陶砂对预制梁混凝土性能影响研究

黄灿，袁天雄，王艳，刘离，程路军

（中建商品混凝土有限公司，湖北　武汉　430000）

陶砂对预制梁混凝土性能影响研究

黄灿，袁天雄，王艳，刘离，程路军

（中建商品混凝土有限公司，湖北武汉430000）

本文结合武汉市某市政桥梁工程中预制小箱梁 C50混凝土生产技术要求，探索陶砂对预制小箱梁混凝土各项性能影响。研究发现：陶砂体积取代率在40% 以下范围时，混凝土28d 强度、凝结时间均能满足工程需求；其干缩率随着陶砂体积取代率的增长呈现持续降低的趋势，60% 取代率时28d 干缩率降低33%；其氯离子渗透系数随取代率增加呈现先减小后增长的趋势，40% 取代率时28d 氯离子渗透系数降低约15.9%。

陶砂；预制梁混凝土；凝结时间；干缩；氯离子扩散系数

0　引言

武汉市某市政桥梁工程中预制箱梁 C50混凝土生产，预制箱梁混凝土归属于钢筋混凝土，其钢筋结构配筋密集，同时在混凝土构件成型后存在预应力张拉，因此对于混凝土的性能要求较为严格，要求早期强度发展迅速（脱膜时间7～9h），28d 强度达到设计满足配制强度要求，混凝土工作性能优异 [初始坍落度 (200±20)mm，扩展度(500±50)mm]，180d 干缩率小于万分之5，混凝土28d 氯离子扩散系数（RCM 法）＜5.0×10-12m2/s。由于其严格的脱膜时间要求，因此如何实现预制梁混凝土其早期强度高、拆模时间快是工程关注的热点问题。已有研究表明[1]：混凝土早期水化快则产生的强度高，但水化过快，受到温度作用（包括自身水化热和环境温度变化）、自身收缩变形作用（包括塑性收缩、自收缩和干燥收缩）徐变变形作用，产生较大的变形，尤其是对于低水灰比、高水泥用量的高强度混凝土而言，其开裂风险尤为突出。工程实践中通过优化配合比设计、优选原材料、加强后期养护等措施使预制梁混凝土能够满足要求。Henkensiefken R[2]等研究发现，通过掺入一定量的饱水轻集料作为内养护材料，能减缓混凝土内部湿度降低从而减少了混凝土内部自收缩，Bentz[3]等研究发现内养护材料的掺入能够改善混凝土的抗渗性能。

为了进一步改善预制梁混凝土的强度增长、早期张拉、加载与混凝土开裂之间的矛盾，本文将陶砂作为内养护材料应用于预制梁混凝土中，研究陶砂对预制梁混凝土的力学性能、收缩能及耐久性能的影响。

1　试验

1.1原材料

水泥（C）：亚东 P·O42.5水泥，3d 抗折强度为5.8MPa，抗压强度为28.1MPa；28d 抗折强度为8.3MPa，抗压强度为50.1MPa。

粉煤灰（FA）：麻城Ⅰ级粉煤灰，细度（45μm 筛余）为8.0%，烧失量为2.3%，需水量比为93%。

细集料（S）：湖南岳砂，细度模数为2.6，表观密度为2530kg/m3，含泥量1.0%，泥块含量0%。

粗集料（G）：5～20mm 连续级配的碎石，含泥量0.3%，泥块含量0%。

陶砂（LS）：宜昌某陶粒厂生产陶砂，指标为900级0～3mm ，表观密度为1580kg/m3，其吸水性能如图1所示，其中24h 饱和吸水率24.0%。

外加剂（PC）：武汉 X 项目预制梁专用早强型聚羧酸减水剂，含固量为21.6%，减水率为25.0%。

水（W）：采用普通自来水。

图1　陶砂吸水曲线

1.2试验配合比

表1　混凝土试验配合比　kg/m3

试验中配合比如表1所示。LC0表示基准混凝土配合比，且将饱水24h 的陶砂等体积取代细集料河砂取代率依次为20%、40%、60% 得到三组轻骨料混凝土记为 LC20、LC40、 LC60。为保障工作性能一致性调节外加剂掺量。表1中用水量均为有效用水量（不包含陶砂预吸水引入内养护水量）。

1.3性能表征及试验方法

混凝土试件均按照标准要求养护，各性能测试依据以下标准要求：

抗压强度：依照 GB/T50087－2002《普通混凝土力学性能试验方法》，制备150mm×150mm×150mm 标准试件，分别测试3d、7d、28d 抗压强度。

凝结时间：按照 GB/T50080－2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，利用贯穿阻力仪测试混凝土初终凝时间。

混凝土干缩及氯离子扩散系数：按照 GB/T50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，测试混凝土的干缩成型试件尺寸为100mm×100mm×515mm，氯离子扩散系数采用 RCM 法，试件尺寸为 φ100mm×h50mm 的圆柱形试件。

2　试验结果与分析

2.1抗压强度与凝结时间

对不同陶砂体积取代率试件进行性能测试，由表2试验结果可知，一定掺量的预饱水陶砂体积取代细集料河砂，其早期（≤7d）强度有一定的降低，但是发现取代率在40%以内时，预制梁混凝土抗压强度降低较少，而取代率＞60%时，其3d、7d 抗压强度下降明显；而对比28d 抗压强度发现，陶砂体积取代＜40% 时，其抗压强度较未掺陶砂有所提升。

预饱水陶砂的掺入延长了混凝土的凝结时间，且凝结时间随着掺量的增加而增加。凝结时间受多种因素影响，本试验中由于饱水陶砂的掺入，对于混凝土的凝结时间影响较大，主要是饱水陶砂在搅拌初期存在一定的释水，从而相对降低混凝土的水胶比，导致其凝结时间有一定增长，但是在试验中同样发现其凝结时间能够满足施工要求，且饱水陶砂的掺入能够改善混凝土工作性能，对于混凝土初期成型起到一定促进作用。

表2　不同陶砂体积取代率试件抗压强度与凝结时间

2.2干缩

混凝土干缩试验结果见表3。干缩是混凝土材料的一个重要特征，其对混凝土的耐久性有着很大的影响。水泥浆中水分的损失，如蒸发、干燥等过程引起的体积缩小变形是导致混凝土收缩的一个原因[4]。由表3结果可知，一定掺量的预饱水陶砂等体积取代细集料河砂时，可以降低混凝土的干燥收缩，且随着体积取代率的增加其降低幅度明显增加。60%体积取代率时，1d、3d、7d、14d、28d 干缩率分别降低了23%、24%、30%、36%、33%。饱水陶砂的掺入引入了内养护水分，根据内养护研究了解到内养护水能够有效保障混凝土内部水化环境，使得混凝土中湿度与外界湿度不至于相差太大，因此掺有饱水陶砂的预制梁混凝土的干缩明显降低。

表3　混凝土干缩试验结果

2.3氯离子扩散系数

混凝土28d 氯离子扩散系数测试结果见表4。由表4结果可知，一定掺量的预饱水陶砂体积取代细集料，当体积取代率分别为20%、40% 时混凝土试件氯离子扩散系数相较于未掺陶砂作为内养护材料混凝土的分别减少约11.8%、15.9%，而当陶砂体积取代率为60% 时，其扩散系数反而增大约6.6%。一定掺量陶砂的内养护预制梁混凝土，尽管陶砂的孔隙结构较大、且孔连通率较大，但是胶凝材料浆体能够在陶砂附近很好的水化发展，在其周边形成较密集的水化产物，从而降低了其氯离子渗透的通道，有效改善混凝土内部界面过渡区的密实度，因此对于预制梁钢筋混凝土后期抗氯离子侵蚀能力有较大提升。

表4　混凝土 RCM 法试验结果

混凝土强度主要来源于混凝土中胶凝材料水化产物及其与集料间紧密程度。而预制梁混凝土因其特殊的要求，即脱膜时间要求短，同时早期强度发展迅速，因此引入早强型外加剂从而促进混凝土的早期强度发展。而早期的加速水化势必导致水化产物成型迅速且结构相对粗大，分散较差从而导致其后期强度发展减弱，以及耐久性变差。而已有的大量内养护材料应用发现，内养护混凝土能够在一定程度上改善混凝土的内部水化。

陶砂内养护材料的掺入，在混凝土中起到的作用主要为引入内养护水，保障混凝土中后期的水化环境，与此同时，陶砂部分替代细集料河砂，作为一个微小单元能够有效分散于混凝土内部，起到一个“微型水库”的作用，使其周边界面过渡区更加密实[5]，当然，过量的掺入会仍会起到副作用，主要是由于陶砂自身强度不足及其级配问题，大量的掺入对于混凝土的密实结构带来损害。

3　结论

（1）预饱水陶砂20%、40%、60% 等体积取代细集料，预制梁混凝土28d 强度随体积取代率增加先增加后减小，40% 体积取代时增长约3.1MPa。

（2）预饱水陶砂20%、40%、60% 等体积取代细集料，预制梁混凝土终凝时间随掺量的增加而增加，60% 时增加约55min。

（3）预饱水陶砂20%、40%、60% 等体积取代细集料，预制梁混凝土其干缩率随掺量增加而减少，60% 时28d 干缩率降低33%；其28d 氯离子扩散系数随掺量增加呈现先减少后增长的趋势，40% 时减少约15.9%。

[1] 朱耀台，詹树林．混凝土裂缝成因与防治措施研究[J]．材料科学与工程学报，2003,21(5)：727-730．

[2] Henkensiefken R, Nantung T, Weiss J. Reducing restrained shrinkage cracking in concrete: examining the behavior of selfcuring concrete made using different volumes of saturated lightweight aggregate[C]//National concrete bridge conference, St. Louis, MO.2008.

[3] Bentz D P．Influence of internal curing using lightweight aggregates on interfacial transition zone percolation and chloride ingress in mortars[J]. Cement and concrete composites，2009,31(5)：285-289.

[4] 李北星，查进，李进辉，等．饱水轻集料内养护对高性能混凝土收缩的影响[J]．武汉理工大学学报，2008,30(5)：24-27.

[5] Klieger P. Long-Time Study of Cement Performance in Concrete Chapter10-Progress Report on Strength and Elastic Properties of Concrete[C]/ACI Journal Proceedings．1957.54(12)：101-103.

［通讯地址］湖北省武汉市中建商品混凝土有限公司（430000）

黄灿，男，硕士毕业，助理工程师，主要从事混凝土技术研发及质量管理工作。