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崇启大桥承 台混凝 土配合 比设计及性能研究 秦鸿根 ， 王伦 ， 庞超明 ， 周建林 5 7 崇启大桥承台混凝土配合 比设计及性能研究 秦鸿根 。 王伦 。 庞超明 ， 周建林 ( 1 东南大学材料科学与工程系江苏省土木工程材料重点实验室， 江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ； 2 江苏省崇启大桥建设现场指挥部 ， 江苏 启东 2 2 6 6 O O ) 摘要 ：为提高江海交汇环境下大型桥梁 承台混凝土的耐久性 ， 试验测 试崇启 大桥承 台混凝 土的基本 力学性 能 、 变形性 能 、 氯离子扩散 系数 和相应胶凝材料的水化热等 。研究表 明 ， 优化后 的配合 比混凝 土基 本力学性 能满足 设计要求 ； 掺 4 O 6 O 矿物掺合料 的混凝 土 2 8 d干燥收缩率为 ( 1 4 2 5 ) 1 O ， 到 1 2 0 d趋于稳定 ； 氯离子扩 散系数随龄期 的增长 和掺合料 的增加而 降低 ， 双掺组 为单 掺组 的 2 O 3 O ； 大 掺量矿物掺合 料胶凝材 料的 7 d 水化热相对未掺组 降低 了 3 O 。通 过优 选 ， 确 定粉 煤 灰掺 量 4 O 、 矿粉 掺 量 2 0 配合 比为 该桥 承 台混 凝 土配 合 比。 关键词 ：桥梁 ； 承 台 ； 混凝土 ； 力学性能 ； 变形性能 ； 氯 离子扩散 系数 ； 水化热 ； 试验 ； 研 究 中图分类 号 ： U4 4 3 2 5 ； TU5 2 8 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 5 7 0 4 1 引 言 崇启大桥位于长江 口北支 ， 处于江海交汇环境 条件下 ， 即在大潮期高盐度海水会经过崇启大桥倒 灌入长江 。水文监测结果表 明， 经过崇启大桥的海 水最大盐度可达 2 5 g 1 。因此江海交汇环境下 中存 在大量的硫酸盐 、 氯盐等腐蚀性离子， 同时承台混凝 土经受潮涨潮落的干湿循环作用 ， 由于毛细管吸附， 氯离子的传输速度远大于饱水混凝土内、 外氯离子 浓差引起的离子扩散速度 ， 极 大地加速 了氯离子的 侵入 、 钢筋混凝土的损伤劣化速度， 从而对混凝土提 出较高的耐久性要求 。虽然崇启大桥是跨江大桥 ， 但 由于其江海交汇的特殊服役环境 ， 其承 台混凝土 配合 比设计必须按 照海洋环境要求设计 ， 设计要求 混凝土强度等级 为 C 3 5 ， 工作 性 良好， 满 足泵送施 工 ， 水化热低 ， 具有较 高的抗裂性 和抗 氯离子侵蚀 性 能 。 对混凝土进行配合 比设 计优化 ， 提高其耐久性 和抗裂性 ， 是提高混凝 土结构使用寿命的重要途径 之一口 州 。通过加入大掺量复合矿物掺合料和高效 减水剂 ， 采用低水胶 比和较少胶凝材料用量的技术 措施 ， 在提高混凝土强度 的同时， 增加密 实度 ， 使得 混凝 土 自身抗渗性提高 ， 进而大幅度提高混凝 土的 耐久性 。本文 以崇启 大桥为依托 ， 采 用大掺量粉 煤灰 与矿粉双掺技术 ， 优化设计 了大体 积混凝 土配 合 比， 系统研究了混凝土 的工作性 、 力学性能 、 抗氯 离子扩散性能和水化热等性能 。 2 混 凝土 原材 料和 配合 比设 计 2 1 原材料 ( 1 )水泥 。试验中采用金宁羊 P4 2 5 R水 泥 ， 该水泥安定性合格 ， 3 d抗折和抗压强度分别为 4 8 MP a 和 2 6 6 MP a ， 2 8 d抗折和抗压强度分别 为 8 4 MP a和 5 0 5 MP a 。 ( 2 )粉煤灰 。试验 中采用镇 江谏壁 I级粉煤 灰 ， 其 4 5 t L m筛余为 7 5 ， 烧失量为 1 0 7 ， 需水 量 比为 9 O ， 含水率为 0 1 ， S O。 含量为 2 1 0 ， 活性指数为 7 6 。该粉煤灰质量较好 ， 具有非常优 异的减水效果。 ( 3 )矿粉 。试验 中采 用的矿粉性能 为： 比表面 积为 4 7 8 m k g ， 烧 失 量 为 1 8 8 ， 流 动度 比为 1 0 5 ， 含水率为 0 4 ， S O 。含量为 1 6 5 。7 d 、 2 8 d活性 指数分 别为 7 3 、 8 9 。该矿粉 质量一 般 ， 需水量较大 ， 活性较低 。 ( 4 )集料 。细集料采 用赣江 中砂 ， 细度模数 为 2 9 0 ， 空隙率为 4 1 3 。粗集料采用湖北 阳新产石 灰石， 5 2 5 mm 连 续 级 配 ， 表 观 密 度 为 2 7 0 0 k g m。 ， 空隙率为 4 8 1 。 ( 5 )减水剂 。为保证高性能混凝土具有优 良的 工作性能， 满足实际工程施工要求 ， 选用具有缓凝效 果 的 聚 羧 酸 高 性 能 减 水 剂 J M P C A， 碱 含 量 为 收稿 日期 ： 2 0 1 1 -0 3 0 2 基金项 目： 9 7 3计划资助项 目( 2 0 o 9 C B 6 2 3 2 0 0 ) 作者简介 ： 秦鸿根( 1 9 5 5 一) ， 男 ， 教授级高工 ， 1 9 7 8年毕业 于南京 工学 院土木系 ， 1 9 9 0年东南大 学无机 非金属 材料 硕士学 位进修 班结业 ( E ma i l ： q i n h o n g g e n s e u e d u c n ) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 4期 1 4 1 ， 氯离子 含量 为 0 0 1 ， 含 固量 为 2 0 8 。 2 2 承台混凝土配合 比优化 承台混凝土配合 比设计主要从 降低水化热 、 减 少化学和干燥收缩、 提高抗裂性能方面考 虑。崇启 大桥承台混凝土处于干湿交替环境 ， 氯离子含量高 ， 设计要求强度等级为 C 3 5 ， 工作性 良好， 满足泵送施 工， 水化热低 ， 抗氯离子扩散性能高 。因此配合 比中 矿物掺合料用量较高， 当矿粉掺量较高时， 混凝土抗 C 1 侵蚀性 高， 但新拌混凝 土和易性差 、 收缩大、 抗 裂性低 。而粉煤灰掺量较高 时， 可更好地降低水化 热， 减少收缩 ， 提高抗裂性 ， 故宜采用双掺技术 。因 此配合 比参数设计为 ： 水胶 比( W B) 采用 0 3 5 ， 砂 率 ( S 。 ) 采用 3 8 ， 并加入适量 的 J M P C A， 通过调 节掺量使混凝土坍落度达到( 1 8 0 4 - 2 0 )mm， 优化配 合 比见表 1 。表中 w 代表水 ， C代表水泥 ， F A代表 粉煤灰 ， S L代表磨细矿渣 ， S代表细骨料 ， G代表粗 骨料 ， A代表外加剂 。 表 1混凝土配合 E 3试 验 结果及 分析 3 1基本性 能 由表 1配合 比制备 的混凝土拌合物表观密度为 2 3 6 0 2 4 2 0 k g m。 ， 坍落度为 1 7 0 1 8 0 mm， 0 5 h 坍落度损失小于 2 0 ， 满足现场泵送施工要求 。分 析结果 ( 见图 1和表 2 ) 可 知， 各组大掺量矿物掺合 料混凝土抗压强度满足设计要求 ， 且后期强度稳定 增长； 同龄期 ， 随矿物掺合料掺量增加混凝土抗压强 度降低 ； 从 2 8 d到 9 0 d ， 混凝 土弹性模 量增 长约 1 0 9 6 ， 抗折强度增长达 1 O 4 O ； 同龄期 ， 随着矿 7 2 8 4 9 7 0 9 l 1 1 2 1 3 3 1 5 4 1 7 5 1 9 6 龄期 d 图 1 混凝土抗压强度变化规律 表 2混凝土抗折强度和弹性模量 物掺合料掺量的增加混凝土抗折强度 降低 ， 双掺组 F 4 0 S 2 0和 F 3 0 S 3 0的抗折强度 均高于单掺 粉煤灰 的 F 6 0组 ， 即相对粉煤灰而言， 矿粉 的掺加有利于 混凝土抗折强度的提高。 3 2 抗氯离子渗透性能 采用 R C M A 法测 得 的各组混 凝 土 氯离 子扩 散 系数见图 2 。结果表 明， 掺矿物掺合料各组的 2 8 d 氯 离 子 扩散 系 数 仅 为 F O组 的 2 O 5 O ， 随着 龄 期 的增长 ， 氯离子扩散系数 降低 ， F 0组 9 0 d氯离子 扩散系数 约为 2 8 d的 5 O 9 6 ， 而掺加矿物掺合料后 9 0 d仅为 2 8 d的 1 5 3 O ， 可见掺矿物掺合料增 加 了混凝土 的抗 氯离 子 侵 蚀性 。同 龄期 ， 双掺 组 氯 离子扩散系数仅为 F 6 0组 的 2 O 9 6 3 O ， 即矿粉增 加混凝土抗氯离子侵蚀性的作用优于粉煤灰。分析 认为 ， 矿物掺合料掺入的改善作用主要归因于 ： 矿 物掺合料的密实填充作用使水泥石结构和界面结构 更加致密 ， 孔隙率降低 ， 提高其对 c l 一的扩散阻力。 由于火山灰效应 ， 减少 了粗 大 晶体颗 粒 C a ( OH) 。 的数量及其在水泥石一集料界面过渡区的富集与定 向排列， 并生成强度更高 、 稳定性更优 、 数量更多 的 低碱度水化硅酸钙凝 胶。 矿物掺合 料 中 Al 。 O 。 含量一般高于纯水泥 ， Al O。 能与氯离子 、 C a ( OH) 。 生成 F盐 8 ， 细化孔结构， 提高 了混凝土对 c l 一 的 固化 能力 ； 火 山灰效 应 生 成 的低 C a S i 比 C - S H 凝 胶也 增强 了 C 1 一 结 合 能力D o J 。 F 0 F 6 0 F 4 0 S 2 0 F 3 0 S 3 0 F 4 0 组别 图 2 各组混凝土氯离子扩散 系数变化规律 3 3 收缩变形性能 混凝土 自由干燥 收缩试验参照 普通混凝土长 期性能和耐久性 能试验 方法 ( GB J 8 2 1 9 8 5 ) 进 行。试件成型 3 d后 ， 放人温度为 ( 2 0 2 )、 相对 印 伯 如 粕 0 量 瑙隈出辐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 崇启 大桥 承台混凝 土配合 比设计及性能研究 秦鸿根 ， 王伦 ， 庞超明 ， 周 建林 5 9 湿度为 6 0 5 的养护室内进行收缩试验 。各组 混凝土干燥收缩测试结果见 图 3 。结果表明， 2 8 d 前混凝土干燥收缩增长很快 ， 2 8 d干燥收缩为 ( 1 4 2 5 ) 1 0 ； 随着龄期的增长， 干燥 收缩增长率减 缓 ， 1 2 0 d干燥收缩增长至( 1 9 3 5 ) 1 0 _ 。 ； 1 2 0 d 之后干燥 收缩的增长率明显降低 ； 同龄期 ， F 4 0组干 燥收缩较大 ， F 6 0组 干燥 收缩较 小， 双掺组 F 4 0 S 2 0 和 F 3 0 S 3 0的干燥收缩均介 于 F 4 0和 F 6 0组之间 ， 这表明在一定范 围内， 混凝土的干燥 收缩 随矿物掺 量的增加而减小 ， 即改善了混凝土抗裂性能 ； 矿物掺 合料掺量为 6 O 时， 同龄期 ， 双掺组 的干燥 收缩 明 显大于 F 6 0组 ， 即相对粉煤灰而言 ， 矿粉的掺人增 大 了混凝 土的干燥 收缩 。 测 试龄 期 d 注：测试龄期从混凝土成型3 d lt 算起。 图 3各组混凝土的 干燥收缩 变化 规律 3 4水 化 热 采用表 1的胶凝材料 比、 水胶 比和外加剂掺量 制备 出净 浆 ， 同 时 配 制 $ 6 0( 矿 粉 掺 量 6 O ) 和 F 2 0 S 4 0 ( 粉煤灰和矿粉掺量分别为 2 O 和 4 0 ) 净 浆 ， 以研究 不 同矿 物掺合 料 净浆 的水化 热 。使用 T AM AI R等温量 热仪， 测得 ( 2 0 0 1 )下 的水 化热， 见图 4 、 图 5 。结果表明， 掺掺合料的各组水化 热或水化放热速率都远小于 F 0组 ， F 6 0组的水化热 仅为 F 0的 6 0 左 右， 双 掺组 的水 化热 为 F O的 7 O 左右， 而 $ 6 0 组 的水化热为 F 0的 8 0 左右 ， 可 见 F 6 0组的放热总量 明显低于双掺组或 $ 6 0组 ， 且 最大放热时间也明显迟于双掺组或 $ 6 0组 。掺合料 总量为 6 0 时 ， 随着粉煤 灰掺量 的增加 ， 不 同时 间 的单位放热量减小， 最大放热峰出现时间变短。 4 崇启 大桥 承 台混 凝 土应用 虽然崇启大桥是跨江大桥 ， 但其处于江海交汇 环境 中， 承台混凝土配合 比须按 海洋环境 ( 最不利) 要求设计 。通过对不 同配合 比混凝土性能 的研究 ， 优化 了承台混凝土配合 比， 其中性能较优 的为粉煤 灰和矿粉双掺组( F 4 0 S 2 O ) ， 该组配合 比混凝土在崇 图 4 单位质量浆体放热总量随龄期变化规律 图 5 单 位 质 量 浆 体 放 热 速 率 随 龄 期 变 化 规 律 启大桥承台混凝 土实 际工程 中得 到了很好的应用。 施工过程中混凝土新拌物流动性好 ， 工作性 良好 ， 无 离析 、 泌水现象， 浆体均质性好 ， 拌合物无分层现象， 泵送过程未出现输送管堵塞故障等， 经养护后混凝 土表面未见明显裂缝 ， 表观质量较好 ， 无 明显蜂窝、 麻面等表面缺陷。 5 结 论 通过研究水化热、 工作性 、 力学性能、 变形性能、 氯离子扩散系数等性能 ， 可以看出， 所制备的大掺量 矿物掺合料混凝土综合性能优异， 可 同时满足工程 施工的工作性和长期耐久性要求 。通过本文研究 ， 得 出以下 结论 ： ( 1 )各组大掺量矿物掺合料混凝土抗压强度满 足设计要求 ， 后期强度稳定增长 ， 从 2 8 d到 9 0 d ， 弹 性模 量 增 长约 1 O ， 抗 折强 度 增 长 率 达 1 O 4 O ， 同龄期， 随着矿物掺合料掺量 的增加 ， 混凝土 抗折强度降低 。 ( 2 )掺人 4 0 6 O 矿物掺合料的承台混凝土 干燥收缩随矿物掺合料掺量的增加而减小 。 ( 3 )F 0组 9 0 d氯离 子扩散 系数 比 2 8 d降低 5 O ， 2 1 0 d比 2 8 d下降了6 8 ； 而大掺量矿物掺合 料组 9 0 d比 2 8 d降低 6 5 以上， 双掺组 F 4 0 S 2 0和 F 3 0 S 3 0的氯 离 子 扩 散 系数 仅 为 F 6 0的 2 O 3 0 ， 双掺矿物掺合料能更好地改善混凝土抗氯离 子扩 散性 能 。 加 们 0 I- h =暮壤辎 4 3 3 2 2 1 1 0 0 _【 骠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 世 界 桥 梁 2 0 1 1 年第 4 期 ( 4 )双 掺 组 的 水 化 放 热 量 为 F 0组 的 7 O 左 右， 双掺粉煤灰和矿粉能减小混凝土水化热， 延迟水 化 放热 峰 的出现 时 间 。 ( 5 )对于崇启大桥承台混凝土配合 比推荐使用 F 4 0 S 2 0组配合比。 参 考 文 献 ： 1 Me h t a P K，P J M Mo n t e i r o C o n c r e t e Mi e r o s t r u c t u r e ， P r o p e r t i e s ， a n d Ma t e r i a l s( 3 r d E d i t i o n e d ) M Ne w Yo r k ：M CGRa 、 卜 H i l l ，2 0 0 6 2 Ya n g C C，L C Wa n g Th e D i f f u s i o n C h a r a c t e r i s t i c o f Co n c r e t e wi t h M i n e r a l Ad mi x t u r e s B e t we e n S a l t Po n d i n g T e s t a n d Ac c e l e r a t e d C h l o r i d e Mi g r a t i o n T e s t J Ma t e r i a l s Ch e mi s t r y a n d Ph y s i c s ，2 0 0 4，8 5 ( 2 3 ) ：2 6 6 27 2 3 3吴 中伟高性 能混 凝 土 M 北 京 ： 中国铁 道 出版 社 ， 】9 99 M i x Pr 0 pO r t i 0 n i n g De s i o f Pi l e Ca p Co n c r e t e 4 冷发光 ， 韩跃伟高强和高性 能混凝土 的发展 与应 用 以 及对高性能混凝土的讨 论 J 工业 建筑 ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 1 1 ) ： 7 5 7 8 E 5 2李北 星， 田晓彬 ， 胡明义 ， 等箱 梁 C 5 5高性能混 凝土的 抗裂 性能研究 I- J 世 界桥 梁 ， 2 0 1 0 ， ( 3 ) ： 4 0 4 2 ， 5 3 E 6 吕慎 明南京大胜关长江大桥钻孔桩高性能混凝土配合 比的优化 J 桥梁建设 ， 2 0 0 9 ， ( 1 ) ： 4 6 7 3刘剑沿海 地 区桥梁 混凝 土 的劣化 机理 与对 策i - j 北方 交通 ， 2 0 0 9 ， 1 0 ( 2 ) ： 4 2 8 张景 富， 丁虹 ， 代奎 ， 等矿渣 一粉煤灰 混合材 料水 化产物 、 微 观结构和性能 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 5 ) ： 6 3 3 6 37 9 L u o R，C a i Y B， Wa n g C Y， a 1 S t u d y o f C h l o r i d e B i n d i n g a n d D i f f u s i o n i n G G B S C o n c r e t e J C e me n t a n d Co nc r e t e Re s e a r c h，2 00 3，33： 1 7 1- 1 0 魏风艳 ， 吕忆农 ， 兰祥辉 ， 等低 C a S i 比的 C S - H凝胶 产物 在抑 制 AAR中 的作 用 J 南京 工业 大学 学报 ， 2 0 04， 2 6( 4)： 9 8 1 O 2 a nd Pe r f o r m a nc e S t u d y o f Cho ng q i Br i d g e Q I N Ho n g g e n ， NG L u n ， P A NG C h a o mi n g， Z HoU J i a n Z i ， l ( 1 Ke y L a b o r a t o r y o f C i v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f J i a n g s u P r o v i n c e ，S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ，Na n j i n g 2 1 1 1 8 9，Ch i n a；2 S i t e Of f i c e ，J i a n g s u P r o v i n c i a l Co n s t r u c t i o n He a d q u a r t e r s o f Ch o n g q i B r i d g e ，Qi d o n g 2 2 6 6 0 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：To e nh a nc e t he du r a bi l i t y o f t h e c on c r e t e f o r t he pi l e c a p s i n t he c o nf l u e n t e n vi r o n me n t ，t h e b a s i c me c h a n i c a l b e h a v i o r ，d e f o r ma t i o n b e h a v i o r ，c h l o r i n e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t a n d h y dr a t i o n h e a t o f t h e c or r e s po n di n g b i nd e r o f t h e c on c r e t e u s e d i n t he pi l e c a ps o f t h e Cho n gq i Br i dg e ha v e b e e n t e s t e d a nd s t u di e dThe r e s u l t s of t h e s t u d y s ho w t ha t t h e ba s i c me c ha n i c a l be ha v i o r o f t h e c o nc r e t e a f t e r i t s mi x pr o po r t i o ni ng i s op t i mi z e d c a n me e t t h e de s i g n r e qu i r e me n t s， t h e d r y s h r i n k a g e r a t i o o f t h e c o n c r e t e a d d e d wi t h 4 0 6 O o f mi n e r a I a d mi x t u r e a t 2 8 d i s( 1 4 2 5 ) 1 0 4 a n d t h e s h r i n k a g e r a t i o t e n d s t o b e s t a b l e a t 1 2 0 d Th e c h l o r i n e d i f f u s i o n c o e f f i c i e nt de c r e a s e s wi t h t he i nc r e a s e o f c o nc r e t e a ge a nd a d di ng a mou nt of t he a d m i x t u r e a n d t he c oe f f i c i e n t o f t h e s p e c i me n g r o u p s wi t h d o u b l e a d mi x t u r e i s 2 0 3 O o f t h e s p e c i me n g r o u p s wi t h s i n g l e a d mi x t u r e I n c o mp a r i s o n t o t h e s p e c i me n g r o u p s wi t h o u t a d mi x t u r e ，t h e h y d r a t i o n h e a t o f t h e b i n d e r a d d e d wi t h g r e a t a mo u n t o f mi n e r a l a d mi x t u r e a t 7 d d e c r e a s e s 3 0 B y o p t i ma l s e l e c t i o n ， i t i s d e t e r mi n e d t h a t t h e mi x p r o p o r t i o n i n g wi t h 4 0 f l y a s h a n d 2 0 mi n e r a l a d mi x t u r e s h o u l d b e t h e mi x p r o p o r t i o n i n g o f t h e c o n c r e t e f o r t h e p i l e c a p s o f t h e b r i d g e Ke y wo r d s ：b r i d g e ；p i l e c a p；c o n c r e t e ；me c h a n i c a 1 b e h a v i o r ；d e f o r ma t i o n b e h a v i o r ；c h l o r i n e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t ；h y d r a t i o n h e a t ；t e s t ；s t u d y 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m