清水混凝土的耐久性研究

周孝军1，牟廷敏，丁庆军3，范碧琨

(1．西华大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610039；2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041；3.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)

·建筑与土木工程·

桥梁清水混凝土的耐久性研究

周孝军1，牟廷敏2，丁庆军3，范碧琨2

(1．西华大学建筑与土木工程学院，四川 成都 610039；2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川 成都 610041；3.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)

根据桥梁工程特点与服役环境条件，提出桥梁清水混凝土耐久性设计思路与技术途径，制备出满足设计要求的高性能清水混凝土，试验研究其微观孔结构特征、体积变形行为，以及抗氯离子渗透、抗碳化、抗冻与抗硫酸盐侵蚀等耐久性指标。结果表明：制备的桥梁清水混凝土含气量低，结构密实；28 d自收缩率小于3.5×10-4，干燥收缩率小于4.0×10-4，体积稳定性好；C40与C50混凝土56 d电通量分别为819 C与779 C，碳化深度分别为2.3 mm和1.8 mm；300次冻融循环后，质量损失率小于1%，相对动弹模大于95%；150次干湿循环时，抗压强度耐蚀系数在85%以上，耐久性能优越。

桥梁；清水混凝土；孔结构；体积稳定性；耐久性

清水混凝土，是指一次成型、不做任何外装饰，直接采用现浇混凝土的自然色作为饰面的混凝土。它具有质朴厚实、素面朝天的外观特性，并省掉了抹灰等工序，被行业内称为“绿色混凝土”[1-3]。目前，国内外关于清水混凝土的研究与应用主要集中在建筑工程领域，且十分注重其表面平整光滑、棱角分明的艺术效果，对其耐久性的研究还不是很充分[3-5]。由于清水混凝土构件取消了抹灰层和面层，长期裸露于外界环境中，直接受到外界环境的腐蚀作用，耐久性问题显得更加突出[6-7]，尤其是在桥梁工程中，混凝土强度等级较民用建筑高，结构构造更复杂，服役环境更恶劣，对混凝土的耐久性能提出了更高的要求。

本文以实际工程为依托，分析探讨桥梁清水混凝土耐久性设计思路与技术途径，通过对混凝土微观孔结构、体积变形行为以及系列耐久性指标进行试验研究，对其耐久性进行全面阐述，以期为工程推广应用提供技术支撑。

1 工程概况

成仁高速公路是成都天府新区的一条骨干道路，也是出川通道——成自泸赤高速公路的重要组成部分，对加快川南城市圈发展，建设西部综合交通枢纽有着举足轻重的作用。该工程有一长10 km的高架桥，该桥大部分在城区穿行，要求桥梁结构既安全耐久，又要与城市环境协调。因此，该桥梁结构主梁与桥墩均采用了清水混凝土设计方案，对其外观质量与耐久性能提出了较高的要求。

2 原材料

P O.42.5水泥；天然河砂，细度模数2.5，含泥量1.8%，泥块含量0.3%；石灰岩质碎石，粒径5～25 mm连续级配，含泥量0.4%，针片状含量1.7%，级配良好；V630型清水混凝土专用聚羧酸减水剂；纤维素醚，LH-70MR非速溶型，相对分子质量20万；I级粉煤灰，细度≤12%(0.045 mm方孔筛筛余)，需水量比92.6%；拌合用水为自来水。

3 配合比优化设计

3.1设计思路

桥梁工程结构构件尺寸大、构造复杂、配筋密集，特别是预应力箱梁腹板与底部以及T型梁马蹄处混凝土密实施工难度大；因而要求混凝土具有较好的流动性与填充性，坍落度保持在180 mm以上且经时损失小，保塑性、黏聚性、包裹性以及和易性好，同时收缩量小、体积稳定、结构密实，以满足结构安全、耐久的要求。经分析研究，改善混凝土的工作性能与耐久性，提高强度的设计思路有：采用专用外加剂，降低水胶比，严格控制用水量，提高混凝土拌合物工作性能，减少收缩；提高矿物掺合料掺量，适当减少水泥用量，改善混凝土内部孔结构，降低孔隙率，提高体积稳定性与微结构的致密性；选择合理增黏剂，控制浆体黏度，减少集料相对运动，保证不同密度的胶凝材料均匀分布，提高混凝土的匀质性。

3.2配合比与物理力学性能

根据桥梁清水混凝土性能要求，采用密实骨架法进行集料组成设计，结合耐久性设计思路，通过试验试配调整，制备了C40、C50桥梁清水混凝土，其配合比与物理力学性能如表1所示。混凝土黏聚性、包裹性好，初始坍落度在210 mm以上，扩展度在540 mm以上，具有很好的流动性，1 h后工作性能虽有一定损失，但仍具有较好的流动度，工作性能与抗压强度均满足设计要求。

表1 混凝土配合比与其物理力学性能

4 试验测试与分析

4.1微观孔结构

微观孔结构是混凝土致密性的表征方式，混凝土微结构越密实，其强度越高，抗碳化、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀等耐久性能越好[8-10]。采用气孔法，利用MIC.840.01型硬化混凝土孔隙结构测定仪，分析测试了桥梁清水混凝土28 d龄期时的孔结构分布(如图1所示)，具体气泡特征参数与测试结果如表2所示。

图1 混凝土气孔分布数字图像

表2 桥梁清水混凝土气泡特征参数

试样气泡个数累计气泡面积/mm2平均气泡直径/μm含气量/%比表面积/(μm2·μm-3)气泡间隔系数/μmC40-11588．5136．11．60．019951．4C40-21799．3139．31．60．019902．6C40-33078．9105．71．60．032608．6C50-122112．5141．42．00．02720．5C50-224814．5148．32．00．021685．4C50-341711．6100．52．00．034529．5

试验表明，C40、C50桥梁清水混凝土的含气量低，累计气泡面积与平均气泡直径较小，气泡间隔大，结构致密性较好。由于C50桥梁清水混凝土胶凝材料用量相对较多，浆体黏度大，气泡不易排出，因而与C40混凝土相比，其含气量偏大，气泡个数偏多。可见，由于采用最密实骨架堆积设计最大限度减小了集料孔隙率[11]；高掺粉煤灰发挥了良好的填充效应；另外采用清水混凝土专用减水剂提高混凝土工作性能、降低含气量。多种技术措施复合作用很好地改善了混凝土的孔结构，提高了其致密性。

4.2体积稳定性

桥梁结构构件尺寸较大，混凝土易收缩开裂而影响构件表面的完整性与清水效果，对其耐久性也将造成严重影响[3]。测试了桥梁清水混凝土的自收缩与干燥收缩随龄期的发展模式(如图2、图3所示)，并与采用普通减水剂、相同配合比制备的普通混凝土进行对比，探讨其体积变形性能。

图2 自收缩

图3 干燥收缩

由图2、图3可见，C40、C50桥梁清水混凝土的早期自收缩发展较快，7 d后趋于稳定，28 d时的自收缩率小于3.5×10-4，与普通混凝土自收缩变化规律一致，各龄期的自收缩率接近，自收缩均较小。桥梁清水混凝土的干燥收缩随龄期的变化规律与普通混凝土相似；但相同龄期时，桥梁清水混凝土的干燥收缩率较普通混凝土小，且其28 d时的干燥收缩率小于4.0×10-4，干燥收缩小。主要因为桥梁清水混凝土孔隙率低，混凝土致密性好，减少了水分的蒸发，从而降低了混凝土的干燥收缩，体积稳定性好。

4.3耐久性能

桥梁清水混凝土的耐久性不仅与桥梁结构安全性密切相关，同时将直接影响混凝土构件的外观质量[3]。系统测试了桥梁清水混凝土的抗氯离子渗透、抗碳化、抗冻与抗硫酸盐侵蚀等耐久性指标。由于配合比掺入了大量的粉煤灰，使得后期混凝土更加密实，耐久性增强。为了准确评价其耐久性，试件测试龄期均为56 d，结果如表3所示。

表3 耐久性测试结果

4.3.1 抗氯离子渗透性

试验表明，制备的C40与C50桥梁清水混凝土56 d龄期的电通量平均值分别为819 C与779 C，均较普通混凝土同龄期的电通量低，且小于1 000 C的技术指标要求，混凝土的抗渗性能很好。主要是由于混凝土配合比设计中粉煤灰掺量较高，同时通过掺加增黏剂促使其在浆体中均匀分布；因而对水泥颗粒的分散与填充作用较好，使水泥水化更充分，改善了微观孔结构，降低了内泌水，提高了密实度，增强了浆体与集料界面过渡区强度，进而提高了混凝土的抗渗性能。

4.3.2 抗碳化

由于采用了清水混凝土专用外加剂，C40、C50桥梁清水混凝土含气量低，同时高掺粉煤灰的微集料效应，优化了孔结构，降低了孔隙率，混凝土致密性好，56 d碳化深度分别为2.3 mm和1.8 mm，均小于同配合比采用普通外加剂制备的混凝土同龄期的碳化深度，其抗碳化性能更好。

4.3.3 抗冻性

所有试件经300次冻融循环后，均没有出现破坏，质量损失率在1%之内，相对动弹模大于95%，具有良好的抗冻耐久性能；但与同配比的普通混凝土相比，由于清水混凝土含气量低、孔隙率小，其抗冻性能略低。

4.3.4 抗硫酸盐侵蚀

经受150次干湿循环时，桥梁清水混凝土的抗压强度耐蚀系数在85%以上，较同配比的普通混凝土略高，具有很好的抗硫酸盐侵蚀能力。分析认为，由于桥梁清水混凝土配合比中粉煤灰掺量较高，粉煤灰具有火山灰效应、形态效应及微集料效应：一方面，粉煤灰颗粒本身阻塞硬化浆体中连通的孔隙；另一方面，粉煤灰水化反应的产物填充孔隙，从而细化了硬化水泥浆体的孔径，改善了孔结构的分布状态[8,12]。另外，采用清水混凝土专用外加剂，其含气量低，进一步降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的整体密实性能，增强了混凝土的抗渗性能。因此，桥梁清水混凝土与同配比的普通混凝土相比，抗硫酸盐侵蚀性能更好。

5 结论

1)提出的桥梁清水混凝土配合比优化设计思路合理。制备的C40、C50桥梁清水混凝土包裹性、黏聚性、流动性好，工作性能与力学性能满足设计要求。

2)桥梁清水混凝土含气量低，硬化浆体中累计气泡面积与平均气泡直径小，气泡间隔大，结构致密。

3)桥梁清水混凝土28 d时的自收缩率小于3.5×10-4，自收缩小，与同龄期普通混凝土的自收缩率接近，变化规律一致；28 d时的干燥收缩率小于4.0×10-4，干燥收缩小，变化规律与同龄期普通混凝土相似，但干燥收缩率小，体积稳定性更好。

4)桥梁清水混凝土具有很好的耐久性能，56 d龄期的电通量分别为819 C与779 C，较普通混凝土同龄期的电通量低，抗渗性能好；56 d碳化深度分别为2.3 mm和1.8 mm，较普通混凝土同龄期的碳化深度小，抗碳化性能更优；300次冻融循环后，质量损失率在1%之内，相对动弹模大于95%，抗冻性好；150次干湿循环时，抗压强度耐蚀系数在85%以上，较普通混凝土略高。

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(编校：叶超)

ResearchonDurabilityofBridgeFair-facedConcrete

ZHOU Xiao-jun1, MOU Ting-min2, DING Qing-jun3, FAN Bi-kun2

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.SichuanProvincialTransportDepartmentHighwayPlanningSurveyDesignandResearchInstitute,Chengdu610041China;3.StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070China)

According to the structural characteristics and service environment of bridge engineering, the durability design idea and technical approaches of bridge fair-faced concrete are put forwarded, and concrete with high working performances and good mechanical properties is prepared. The micro pore structure characteristic, volume deformation performance, chloride penetration resistance, anti-carbonation, antifreeze and sulphate resistance properties of the concrete were investigated. The research results show that bridge fair-faced concrete prepared had low gas content, relatively dense microstructure, excellent volume stability and outstanding durability. Autogenous shrinkage rate is less than 3.5×10-4and drying shrinkage rate is less than 4.0×10-4at the age of 28 days. Electric flux of C40 and C50 concrete are 819C and 779C respectively, and the carbonation depths are 2.3mm and 1.8mm respectively at the age of 56 days. After 300 times of freeze-thaw cycling, the quality loss of all test specimens are less than 1%, and the relative dynamic elastic modulus are greater than 95%. And the compressive strength corrosion coefficient of the specimens are above 85% at 150 times of wet-dry cycling.

bridge; fair-faced concrete; pore structure; volume stability; durability

2014-07-19

四川省交通科技项目(2011D-05)

周孝军(1985—)，男，讲师，博士，主要研究方向为高性能混凝土及其结构性能。

U444/TU528

：A

：1673-159X(2015)03-0104-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.03.022