清水混凝土分為普通、飾面和裝飾清水混凝土3類,其具有質樸厚實、素面朝天的外觀特性,并省掉了抹灰和裝飾等工序,被行業內稱為“綠色混凝土”[1-4]。清水混凝土已有一定的研究和發展,但多集中在建筑工程領域,且非常注重其表面平整光滑、棱角分明的藝術效果[2-8]。橋梁工程的服役環境、施工工藝等與建筑工程差異較大,一般采用普通清水混凝土,只要求表面平整光滑且無明顯色差、氣孔等,而對飾面裝飾效果沒有特殊要求,目前有關橋梁清水混凝土的設計制備與性能研究還較少,不利于其推廣應用[4-6]。橋梁結構構造復雜、配筋率高、預應力鋼束密集,混凝土應具有很好的工作性能以滿足密實施工要求;另外,橋梁不同結構部位的混凝土強度等級不同,但普通混凝土配合比設計方法缺乏針對性,設計的不同強度等級混凝土工作性能差異顯著,勻質性較差,無法達到工程整體清水效果[4]。
因此,需要根據橋梁工程結構特點,研究橋梁清水混凝土的設計方法與勻質性控制技術,改善混凝土工作性能,保證構件外觀質量,提高結構安全與耐久性,為工程應用提供技術支撐。
1原材料
PO.42.5水泥,主要化學成分如表1所示。天然河 砂,細 度 模 數2.5,含 泥 量1.8%,泥 塊 含 量0.3%。石灰巖質碎石,粒徑5~25mm連續級配,含泥量0.4%,針片狀含量1.7%。V630型清水混凝土專用聚羧酸減水劑。LH-70MR非速溶型纖維素醚,分子量20萬。礦物摻合料:I級粉煤灰,細度≤12%(0.045mm方孔篩篩余),需水量比92.6%;硅灰,比表面積2×104m2/kg,SiO2含量90%。拌合用水為自來水。
2配合比設計
2.1設計思路
應用于建筑工程領域的清水混凝土,為了實現低含氣量要求,坍落度控制較小,難以滿足橋梁工程混凝土密實施工要求。另外,不同強度等級混凝土的膠凝材料用量不同,采用普通混凝土配合比設計方法制備的混凝土工作性能差異大,勻質性差,易出現色差、氣孔等缺陷,既影響構件表觀質量,又影響耐久性。
實現橋梁清水混凝土高工作性能、高耐久性的設計思路與技術途徑主要有:采用基于分子鏈組成結構設計的專用聚羧酸系減水劑,提高混凝土工作性能,減少用水量,降低含氣量。摻優質礦物摻合料,改善混凝土工作性能,優化孔結構,增加密實度,減小體積變形[9-10]。對于低強度等級混凝土(C40及以下),提高礦物摻合料摻量,適當提高砂率;對于高強度等級的混凝土(C50及以上),優化減水劑摻量,適當降低水泥用量和砂率,結合增粘劑[11-16],控制漿體粘度,減小集料相對移動,保持不同密度膠凝材料均勻分散,提高混凝土的勻質性。
2.2配合比與物理力學性能
基于密實骨架堆積理論,根據提出的混凝土配合比設計思路,制備了C30~C50橋梁高性能清水混凝土,配合比與物理力學性能如表2所示?;炷涟耘c流動性好,初始坍落度在200mm以上、擴展度在500mm以上,1h后坍落度仍大于180mm、擴展度大于420mm,損失較小,工作性能與力學性能滿足設計要求。
3勻質性測試分析與討論
以C30混凝土為基準,分別采用纖維素醚與硅灰作為增粘劑,通過對混凝土含氣量、漿體粘度,以及硬化試件3d齡期時上、中、下不同部位顯微硬度的測試,探討增粘劑對混凝土勻質性的影響規律,以實現對勻質性的控制。
3.1測試方法
新拌混凝土含氣量采用LC615A型含氣量測定儀,按《普 通 混 凝 土 拌 合 物 性 能 試 驗 方 法 標 準》(GB/T50080—2002)進 行 測 試。漿 體 粘 度 采 用DV-S型 旋 轉 粘 度 計,按 《粘 度 測 試 方 法 》(GB10247—2008)進行測試。根據《金屬維氏硬度試驗方法》(GB/T4340.1—2009),采用HV-1000Z顯微硬度計測試混凝土試件3d顯微硬度值,如圖1、圖2所示。由于粉煤灰活性較低,如其上浮形成富集,則該區域膠凝材料水化相對較慢,整體強度低,表面顯微硬度均值較其它區域低。
3.2纖維素醚對勻質性的影響
纖維素醚對混凝土性能的影響如表3所示??梢?,隨纖維素醚摻量增加,漿體旋轉粘度值與混凝土含氣量隨之上升,流動性下降,硬化試件表面上、下部顯微硬度值之差逐漸減?。ㄈ鐖D3)。當其摻量達到5×10-5(占膠凝材料總量)時,混凝土含氣量為2.0%,粘度值為1960MPa·s,坍落度大于180mm、擴展度大于500mm,工作性能較好;試件表面上、下部顯微硬度值之差為12.14HV,顯微硬度相當,勻質性較好。而當摻量達到6×10-5時,含氣量與漿體粘度顯著增加,混凝土工作性能劣化明顯,已不能滿足橋梁施工要求。
纖維素醚對水泥基材料的增粘效果來自于纖維素醚溶液的粘性[12-13]。纖維素醚分子可以吸附和固化一部分拌合水后膨脹,使拌合水粘度增加。同時,其分子鏈之間相互纏繞,形成三維網絡結構,也能增加溶液粘度。從而使得粉煤灰等移動阻力增加,增強了混凝土拌合物的抗分散能力,防止各組分之間分層、離析和泌水,提高混凝土勻質性。但其摻量越高,粘度越大,排氣不暢而導致混凝土含氣量增加,且流動性下降,工作性能退化。當粘度過高后,混凝土流動度損失明顯,需增加用水量以滿足工作性能要求,從而降低混凝土密實度,并對強度造成一定的影響[14],因此,需嚴格控制其摻量。
3.3硅灰對勻質性的影響
表4為硅灰對混凝土勻質性影響測試結果。研究表明,隨硅灰摻量提高,漿體旋轉粘度值隨之上升,混凝土的含氣量則下降,坍落度與擴展度下降明顯,硬化混凝土試件表面上、下顯微硬度值差也隨之降低(如圖4所示)。當硅灰摻量為6%時,混凝土的含氣量為1.5%,漿體旋轉粘度值為1920MPa·s,粘度適中,混凝土工作性能良好,試塊表面上、下部顯微硬度值相當接近,勻質性好。而當摻量達到8%時,雖然試塊表面上、下部顯微硬度值基本一致,但混凝土已十分粘稠,流動性與施工性能很差。
硅灰增強混凝土漿體粘度的關鍵在于其顆粒形態效應與分散作用[10]。硅灰的比表面積大,顆粒呈球形狀,平均粒徑細小,約比水泥顆粒粒徑小兩個數量級,比粉煤灰顆粒粒徑小一個數量級,其具有高度的分散性和較大的表面能。因此,硅灰可以充分的填充在水泥與粉煤灰顆粒之間,減少填充水量,降低孔隙率,同時也能堵塞漿體泌水通道,阻礙粉煤灰的移動,從而提高漿體硬化后的密實度與均勻性。硅灰的火山灰活性較強,可迅速與漿體中的水反應,形成較多的絮凝結構,使漿體粘度,降低流動性,增加集料相對移動的阻力,保持混凝土各組分分布的均勻性。
另外,由于硅灰顆粒比表面積大,雖然其摻加減少了填充水量,但同時也需要增加表層水的用量,因此在摻量過多的情況下,致使漿體密度變大,粘度過高,導致混凝土流動性下降明顯,工作性能劣化明顯。
3.4微觀結構分析
分別對摻5×10-5纖維素醚和摻6%硅灰量的混凝土試件進行破碎,取其上、中、下3個不同部位的砂漿樣品進行了SEM觀測,結果如圖5、圖6所示??梢钥闯?,在兩類試件中集料與水化產物界面過渡區較飽滿,結構密實,基本沒有微裂縫;上、中、下3個不同部位的粉煤灰分布較均勻,未出現粉煤灰上浮富集現象??梢?,通過摻加適量增粘劑,控制漿體粘度,可保持混凝土良好的工作性能,且能有效避免粉煤灰上浮,提高混凝土的勻質性。
4工程應用
四川省遂廣高速公路橋梁工程的主梁、墩柱均采用清水混凝土設計方案,施工初期,混凝土設計制備時未進行勻質性控制,墩柱(C30)在混凝土分層澆筑處出現了明顯的色差和分層,取混凝土拌合物靜置后發現表面有明顯深色漂浮物,如圖7、圖8所示。分析認為,混凝土中粉煤灰摻量高且為顏色偏深的二級灰,坍落度較大(>220mm),粘聚性差,勻質性不良,導致振搗后粉煤灰上浮。
根據項目研究成果,采用密實骨架堆積法對集料組成進行設計,適當調整砂率,采用專用外加劑,摻加2×10-5~3×10-5纖維素醚(對已進場的外加劑,復摻5×10-5纖維素醚),提高混凝土拌合物粘度,增強粘聚性與粘結力。并適當延長混凝土拌合物的攪拌時間,實時測試混凝土拌合物的工作性能,根據實際情況對外加劑摻量、用水量以及增粘組分摻量進行調整,保持混凝土澆筑時坍落度在160~180mm,且混凝土施工過程中加強振搗與養護。調整后的混凝土勻質性較好,靜置后或澆筑振搗過程中均未出現粉煤灰上浮,墩柱、主梁表面光亮、色澤均一,外觀效果得到有效改善,如圖9、圖10所示。
5結論
1)根據橋梁結構特點,提出了橋梁清水混凝土的配合比設計思路與高性能化技術途徑,制備出均質性好且工作性能與力學性能優良的C30~C50高性能清水混凝土,并應用于實際橋梁工程。
2)通過對混凝土拌合物含氣量、硬化試件不同部位的顯微硬度與微觀結構的測試研究表明:對于C30橋梁清水混凝土,當摻5×10-5纖維素醚或摻6%硅灰時,混凝土含氣量不超過2%,密實性好;漿體旋轉粘度值在1900~2000 MPa·s之間,粘度適中,工作性能較好;試件表面不同部位顯微硬度值接近,混凝土勻質性好。以纖維素醚或硅灰為增粘劑,可以有效調整漿體粘度,改善混凝土的勻質性,提高密實度。
參考文獻:
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