全天然卵石C50箱梁混凝土力学特性研究

王 薇,秦明强,叶志坤

(1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室,武汉 430040)

塞尔维亚多瑙河大桥为中国进出口银行贷款项目，中国单位设计施工总承包，为变截面预应力混凝土连续梁桥，2014年12月建成通车。该工程一个显著的特点为采用天然卵石来配制全桥的桩基、承台、墩身和预应力梁等结构混凝土。在塞尔维亚国内，矿山资源较少，但流经塞尔维亚的多瑙河底有丰富的卵石资源可打捞供使用。为保护生态环境，该国一直使用天然卵石来配制水泥混凝土，服役70余年的柏系卡桥为公铁两用桥，至今仍然发挥着重要作用，其混凝土骨料均采用天然卵石。

目前，绝大部分混凝土采用碎石或破碎卵石作为粗骨料。有研究表明[1,2]，与碎石相比，天然卵石颗粒级配差、空隙率高、表面棱角少、与水泥浆体结合性差，因而对于高强或有抗渗要求的混凝土，天然卵石应用较少。但由于近年来大规模土木工程建设，良好的石材资源日益枯竭；国家对环境保护日益重视，提倡可持续发展，走“绿色经济、绿色产业、绿色建筑”之路。基于此，研究以多瑙河大桥为工程依托，探讨使用全天然卵石配制C50箱梁混凝土，对比研究全天然卵石混凝土与碎石混凝土力学特性的差异。

1 试验原材料

拟配制的箱梁混凝土抗压强度等级为C50，坍落度要求为160～220 mm，初凝时间不小于10 h，混凝土所用骨料粒径为0～16 mm。试验用原材料如下：

1)水泥：拉法基PC42.5R水泥，比表面积400 m3/kg，28 d抗压强度57.8 MPa。

2)细集料：河砂，细度模数2.3，表观密度2 667 kg/m3，堆积密度1 840 kg/m3，含泥量0.92%，泥块含量0.1%。

3)外加剂：西卡聚羧酸外加剂，固含量27.4%，减水率34.3%。

4)卵石：5～10 mm、10～20 mm两种粒径，经试验室级配筛分试验，按3∶7混合后获得孔隙率最低的卵石级配。试验用卵石物理性能指标如表1所示。

5)对比试验用碎石。武汉江夏采石场5～20 cm连续级配碎石。物理性能指标如表1所示。

表1 试验卵石物理性能指标

2 同水胶比条件下的不同骨料混凝土性能差异对比

为对比卵石与碎石作为粗骨料配制混凝土的差异，选取固定胶凝材料用量和比例，不同水胶比混凝土，通过调节单方用水量和外加剂掺量达到接近的坍落度，测试配合比的扩展度、含气量、容重以及7 d和28 d抗压强度。试验用配合比见表2，各配合比混凝土的性能见表3。

表2 卵石与碎石混凝土性能对比试验用配合比

表3 卵石与碎石混凝土性能对比

2.1 工作性能

在其他配合比参数相同的情况下，仅改变外加剂掺量时，碎石与卵石混凝土在水胶比为0.44情况下，卵石混凝土外加剂掺量较少时基本能达到与碎石相同的工作强度；在水胶比为0.40和0.36时与水胶比为0.44时规律一致，即在相同配合比下，卵石混凝土工作性能优于碎石混凝土，主要有两方面的原因：其一，卵石表面光滑、粒形圆润，浆体流动性较好，而碎石多棱角，浆体流动时摩擦阻力大，流动性较差；其二，卵石的吸水率小于碎石，在相同混凝土单方用水量情况下，卵石混凝土自由水量多于碎石混凝土。

对比其他配合比参数相同情况下，卵石混凝土的含气量、容重与碎石混凝土无明显差异。

2.2 力学性能

图1为同水胶比下碎石混凝土与卵石混凝土7 d、28 d抗压强度。由图可知，分别选用碎石、卵石两种骨料时，在配合比相同情况下(水胶比分别为0.44、0.40和0.36)，碎石组(LS01、LS04、LS07)7 d和28 d抗压强度均高于卵石组(LS02、LS05、LS08)抗压强度。分析原因为：碎石的比表面积大于卵石、碎石表面粗糙而卵石表面较为光滑，使得水泥水化产物与碎石骨料颗粒间更好接触，并且水泥水化产生的氢氧化钙更容易与碎石表面反应成生成水化硅酸钙并附着在表面粗糙的碎石上，从而使胶凝材料跟骨料更好地粘接[3-5]。

从表3可以看出，对比LS01、LS02、LS03、LS06组，当卵石混凝土水胶比相比碎石混凝土降低0.06时两者28 d抗压强度基本相当；对比LS04、LS05、LS06、LS09组与LS07、LS08、LS09、LS10组，水胶比分别降低0.06与0.04时两者28 d抗压强度基本相当；桥梁混凝土常用的强度等级一般为C35～C50，与该研究所示的抗压强度范围一致，为配制相同的抗压强度混凝土，卵石混凝土与碎石混凝土相比，水胶比需有一定程度的降低，降低幅度约为0.04～0.06。

3 同抗压强度条件下骨料类型对混凝土力学特性的影响

同水胶比条件下，卵石混凝土抗压强度低于碎石混凝土；而通过使用高性能减水剂、改善水胶比及提高胶凝材料用量，混凝土抗压强度可大幅提高。通过配合比调整优化，使用卵石配制出与碎石混凝土抗压强度相同，满足设计要求的箱梁混凝土。同抗压强度混凝土配合比如表4所示。

表4 同强度混凝土试验配合比

使用LS11、LS12配合比进行抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度和弹性模量试验，以研究同抗压强度条件下，碎石与天然卵石混凝土的力学特性。试验结果对比如图2～图5所示。

由图2～图5可见，不同龄期的碎石混凝土抗压强度、轴心抗压强度与卵石混凝土相近，属于同强度配合比。而同强度条件下卵石混凝土的抗折强度、弹性模量均稍低于碎石混凝土，相比碎石混凝土分别降低为4.8%和6.3%，两者差异基本可忽略。

使用LS11、LS12配合比，针对卵石混凝土和碎石混凝土，分别开展10组抗压强度试验，以研究不同骨料对混凝土力学性能离散性影响，并对比不同骨料混凝土的拉压比。试验结果见图6、图7。

试验配合比的28 d抗压强度最大值、最小值、均值与标准差以及平均拉压比如表5所示。

表5 抗压强度值、标准差及平均拉压比

由表5可见，在抗压强度相近的情况下，碎石混凝土的标准偏差大于卵石混凝土，表明卵石混凝土的抗压强度离散性更小，有利于混凝土质量控制。

4 结 语

a. 配制卵石混凝土时水胶比较碎石混凝土有一定程度的降低，对于C50箱梁混凝土而言，水胶比约降低0.04～0.06；容重根据骨料的松散堆积密度或容重实测值进行调整。

b.同抗压强度情况下，卵石混凝土的抗折强度、轴心抗压强度、弹性模量基本与碎石混凝土相当、拉压比低于碎石混凝土，抗压强度偏差小于碎石混凝土。

[1] 徐 欣,刘金才,颜万军,等.用卵石配制高强高性能混凝土的探讨[J].混凝土,2001(5):51-53.

[2] 陈积光,肖四喜,曾文德,等.碎石混凝土与卵石混凝土双向拉伸强度研究[J].混凝土,2007(8):61-64.

[3] 李树山,高丹盈.粗骨料粒径对卵石混凝土抗压强度影响的试验研究[J].混凝土,2013(2):59-63.

[4] 秦明强,陈梦义,叶志坤,等. 天然卵石集料配制C50梁混凝土研究[J].建材世界,2015, 36(6):25-28.

[5] 邢 斌,张戎令.高性能混凝土粗骨料碎卵石破碎面研究[J].混凝土,2011(12):90-93.