高强自密实清水混凝土在桥梁预制构件生产中的应用研究

尹轶

（国能黄大铁路有限责任公司，山东 东营 257000）

0 引言

自密实清水混凝土是一种新型的绿色混凝土，兼具自密实混凝土和清水混凝土的优势。自密实混凝土为了达到大流动特性，往往需要较大的胶凝材料用量和大砂率支撑，但这也会造成混凝土浆体黏度过大、难以消除气泡的富集现象，对其表观质量不利，清水混凝土对表观质量要求较高，在施工时往往需要进行振捣，将浆体内的气泡排除，但是振捣又极易引起泌水现象，因此自密实混凝土与清水混凝土之间是存在一定的矛盾性的[1-8]。为了提升高性能自密实清水混凝土的整体性能，有必要开展系列试验研究。

北方大部分地区处于温带大陆性季风气候，冬季气温普遍较低，昼夜温差较大，无霜期较短，夏季气候干燥炎热，并时常伴有大风。本文依托于某预制自密实清水混凝土桥梁工程为例，该工程项目年平均气温为7.8℃，夏季平均气温22.4℃，冬季平均气温-10.7℃，年平均风速1.9m/s，冻土深度为17cm，年平均降雨量为443 mm，工程建设所处的环境十分复杂。工程共设计700余根C50自密实清水混凝土墩柱以及380余根C60自密实清水混凝土盖梁，为了保证盖梁和墩柱良好的工作性能、力学性能及耐久性能，同时保证施工外观色泽质量基本一致，对自密实清水混凝土的配制和施工提出了更高的要求。

本文对C50墩柱和C60盖梁2种高强自密实清水混凝土展开室内试验研究，从工作性能入手对混凝土配合比进行优化，同时对优化后的混凝土进行力学性能和耐久性测试，验证最佳配合比下混凝土是否具有良好的服役性能，以期为工程的建设和施工提供借鉴。

1 试验

1.1 原材料

水泥：墩柱采用P·O42.5水泥，盖梁选用P·O52.5水泥，主要技术性能见表1。

表1 水泥的主要技术性能

粉煤灰：平均烧失量6.7%，含水率0.3%，需水量比95%，细度（45μm筛筛余）20%。

矿粉：密度2.95 g/cm3，比表面积410 m2/kg，7、28 d活性指数分别为80%、98%，含水量0.5%，平均烧失量2.5%，SO3含量3.1%。

石：粒径5～20 mm，压碎指标8%，含泥量0.1%，泥块含量0，针片状含量5%，松散堆积孔隙率39%。

砂：天然河砂，含泥量1.1%，泥块含量0.1%，云母含量0.2%，轻物质含量0.1%。

外加剂：聚羧酸系高性能防冻减水剂，固含量18%，减水率30%。

水：自来水。

1.2 试验配合比

桥梁墩柱自密实混凝土设计强度等级为C50，要求水胶比＜0.33，含气量2%～4%，压力泌水率＜10%，扩展度为660～755 mm且4 h内无损失，倒坍时间3～5 s，7 d抗压强度需达到标准值的80%，28 d抗压强度需达到标准值的120%～135%，氯离子含量不超过总胶凝材料的0.1%，碱含量不超过1.8 kg/m3。桥梁盖梁自密实混凝土设计强度等级为C60，要求水胶比＜0.31，其余要求与C50一致[9-10]。按照上述要求，确定了墩柱C50和盖梁C60自密实清水混凝土的初步配合比见表2，砂的细度模数均为2.7。

表2 自密实清水混凝土的初步配合比 kg/m3

1.3 试验内容

按照JGJ/T283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行试验设计：（1）通过不同胶凝材料用量、矿物掺合料配比、砂细度模数以及砂率下的工作性能试验，工作性能指标包括：坍落度、扩展度、T500、L型仪填充比、倒坍时间等5项指标对2种强度等级自密实清水混凝土的配合比进行优化设计。（2）测试最佳配合比下2种强度等级自密实清水混凝土不同龄期的强度。（3）测试最佳配合比下2种强度等级自密实清水混凝土的耐久性，主要包括：抗冻性（-20℃下冻结4 h，8℃下融化2 h，每6 h为1个冻融循环）、抗裂性（风速5 m/s，温度8℃，相对湿度52%，24 h后测量裂缝数量）以及抗氯离子渗透性（电通量法，NaCl溶液质量浓度3%，NaOH溶液摩尔浓度为0.3%，试验时间6 h）。

2 工作性能试验结果分析

2.1 胶凝材料用量对自密实清水混凝土工作性能的影响

固定水泥、矿粉和粉煤灰的比例以及胶砂比，其余材料用量与表2相同，研究胶凝材料用量对清水混凝土工作性能的影响，结果见表3。

表3 胶凝材料用量对自密实清水混凝土工作性能的影响

由表3可知：随着胶凝材料用量的增加，自密实清水混凝土的浆体体积增大，填充性能得到有效提高，混凝土的坍落度、扩展度逐渐增大，倒坍时间延长，T500先缩短后延长。当胶凝材料用量分别为580、540 kg/m3时，C50、C60混凝土的T500最短。按照JGJ/T 283—2012及设计要求，自密实清水混凝土的扩展度应为660～755 mm，因此，C50混凝土中胶凝材料用量大于560 kg/m3即可，C60混凝土中胶凝材料用量大于500 kg/m3即可。综合试验结果：在满足扩展度要求的基础上，C50的最佳胶凝材料用量应在560～580 kg/m3，C60的最佳胶凝材料用量应在540～560 kg/m3，本试验取570、550 kg/m3分别作为C50、C60自密实清水混凝土的最佳胶凝材料用量。

2.2 矿物掺合料配比对自密实清水混凝土工作性能的影响

在最佳胶凝材料用量下，其余试验条件不变，仅改变粉煤灰与矿粉的配比，得到不同矿物掺合料配比下自密实清水混凝土的工作性能，结果见表4。

表4 矿物掺合料配比对自密实清水混凝土工作性能的影响

由表4可知：随着矿粉用量的增加，自密实清水混凝土的扩展度逐渐增大，倒坍时间延长，这说明矿粉掺入后提高了混凝土的黏度和剪切力，但对混凝土的自密实性能可能会产生不利影响。因此，矿粉掺量不宜过高，根据试验结果，认为自密实清水混凝土应采用单掺粉煤灰或粉煤灰与矿粉按2∶1的质量比复掺进行拌制。综合考虑，后续试验中，C50混凝土中粉煤灰、矿粉用量分别为120、60 kg/m3，C60混凝土中粉煤灰、矿粉用量分别为100、50 kg/m3。

2.3 砂细度模数对自密实清水混凝土工作性能的影响

按上述试验得出的最佳配比，其余试验条件不变，仅改变砂的细度模数，研究自密实混凝土工作性能的变化，结果见表5。

由表5可知，随着砂细度模数的增大，C50和C60自密实清水混凝土的坍落度、扩展度先增大后减小；C50的倒坍时间先缩短后延长，C60的倒坍时间逐渐缩短。表明随着砂细度模数的增大，混凝土的自密实性能呈先增强后变弱的特征。当砂的细度模数小于2.7时，砂中细颗粒含量较多，导致混凝土浆体的黏度增大，流动性能减弱，当砂的细度模数大于3.0后，由于粗颗粒含量较多，可能导致拌合不均匀，也会导致浆体的流动性减弱，均不利于混凝土的施工。通过对比可知，砂的细度模数为2.7时混凝土的综合工作性能最佳。

表5 砂细度模数对自密实清水混凝土工作性能的影响

2.4 砂率对自密实清水混凝土工作性能的影响

按上述试验得出的最佳配比，其余试验条件不变，仅改变砂率，研究自密实混凝土工作性能的变化，结果见表6。

表6 砂率对自密实清水混凝土工作性能的影响

由表6可知：随着砂率的增大，C50和C60自密实清水混凝土的坍落度、扩展度先增大后减小，倒坍时间大致呈先缩短后延长的趋势，当砂率为44%～48%时，2种强度等级混凝土均具有较好的流动性和黏聚性，因此，最终确定C50、C60混凝土的最佳砂率分别为44%、46%。

2.5 最佳配合比确定

按照上述试验得到的自密实清水混凝土最佳配合比见表7。对最佳配比下拌合物工作性能和力学性能进行测试，结果见表8。

表7 2种强度等级混凝土的最佳配合比 kg/m3

表8 自密实清水混凝土的工作性能和力学性能

由表8可知，C50和C60自密实清水混凝土的扩展度分别为675、700 mm，倒坍时间分别为3.5、3.3 s，含气量分别为2.5%、2.6%；C50自密实清水混凝土的7 d、28 d抗压强度分别为标准值的86%、156%，C60自密实清水混凝土的7 d、28 d抗压强度分别为标准值的88%、132%。本文设计的C50和C60自密实清水混凝土工作性能和力学性能均符合JGJ/T 283—2012和设计要求，工作性能优异。

3 耐久性能试验结果与分析

3.1 抗冻性试验结果

C50和C60自密实清水混凝土在不同冻融循环次数下质量损失率和相对动弹性模量变化趋势见图1。

图1 自密实清水混凝土在不同冻融循环次数下的抗冻性

由图1可知，随着冻融循环次数的增加，自密实清水混凝土的质量先增大后减小，相对动弹性模量逐渐减小。在冻融循环初期，由于试件内部存在少量的孔隙间隙，吸水结冰后质量反而有所增加，但是随着冻融循环次数的增加，混凝土内部在结冰膨胀力作用下不断损伤，最终膨胀力会大于骨料之间的抗拉强度，因而骨料之间的相互剥落，胶结程度降低，造成结构损伤。250次冻融循环时，C50、C60混凝土的质量损失率分别为2.20%、1.71%，均未超过5%的限值，但是C50混凝土在250次冻融循环后，相对动弹性模量仅为58%，低于60%的限值，C60混凝土相对动弹性模量为72%，因此本文设计的C50混凝土抗冻等级可达到F200，C60混凝土抗冻等级可达F250，抗冻性能均较佳，满足工程需求。

3.2 抗裂性试验结果

通过平板裂缝试验得到了C50和C60自密实清水混凝土的开裂参数，结果见表9。

表9 自密实清水混凝土的抗裂性

由表9可知，2种强度等级混凝土在经历早期风吹之后，平均开裂面积＜1 mm2/根，单位面积内的裂缝数量＜1根/m2，单位面积的开裂面积＜0.5 mm2/m2，表明本文设计的高强自密实清水混凝土虽然水泥用量较多，但通过合理砂率控制和最紧密堆积配比的设计手段，可以很好地降低混凝土的开裂敏感性，可以在多风地区延长桥梁的服役年限[11-12]。

3.3 抗氯离子渗透试验结果

不同龄期下2种强度等级自密实清水混凝土的电通量见表10。

表10 自密实清水混凝土的电通量

由表10可知，本文设计的C50和C60高强自密实清水混凝土28 d电通量可控制在800 C以内，56 d电通量可控制在500 C以内，具有较强的抗氯离子渗透性能，可以大大降低混凝土因钢筋锈蚀而引起的开裂概率，使得桥梁的服役年限进一步延长[13-14]。

4 结语

（1）通过工作性能试验，确定了C50墩柱自密实清水混凝土的最佳胶凝材料用量为570 kg/m3，其中粉煤灰和矿粉的用量分别为120、60 kg/m3，砂的细度模数为2.7，砂率为44%；C60盖梁自密实清水混凝土的最佳胶凝材料用量为550kg/m3，其中粉煤灰和矿粉的用量分别为100、50 kg/m3，砂的细度模数为2.7，砂率为46%。

（2）设计的C50自密实清水混凝土的7 d、28 d抗压强度分别为标准值的86%、156%，C60自密实清水混凝土的7 d、28 d抗压强度分别为标准值的88%、132%，工作性能和力学性能均符合JGJ/T283—2012和设计要求。

（3）C50、C60混凝土的抗冻性分别可达到F200、F250；平均开裂面积＜1 mm2/根，单位面积内的裂缝数量＜1根/m2，单位面积的开裂面积＜0.5 mm2/m2；28、56 d电通量分别可控制在800、500 C以内，可在一定程度上延长桥梁的服役年限。