橋梁清水混凝土的設(shè)計(jì)方法與勻質(zhì)性控制技術(shù),建筑結(jié)構(gòu)論文

橋梁清水混凝土的設(shè)計(jì)方法與勻質(zhì)性控制技術(shù),建筑結(jié)構(gòu)論文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(zhì)樸厚實(shí)、素面朝天的外觀特性，并省掉了抹灰和裝飾等工序，被行業(yè)內(nèi)稱為綠色混凝土［１－４］。清水混凝土已有一定的研究和發(fā)展，但多集中在建筑工程領(lǐng)域，且非常注重其外表平整光滑、棱角分明的藝術(shù)效果［２－８］。橋梁工程的服役環(huán)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，只要求外表平整光滑且無(wú)明顯色差、氣孔等，而對(duì)飾面裝飾效果沒(méi)有特殊要求，當(dāng)前有關(guān)橋梁清水混凝土的設(shè)計(jì)制備與性能研究還較少，不利于其推廣應(yīng)用［４－６］。橋梁構(gòu)造構(gòu)造復(fù)雜、配筋率高、預(yù)應(yīng)力鋼束密集，混凝土應(yīng)具有很好的工作性能以知足密施行工要求；另外，橋梁不同構(gòu)造部位的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同，但普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方式方法缺乏針對(duì)性，設(shè)計(jì)的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土工作性能差異顯著，勻質(zhì)性較差，無(wú)法到達(dá)工程整體清水效果［４］。因而，需要根據(jù)橋梁工程構(gòu)造特點(diǎn)，研究橋梁清水混凝土的設(shè)計(jì)方式方法與勻質(zhì)性控制技術(shù)，改善混凝土工作性能，保證構(gòu)件外觀質(zhì)量，提高構(gòu)造安全與耐久性，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。１原材料ＰＯ．４２．５水泥，主要化學(xué)成分如表１所示。天然河砂，細(xì)度模數(shù)２．５，含泥量１．８％，泥塊含量０．３％。石灰?guī)r質(zhì)碎石，粒徑５～２５ｍｍ連續(xù)級(jí)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(wàn)。礦物摻合料：Ｉ級(jí)粉煤灰，細(xì)度１２％〔０．０４５ｍｍ方孔篩篩余〕，需水量比９２．６％；硅灰，比外表積２１０４ｍ／ｋｇ，ＳｉＯ２含量９０％。拌合用水為自來(lái)水。２配合比設(shè)計(jì)２．１設(shè)計(jì)思路應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域的清水混凝土，為了實(shí)現(xiàn)低含氣量要求，坍落度控制較小，難以知足橋梁工程混凝土密施行工要求。另外，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的膠凝材料用量不同，采用普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方式方法制備的混凝土工作性能差異大，勻質(zhì)性差，易出現(xiàn)色差、氣孔等缺陷，既影響構(gòu)件表觀質(zhì)量，又影響耐久性。實(shí)現(xiàn)橋梁清水混凝土高工作性能、高耐久性的設(shè)計(jì)思路與技術(shù)途徑主要有：采用基于分子鏈組成構(gòu)造設(shè)計(jì)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(yōu)質(zhì)礦物摻合料，改善混凝土工作性能，優(yōu)化孔構(gòu)造，增加密實(shí)度，減小體積變形［９－１０］。對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土〔Ｃ４０及下面〕，提高礦物摻合料摻量，適當(dāng)提高砂率；對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土〔Ｃ５０及以上〕，優(yōu)化減水劑摻量，適當(dāng)降低水泥用量和砂率，結(jié)合增粘劑［１１－１６］，控制漿體粘度，減小集料相對(duì)移動(dòng)，保持不同密度膠凝材料均勻分散，提高混凝土的勻質(zhì)性。２．２配合比與物理力學(xué)性能基于密實(shí)骨架堆積理論，根據(jù)提出的混凝土配合比設(shè)計(jì)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(xué)性能如表２所示。混凝土包裹性與流動(dòng)性好，初始坍落度在２００ｍｍ以上、擴(kuò)展度在５００ｍｍ以上，１ｈ后坍落度仍大于１８０ｍｍ、擴(kuò)展度大于４２０ｍｍ，損失較小，工作性能與力學(xué)性能知足設(shè)計(jì)要求。３勻質(zhì)性測(cè)試分析與討論以Ｃ３０混凝土為基準(zhǔn)，分別采用纖維素醚與硅灰作為增粘劑，通過(guò)對(duì)混凝土含氣量、漿體粘度，以及硬化試件３ｄ齡期時(shí)上、中、下不同部位顯微硬度的測(cè)試，討論增粘劑對(duì)混凝土勻質(zhì)性的影響規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)勻質(zhì)性的控制。３．１測(cè)試方式方法新拌混凝土含氣量采用ＬＣ６１５Ａ型含氣量測(cè)定儀，按(普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)〕〔ＧＢ／Ｔ５００８０２００２〕進(jìn)行測(cè)試。漿體粘度采用ＤＶ－Ｓ型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，按(粘度測(cè)試方法〕〔ＧＢ１０２４７２００８〕進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)(金屬維氏硬度試驗(yàn)方式方法〕〔ＧＢ／Ｔ４３４０．１２００９〕，采用ＨＶ－１０００Ｚ顯微硬度計(jì)測(cè)試混凝土試件３ｄ顯微硬度值，如此圖１、圖２所示。由于粉煤灰活性較低，如其上浮構(gòu)成富集，則該區(qū)域膠凝材料水化相對(duì)較慢，整體強(qiáng)度低，外表顯微硬度均值較其它區(qū)域低。３．２纖維素醚對(duì)勻質(zhì)性的影響纖維素醚對(duì)混凝土性能的影響如表３所示?？梢?jiàn)，隨纖維素醚摻量增加，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值與混凝土含氣量隨之上升，流動(dòng)性下降，硬化試件外表上、下部顯微硬度值之差逐步減小〔如此圖３〕。當(dāng)其摻量到達(dá)５１０－５〔占膠凝材料總量〕時(shí)，混凝土含氣量為２．０％，粘度值為１９６０ＭＰａｓ，坍落度大于１８０ｍｍ、擴(kuò)展度大于５００ｍｍ，工作性能較好；試件外表上、下部顯微硬度值之差為１２．１４ＨＶ，顯微硬度相當(dāng)，勻質(zhì)性較好。而當(dāng)摻量到達(dá)６１０－５時(shí)，含氣量與漿體粘度顯著增加，混凝土工作性能劣化明顯，已不能知足橋梁施工要求。纖維素醚對(duì)水泥基材料的增粘效果來(lái)自于纖維素醚溶液的粘性［１２－１３］。纖維素醚分子能夠吸附和固化一部分拌合水后膨脹，使拌合水粘度增加。同時(shí)，其分子鏈之間互相纏繞，構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，也能增加溶液粘度。進(jìn)而使得粉煤灰等移動(dòng)阻力增加，加強(qiáng)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(zhì)性。但其摻量越高，粘度越大，排氣不暢而導(dǎo)致混凝土含氣量增加，且流動(dòng)性下降，工作性能退化。當(dāng)粘度過(guò)高后，混凝土流動(dòng)度損失明顯，需增加用水量以知足工作性能要求，進(jìn)而降低混凝土密實(shí)度，并對(duì)強(qiáng)度造成一定的影響［１４］，因而，需嚴(yán)格控制其摻量。３．３硅灰對(duì)勻質(zhì)性的影響表４為硅灰對(duì)混凝土勻質(zhì)性影響測(cè)試結(jié)果。研究表示清楚，隨硅灰摻量提高，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值隨之上升，混凝土的含氣量則下降，坍落度與擴(kuò)展度下降明顯，硬化混凝土試件外表上、下顯微硬度值差也隨之降低〔如此圖４所示〕。當(dāng)硅灰摻量為６％時(shí)，混凝土的含氣量為１．５％，漿體旋轉(zhuǎn)粘度值為１９２０ＭＰａｓ，粘度適中，混凝土工作性能良好，試塊外表上、下部顯微硬度值相當(dāng)接近，勻質(zhì)性好。而當(dāng)摻量到達(dá)８％時(shí)，固然試塊外表上、下部顯微硬度值基本一致，但混凝土已特別粘稠，流動(dòng)性與施工性能很差。硅灰加強(qiáng)混凝土漿體粘度的關(guān)鍵在于其顆粒形態(tài)效應(yīng)與分散作用［１０］。硅灰的比外表積大，顆粒呈球形狀，平均粒徑細(xì)小，約比水泥顆粒粒徑小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比粉煤灰顆粒粒徑小一個(gè)數(shù)量級(jí)，其具有高度的分散性和較大的外表能。因而，硅灰能夠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(shí)也能堵塞漿體泌水通道，阻礙粉煤灰的移動(dòng)，進(jìn)而提高漿體硬化后的密實(shí)度與均勻性。硅灰的火山灰活性較強(qiáng)，可迅速與漿體中的水反響，構(gòu)成較多的絮凝構(gòu)造，使?jié){體粘度，降低流動(dòng)性，增加集料相對(duì)移動(dòng)的阻力，保持混凝土各組分分布的均勻性。另外，由于硅灰顆粒比外表積大，固然其摻加減少了填充水量，但同時(shí)也需要增加表層水的用量，因而在摻量太多的情況下，致使?jié){體密度變大，粘度過(guò)高，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性下降明顯，工作性能劣化明顯。３．４微觀構(gòu)造分析分別對(duì)摻５１０－５纖維素醚和摻６％硅灰量的混凝土試件進(jìn)行破碎，取其上、中、下３個(gè)不同部位的砂漿樣品進(jìn)行了ＳＥＭ觀測(cè)，結(jié)果如此圖５、圖６所示。能夠看出，在兩類試件中集料與水化產(chǎn)物界面過(guò)渡區(qū)較飽滿，構(gòu)造密實(shí)，基本沒(méi)有微裂縫；上、中、下３個(gè)不同部位的粉煤灰分布較均勻，未出現(xiàn)粉煤灰上浮富集現(xiàn)象?？梢?jiàn)，通過(guò)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(zhì)性。４工程應(yīng)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(shè)計(jì)方案，施工初期，混凝土設(shè)計(jì)制備時(shí)未進(jìn)行勻質(zhì)性控制，墩柱〔Ｃ３０〕在混凝土分層澆筑處出現(xiàn)了明顯的色差和分層，取混凝土拌合物靜置后發(fā)現(xiàn)外表有明顯深色漂浮物，如此圖７、圖８所示。分析以為，混凝土中粉煤灰摻量高且為顏色偏深的二級(jí)灰，坍落度較大〔＞２２０ｍｍ〕，粘聚性差，勻質(zhì)性不良，導(dǎo)致振搗后粉煤灰上浮。根據(jù)項(xiàng)目研究成果，采用密實(shí)骨架堆積法對(duì)集料組成進(jìn)行設(shè)計(jì)，適當(dāng)調(diào)整砂率，采用專用外加劑，摻加２１０－５～３１０－５纖維素醚〔對(duì)已進(jìn)場(chǎng)的外加劑，復(fù)摻５１０－５纖維素醚〕，提高混凝土拌合物粘度，加強(qiáng)粘聚性與粘結(jié)力。并適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土拌合物的攪拌時(shí)間，實(shí)時(shí)測(cè)試混凝土拌合物的工作性能，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)外加劑摻量、用水量以及增粘組分摻量進(jìn)行調(diào)整，保持混凝土澆筑時(shí)坍落度在１６０～１８０ｍｍ，且混凝土施工經(jīng)過(guò)中加強(qiáng)振搗與養(yǎng)護(hù)。調(diào)整后的混凝土勻質(zhì)性較好，靜置后或澆筑振搗經(jīng)過(guò)中均未出現(xiàn)粉煤灰上浮，墩柱、主梁外表光亮、色澤均一，外觀效果得到有效改善，如此圖９、圖１０所示。５結(jié)論１〕根據(jù)橋梁構(gòu)造特點(diǎn)，提出了橋梁清水混凝土的配合比設(shè)計(jì)思路與高性能化技術(shù)途徑，制備出均質(zhì)性好且工作性能與力學(xué)性能優(yōu)良的Ｃ３０～Ｃ５０高性能清水混凝土，并應(yīng)用于實(shí)際橋梁工程。２〕通過(guò)對(duì)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構(gòu)造的測(cè)試研究表示清楚：對(duì)于Ｃ３０橋梁清水混凝土，當(dāng)摻５１０－５纖維素醚或摻６％硅灰時(shí)，混凝土含氣量不超過(guò)２％，密實(shí)性好；漿體旋轉(zhuǎn)粘度值在１９００～２０００ＭＰａｓ之間，粘度適中，工作性能較好；試件外表不同部位顯微硬度值接近，混凝土勻質(zhì)性好。以纖維素醚或硅灰為增粘劑，能夠有效調(diào)整漿體粘度，改善混凝土的勻質(zhì)性，提高密實(shí)度。以下為參考文獻(xiàn)：［１］李強(qiáng)，李辛民，孟聞遠(yuǎn)，等．我們國(guó)家清水混凝土技術(shù)發(fā)展現(xiàn)在狀況、存在問(wèn)題及對(duì)策［Ｊ］．建筑技術(shù)，２００７，３８〔１〕：６－８．ＬｉＱ，ＬｉＸＭ，ＭｅｎｇＷＹ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｆｉｎｉｓｈｃｏｎｃｒｅｔｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙａｎｄｉｔｓｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．ＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２