陶砂對預制梁混凝土性能影響研究

黃燦，袁天雄，王艷，劉離，程路軍

（中建商品混凝土有限公司，湖北　武漢　430000）

陶砂對預制梁混凝土性能影響研究

黃燦，袁天雄，王艷，劉離，程路軍

（中建商品混凝土有限公司，湖北武漢430000）

本文結合武漢市某市政橋梁工程中預制小箱梁 C50混凝土生產技術要求，探索陶砂對預制小箱梁混凝土各項性能影響。研究發現：陶砂體積取代率在40% 以下范圍時，混凝土28d 強度、凝結時間均能滿足工程需求；其干縮率隨著陶砂體積取代率的增長呈現持續降低的趨勢，60% 取代率時28d 干縮率降低33%；其氯離子滲透系數隨取代率增加呈現先減小后增長的趨勢，40% 取代率時28d 氯離子滲透系數降低約15.9%。

陶砂；預制梁混凝土；凝結時間；干縮；氯離子擴散系數

0　引言

武漢市某市政橋梁工程中預制箱梁 C50混凝土生產，預制箱梁混凝土歸屬于鋼筋混凝土，其鋼筋結構配筋密集，同時在混凝土構件成型后存在預應力張拉，因此對于混凝土的性能要求較為嚴格，要求早期強度發展迅速（脫膜時間7～9h），28d 強度達到設計滿足配制強度要求，混凝土工作性能優異 [初始坍落度 (200±20)mm，擴展度(500±50)mm]，180d 干縮率小于萬分之5，混凝土28d 氯離子擴散系數（RCM 法）＜5.0×10-12m2/s。由于其嚴格的脫膜時間要求，因此如何實現預制梁混凝土其早期強度高、拆模時間快是工程關注的熱點問題。已有研究表明[1]：混凝土早期水化快則產生的強度高，但水化過快，受到溫度作用（包括自身水化熱和環境溫度變化）、自身收縮變形作用（包括塑性收縮、自收縮和干燥收縮）徐變變形作用，產生較大的變形，尤其是對于低水灰比、高水泥用量的高強度混凝土而言，其開裂風險尤為突出。工程實踐中通過優化配合比設計、優選原材料、加強后期養護等措施使預制梁混凝土能夠滿足要求。Henkensiefken R[2]等研究發現，通過摻入一定量的飽水輕集料作為內養護材料，能減緩混凝土內部濕度降低從而減少了混凝土內部自收縮，Bentz[3]等研究發現內養護材料的摻入能夠改善混凝土的抗滲性能。

為了進一步改善預制梁混凝土的強度增長、早期張拉、加載與混凝土開裂之間的矛盾，本文將陶砂作為內養護材料應用于預制梁混凝土中，研究陶砂對預制梁混凝土的力學性能、收縮能及耐久性能的影響。

1　試驗

1.1原材料

水泥（C）：亞東 P·O42.5水泥，3d 抗折強度為5.8MPa，抗壓強度為28.1MPa；28d 抗折強度為8.3MPa，抗壓強度為50.1MPa。

粉煤灰（FA）：麻城Ⅰ級粉煤灰，細度（45μm 篩余）為8.0%，燒失量為2.3%，需水量比為93%。

細集料（S）：湖南岳砂，細度模數為2.6，表觀密度為2530kg/m3，含泥量1.0%，泥塊含量0%。

粗集料（G）：5～20mm 連續級配的碎石，含泥量0.3%，泥塊含量0%。

陶砂（LS）：宜昌某陶粒廠生產陶砂，指標為900級0～3mm ，表觀密度為1580kg/m3，其吸水性能如圖1所示，其中24h 飽和吸水率24.0%。

外加劑（PC）：武漢 X 項目預制梁專用早強型聚羧酸減水劑，含固量為21.6%，減水率為25.0%。

水（W）：采用普通自來水。

圖1　陶砂吸水曲線

1.2試驗配合比

表1　混凝土試驗配合比　kg/m3

試驗中配合比如表1所示。LC0表示基準混凝土配合比，且將飽水24h 的陶砂等體積取代細集料河砂取代率依次為20%、40%、60% 得到三組輕骨料混凝土記為 LC20、LC40、 LC60。為保障工作性能一致性調節外加劑摻量。表1中用水量均為有效用水量（不包含陶砂預吸水引入內養護水量）。

1.3性能表征及試驗方法

混凝土試件均按照標準要求養護，各性能測試依據以下標準要求：

抗壓強度：依照 GB/T50087－2002《普通混凝土力學性能試驗方法》，制備150mm×150mm×150mm 標準試件，分別測試3d、7d、28d 抗壓強度。

凝結時間：按照 GB/T50080－2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，利用貫穿阻力儀測試混凝土初終凝時間。

混凝土干縮及氯離子擴散系數：按照 GB/T50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，測試混凝土的干縮成型試件尺寸為100mm×100mm×515mm，氯離子擴散系數采用 RCM 法，試件尺寸為 φ100mm×h50mm 的圓柱形試件。

2　試驗結果與分析

2.1抗壓強度與凝結時間

對不同陶砂體積取代率試件進行性能測試，由表2試驗結果可知，一定摻量的預飽水陶砂體積取代細集料河砂，其早期（≤7d）強度有一定的降低，但是發現取代率在40%以內時，預制梁混凝土抗壓強度降低較少，而取代率＞60%時，其3d、7d 抗壓強度下降明顯；而對比28d 抗壓強度發現，陶砂體積取代＜40% 時，其抗壓強度較未摻陶砂有所提升。

預飽水陶砂的摻入延長了混凝土的凝結時間，且凝結時間隨著摻量的增加而增加。凝結時間受多種因素影響，本試驗中由于飽水陶砂的摻入，對于混凝土的凝結時間影響較大，主要是飽水陶砂在攪拌初期存在一定的釋水，從而相對降低混凝土的水膠比，導致其凝結時間有一定增長，但是在試驗中同樣發現其凝結時間能夠滿足施工要求，且飽水陶砂的摻入能夠改善混凝土工作性能，對于混凝土初期成型起到一定促進作用。

表2　不同陶砂體積取代率試件抗壓強度與凝結時間

2.2干縮

混凝土干縮試驗結果見表3。干縮是混凝土材料的一個重要特征，其對混凝土的耐久性有著很大的影響。水泥漿中水分的損失，如蒸發、干燥等過程引起的體積縮小變形是導致混凝土收縮的一個原因[4]。由表3結果可知，一定摻量的預飽水陶砂等體積取代細集料河砂時，可以降低混凝土的干燥收縮，且隨著體積取代率的增加其降低幅度明顯增加。60%體積取代率時，1d、3d、7d、14d、28d 干縮率分別降低了23%、24%、30%、36%、33%。飽水陶砂的摻入引入了內養護水分，根據內養護研究了解到內養護水能夠有效保障混凝土內部水化環境，使得混凝土中濕度與外界濕度不至于相差太大，因此摻有飽水陶砂的預制梁混凝土的干縮明顯降低。

表3　混凝土干縮試驗結果

2.3氯離子擴散系數

混凝土28d 氯離子擴散系數測試結果見表4。由表4結果可知，一定摻量的預飽水陶砂體積取代細集料，當體積取代率分別為20%、40% 時混凝土試件氯離子擴散系數相較于未摻陶砂作為內養護材料混凝土的分別減少約11.8%、15.9%，而當陶砂體積取代率為60% 時，其擴散系數反而增大約6.6%。一定摻量陶砂的內養護預制梁混凝土，盡管陶砂的孔隙結構較大、且孔連通率較大，但是膠凝材料漿體能夠在陶砂附近很好的水化發展，在其周邊形成較密集的水化產物，從而降低了其氯離子滲透的通道，有效改善混凝土內部界面過渡區的密實度，因此對于預制梁鋼筋混凝土后期抗氯離子侵蝕能力有較大提升。

表4　混凝土 RCM 法試驗結果

混凝土強度主要來源于混凝土中膠凝材料水化產物及其與集料間緊密程度。而預制梁混凝土因其特殊的要求，即脫膜時間要求短，同時早期強度發展迅速，因此引入早強型外加劑從而促進混凝土的早期強度發展。而早期的加速水化勢必導致水化產物成型迅速且結構相對粗大，分散較差從而導致其后期強度發展減弱，以及耐久性變差。而已有的大量內養護材料應用發現，內養護混凝土能夠在一定程度上改善混凝土的內部水化。

陶砂內養護材料的摻入，在混凝土中起到的作用主要為引入內養護水，保障混凝土中后期的水化環境，與此同時，陶砂部分替代細集料河砂，作為一個微小單元能夠有效分散于混凝土內部，起到一個“微型水庫”的作用，使其周邊界面過渡區更加密實[5]，當然，過量的摻入會仍會起到副作用，主要是由于陶砂自身強度不足及其級配問題，大量的摻入對于混凝土的密實結構帶來損害。

3　結論

（1）預飽水陶砂20%、40%、60% 等體積取代細集料，預制梁混凝土28d 強度隨體積取代率增加先增加后減小，40% 體積取代時增長約3.1MPa。

（2）預飽水陶砂20%、40%、60% 等體積取代細集料，預制梁混凝土終凝時間隨摻量的增加而增加，60% 時增加約55min。

（3）預飽水陶砂20%、40%、60% 等體積取代細集料，預制梁混凝土其干縮率隨摻量增加而減少，60% 時28d 干縮率降低33%；其28d 氯離子擴散系數隨摻量增加呈現先減少后增長的趨勢，40% 時減少約15.9%。

[1] 朱耀臺，詹樹林．混凝土裂縫成因與防治措施研究[J]．材料科學與工程學報，2003,21(5)：727-730．

[2] Henkensiefken R, Nantung T, Weiss J. Reducing restrained shrinkage cracking in concrete: examining the behavior of selfcuring concrete made using different volumes of saturated lightweight aggregate[C]//National concrete bridge conference, St. Louis, MO.2008.

[3] Bentz D P．Influence of internal curing using lightweight aggregates on interfacial transition zone percolation and chloride ingress in mortars[J]. Cement and concrete composites，2009,31(5)：285-289.

[4] 李北星，查進，李進輝，等．飽水輕集料內養護對高性能混凝土收縮的影響[J]．武漢理工大學學報，2008,30(5)：24-27.

[5] Klieger P. Long-Time Study of Cement Performance in Concrete Chapter10-Progress Report on Strength and Elastic Properties of Concrete[C]/ACI Journal Proceedings．1957.54(12)：101-103.

［通訊地址］湖北省武漢市中建商品混凝土有限公司（430000）

黃燦，男，碩士畢業，助理工程師，主要從事混凝土技術研發及質量管理工作。