寒区桥梁高性能混凝土力学性能研究

寒区桥梁高性能混凝土力学性能研究

吴瓒  曹晓岩张清山吴博航

黑龙江工程学院  土木与建筑工程学院  黑龙江哈尔滨  150050

摘  要：通过桥梁高性能混凝土的力学试验，得出高性能混凝土在不同含气量条件下的抗压、抗拉强度值及其变化规律，进而得出高性能混凝土的强度变化特性及混凝土配合比要求。

关键词：高性能混凝土   强度    混凝土配合比    含气量

Research on Mechanical Properties of High Performance Concrete for Bridges in Cold Regions

WU Zan, CAO Xiao-yan，Zhang Qing-shan, Wu Bo-hang

(Heilongjiang Institute of Technology, College of Civil and Architectural Engineering, Harbin 150050,Heilongjiang )

Abstract：Mechanical testing of high performance concrete through bridges,derived compressive strength of high-performance concrete under gas content conditions、tensile strength value and its change rule,To derive the Intensity change characteristics of high-performance concrete and concrete mix ratio requirements.

Keywords: high-performance concrete； strength； concrete mix ratio；gas content

中图分类号：TP

1. 课题研究背景

黑龙江省位于我国最北端，气候寒冷，冰冻期长，昼夜温差大，桥梁结构混凝土使用环境恶劣，

砼耐久性差，结构会破损严重，使用寿命相对缩短，这与混凝土力学性能指标息息相关，也是寒区桥梁结构耐久性的支撑点。

本文按照文献1，2的要求，进行轴压、轴拉、劈拉、抗折、静力弹性模量、握裹力试验，混凝土强度等级为C30、C40、C50、C60，含气量为1％、4％、5％、7％。在给定的配合比下，通过大量的室内试验，测得不同强度等级下的各项力学强度指标与外加剂之间的关系，确定高性能砼的力学性能。高性能混凝土配合比设计7应遵循低水泥用量、低用水量、水胶比适当、骨料堆积密度最大，高性能减水剂与矿物掺合料双掺的原则8。

2.水泥混凝土材料组成与工作性要求

水泥混凝土各组成材料：水泥选用哈水天鹅牌普通硅酸盐水泥3，碎石采用玉泉石场规格为1～2cm,1～3cm的石料，砂子采用五常背荫河的中砂，粉煤灰采用哈尔滨三电厂的一级灰，水为生活用水4。减水剂5主要用天津市建筑科学研究所生产的UNF-5，属非引气型高效减水剂，引气剂5主要用上海同济大学生产的SJ-2，掺量为水泥重量的1/万～2/万。混凝土含气量在3%～6%。新拌混凝土6塌落度70mm，以上各种材料经过试验，均符合现行规范的要求。各单质材料符合规范要求后，高性能混凝土拌和物的和易性要求和配合比设计就是力学性能研究工作的基础。

2.1 新拌混凝土拌和物和易性保证措施

（1）水胶比。水泥浆的稠度取决于水胶比。水胶比是指混凝土拌合物中用水量与水泥等胶凝材料的质量比。在固定用水量的条件下，水胶比小（水泥用量多）时，会使水泥浆变稠，拌合物的流动性变小，或过低，会使施工困难，也不能保证混凝土的密实性。如若加大水灰比（减少水泥用量），则水泥浆变稀，混凝土拌合物流浆、离析，严重影响混凝土的强度，因此，应按照寒冷地区建筑结构物的位置与环境要求的混凝土强度和耐久性要求合理地选择水胶比。

（2）单位用水量。无论水泥浆是多是少，是稀是稠，对新拌混凝土化合物流动性起决定作用的还是1立方米混凝土中的单位用水量。因为无论是加大水灰比或增加水泥浆用量，最终都表现为混凝土用水量的增加。增加用水量意味着虽然增加了流动性，却给混凝土的强度和耐久性留下了隐患，因为硬化后的混凝土会产生较大的孔隙；从和易性角度来看，用水量过多，会使混凝土产生分层、离析、泌水的现象，反而降低了工作性。因此在保证强度、耐久性前提下，坍落度偏小时，需保持水灰比不变的情况下，适当增加水泥浆的用量；当坍落度偏大时，可保持砂率不变，适当增加砂、石用量；当粘聚性、保水性不好时，可适当增加砂率。若还不满足要求，使用外加剂可满足坍落度要求。

（3）砂率。砂率反映细集料和粗集料之间的相对比例关系。当水泥浆用量一定时，砂率的增加或减少都会包裹在石子表面的水泥浆量相对不足，降低混凝土拌合物的流动性，甚至会离析、泌水，影响和易性。因此应该选择一个最佳砂率，当水与水泥用量一定时，能使混凝土拌合物获得最大的流动性，且能保持良好的粘聚性和保水性，而且水泥用量最少。

（4）外加剂和掺和料。外加剂是一种表面活性剂，掺入一定比例用量（万分之几）后能降低集料的表面界面能，能使砂浆更好地均匀的包裹粗集料及填充空隙，改善新拌混凝土拌和物的流动性。从混凝土强度、耐久性和施工和易性要求出发，在混凝土拌和物中掺入少量的减水剂、引气剂、早强剂等，可在不增加单位用水量和水泥用量的情况下，有效地改善混凝土拌和物的和易性，增加流动性，改善粘聚性、降低泌水性。由于改变了混凝土的结构，提高了混凝土的耐久性。本试验掺加的矿物掺和料为粉煤灰，不仅自身水化缓慢，还有一定的减水效果，在新拌混凝土拌和物掺入一定比例的粉煤灰，和易性更加流畅，并防止离析、泌水的发生。

减水剂是一种在混凝土拌和物坍落度相同条件下能减少拌和用水量的外加剂，属于表面活性剂。表面活性剂加入水中，其亲水基团会电离出离子，使表面活性剂带有电荷。电离出的亲水基团指向溶液，憎水基团指向空气等非极性分子，形成定向吸附膜而降低水的表面张力和两相间的界面张力，这种现象称为表面活性。它是起减水增强作用的主要原因；另外，减水剂还在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化膜，阻止了水泥颗粒间的直接接触，在颗粒间起到了很好的润滑作用，提高了混凝土拌和物流动性。水泥颗粒在减水剂的作用下扩散充分，增大了水泥颗粒的水化面积而水化充分，提高混凝土强度。

引气剂和减水剂相似，都是表面活性剂。在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀而稳定分布的微小气泡，同时引气剂分子定向吸附在气泡表面，形成较为牢固的液膜，使气泡稳定而不破裂。这些微小而封闭的气泡在混凝土中起到了滚珠作用，减少颗粒间的摩擦而提高了混凝土拌和物的流动性。同时由于大量微小气泡的存在，使水分均匀地分布在气泡表面，使拌和物具有良好的保水性，且微小气泡能有效隔断毛细孔通道，减少泌水通道，改变了混凝土的孔隙结构，提高了抗渗性；封闭的气泡有较大的弹性变形能力，对冻胀能起缓冲作用，从而提高抗冻性，所以耐久性也随之提高。但当水灰比固定时，混凝土含气量每增加1%，抗压强度下降3～5%，抗折强度下降2%～3%，所以引气剂的产量必须适当。

（5）集料的性质。碎石采用玉泉石场的，砂子采用五常背荫河的中粗砂。石子最大粒径较大时，需要包裹的水泥浆少，流动性好而稳定性差，易离析；细砂的表面积大，拌制同样流动性的混凝土拌和物需要较多的水泥浆或砂浆。所以采用最大粒径稍小、针片状少、级配良好的粗集料；选细度模数偏大的中粗砂、砂率稍高、水泥浆体量较多的拌和物，其工作性较好，这也是现代混凝土技术不增大粗集料最大粒径与减少砂率，配制高强混凝土的原因。有了外加剂更是如虎添翼。

    另外，集料的最大粒径还受结构形式和配筋疏密的限制。根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204）的规定，混凝土用集料的最大粒径不得超过截面最小尺寸的1/4，同时不得超过钢筋最小净间距的3/4。对于混凝土实心板，最大粒径不要超过板厚1/3，且不得超过40mm。

2.2 高性能混凝土配合比设计要求

新拌混凝土拌合物和易性保证应与高性能混凝土配合比设计一体考虑。首先要满足施工和易性的要求，然后在此基础上进行寒区高性能混凝土的配合比设计，满足结构设计所要求的混凝土强度等级和满足工程环境、使用条件要求的耐久性；在满足上述要求的前提下，尽可能节约水泥，降低成本，符合经济性要求。通过试验，本课题给出了如下的高性能混凝土配合比设计，以C50为例。如表2-1所示。

表2-1   C50含气混凝土配合比数据表

3试验项目样本选取及数据处理

混凝土试件（C30、C40、C50、C60）在含气量为1％、4％、5％、7％不同情况下，按标准成型和养生(28d、90d)后进行砼力学性能试验，其试验结果如下。

3.1  高性能砼各强度指标与含气量的关系

通过轴压、轴拉、劈拉、抗折、静力弹性模量、握裹力在含气量为1％、4％、5％、7％的试验得出，引气混凝土的抗压强度、抗拉强度随抗压强度的提高而提高，随着龄期的增长，但后期强度增长较缓。与28d轴拉强度相比，90d的抗压、抗拉强度是28d的1.07～1.30倍左右。28d强度均能符合高强混凝土规范的要求。因此，受握裹力的影响，含气量为4%较为合适。从抗压强度、抗拉强度的角度出发，高性能混凝土选择含气量为4%～5%是比较合适的，篇幅所限，只列出轴压、劈拉、握裹力的试验。

3.2  高性能砼各强度指标与立方体强度的关系

3.2.1  轴压强度与立方体抗压强度关系

3.2.2劈拉强度与立方体抗压强度关系

如图3.2.2-1所示。 28d的相同含气量劈拉强度与抗压强度间的关系。据此图可看含气量为4%时的劈拉强度最大选择含气量为4%～5%是比较合适的，且靠近5%为好。

3.2.3  握裹力与立方体抗压强度关系

    如图3.2.3-1所示。 28d的相同含气量握裹力与抗压强度间的关系。据此图可看含气量为4%时的握裹力最大。因此，选择高性能混凝土配合比选含气量为4%比较合适。

3.2.4. 高性能混凝土拉压比随含气量的变化关系

通过试验，砼C30、C40、C50、C60的劈压比、折压比、握压比、轴拉比、轴压比随着含气量递增与龄期的延长没有什么变化。

4.高性能混凝土力学性能试验分析结果及讨论

（1）本课题减水剂用量为胶结材料(包括水泥及掺合料的重量)0.45%～2.7%。通过试验配制高性能混凝土配合比所用的水胶比宜控制在0.26~0.36之间，符合规范0.24~0.38的要求，且强度等级愈高，水胶比及用水量应愈低，应充分发挥高效减水剂的作用。

（2）引气剂是在混凝土拌和过程中引入大量均匀分布稳定而封闭的微小气泡的外加剂。混凝土中含气量为3%~6%。对新拌混凝土，由于这些气泡的存在，可改善和易性，减少泌水和离析。对硬化的混凝土，由于气泡彼此隔离，切断毛细孔通道，使水分不易渗入，又可缓冲其水分结冰膨胀的作用，因而提高混凝土的抗冻性，抗渗性和抗蚀性。但是，由于气泡的存在，混凝土强度适当降低。本课题引气剂用量为胶凝材料的4/万～13/万。

（3）通过以上混凝土试件（C30、C40、C50、C60）在含气量为1％、4％、5％、7％不同情况下高性能混凝土各试验，其强度选择含气量4%～5%是比较合适的，应综合考虑现场试验情况确定8。

（4）高性能混凝土配合比应根据结构设计要求的强度和耐久性、施工工艺所要求的拌料工作度与凝结时间、并充分考虑施工运输和环境温度等条件通过现场试配确定，现场试验确认合格后，方可正式使用。混凝土投料顺序按规范要求的时间和先后顺序投放。

（5）高性能混凝土配合比的施工配制强度必须超过设计要求的强度标准值以满足强度保证率的要求，按95%的保证率计算，混凝土的配制强度（平均值）对于C50和C60混凝土应不低于强度等级的1.15倍。而对于C30和C40混凝土则不低于按正常公式计算所得值的大小。即，应不低于强度等级的1.30~1.25倍。

（6）本课题粉煤灰的掺量为胶结材料的23%，满足规范要求，考虑砼梁跨中挠度，通过试验，粉煤灰替代量可适当减少。混凝土的砂率控制在30%~33%，符合规范28%~34%的要求，采用泵送工艺时可增加4~6个百分点。

5.结束语

寒冷地区桥梁高性能混凝土的力学性能试验，是研究混凝土抗冻性、抗渗性、抗侵蚀性的基础，混凝土的配合比要合适，包括外加剂。引气剂的含气量宜控制在4.5%左右。试件成型时，由于有外掺剂的作用，混凝土坍落度受搅拌时间影响较大，混凝土标号越高，影响越大，易粘稠，流动性较差。试拌时间可适当延长，直至最后满足坍落度的要求；轴拉试验的试件制作时要精确对中，否则试验过程中就会产生偏心距；对于粉煤灰掺量，若偏多会引起混凝土梁跨中挠度增大，应通过现场试验，调整材料配合比进行，既满足力学性能要求，又能满足砼梁跨中挠度限制要求的粉煤灰的替代量。

参考文献

（1）《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T 50081-2002 建设部与国家质检总局，北京，建筑工业版社2002.09，P4-P22；

(2)《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009 建设部与国家质检总局，北京，建筑工业版社2009.09，P1-P4；

（3）《通用硅酸盐水泥》GB 175-2007 北京，国家质量监督检验检疫总局-国家标准化委员会，中国标准出版社2007.12，P2-P4；

（4）《公路工程集料试验规程》 JTG E42

-2005 交通部，北京，人民交通出版社2005.09，P7-P38，P82-P104；

（5）《混凝土外加剂》GB8076-2008国家质量监督检验检疫总局-国家标准化委员会，北京，中国标准出版社2008.12，P4-P9；

（6）《普通混凝土拌和物性能试验与方法标准》GB/T 50080-2002 建设部与国家质检总局，北京，建筑工业版社2002.09，P8-P22；

（7）《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2000建设部，北京，建筑工业版社 2000.12  P4-P17；

（8）《桥梁工程清水混凝土施工技术规程》（江西），DB36/T 1009-2018 江西省质量技术监督局，南昌，2018.03  P16，P26-P31。

备注：

基金项目：黑龙江工程学院大学生创新项目《寒区桥梁高性能混凝土的力学性能研究》（项目编号为202211802090）；

作者简介：1.吴瓒（2002-），女，本科学生。

          2.曹晓岩（1966-），男，教授，研究方向，道路结构与材料。