杨辉1，李北星1，倪嵩2，黄博3
（1. 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉 430070； 2. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430052；3. 中铁大桥局集团第一工程有限公司，河南郑州 450053）
摘要：结合赤壁长江大桥4#主塔墩承台大体积混凝土的温控防裂，测试了大掺量粉煤灰和矿粉复合掺合料与缓凝聚羧酸减水剂对胶凝材料水化热的影响，对比研究了三组大掺量矿物掺合料C35混凝土的工作性、力学性能、绝热温升及耐久性能。结果表明，缓凝型减水剂与大掺量矿物掺合料的复合掺入对胶凝材料水化热的控制具有协同作用；采用32.5%粉煤灰与12.5%～22.5%矿粉复合掺合料与缓凝型聚羧酸减水剂配制的承台C35混凝土具有良好的工作性、较低的水化热温升、较高的后期强度发展和高抗氯离子渗透性等特性。
关键词：承台；大体积混凝土；复合矿物掺合料；水化热；性能
0前言
赤壁长江公路大桥主桥为跨径组合（90+240＋720＋240＋90 ）米的双塔双索面结合梁斜拉桥。赤壁岸4#主塔墩承台为圆端形，平面尺寸65.0×30.4m，厚5.5m，属于超大体积混凝土。大体积混凝土截面结构尺寸大、热阻大，水泥的水化热聚集在混凝土内部不易传递和散发，而表面散热较快，导致混凝土内部和表面较大的温度差并由此产生温度应力（拉应力），一旦拉应力超过混凝土的即时抗拉强度，就会在混凝土表面产生裂缝，当这种拉应力在表面裂缝尖端形成应力集中时，极容易进一步发展成深层裂缝或贯穿性裂缝，破坏结构的整体性和耐久性，甚至危及承台的安全。
混凝土的温度应力包括由结构混凝土本身水化热产生的和由环境温度变化产生的两个方面，所以应采取适当的措施控制混凝土温度升高和温度变化速度在一定范围内。主要技术措施包括：在材料方面，优化混凝土配合比设计，制备低水化热温升的混凝土和较高抗拉强度的混凝土，以提高混凝土的抗裂阻裂能力；在施工中，通过降低混凝土原材料温度控制混凝土的浇筑温度，通过冷却水管的通水冷却降低混凝土内部的最高温度，通过妥善养护控制混凝土的塑性收缩、干燥收缩及内表温差，通过加强混凝土工作性和浇筑工艺的控制，提高混凝土浇筑密实性和均匀性，以保证混凝土的抗拉或抗裂能力。本文就该承台C35大体积混凝土的配合比与热学、力学和耐久性能进行了试验研究。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
水泥：华新水泥股份有限公司P·O 42.5级水泥；粉煤灰：国电九江发电有限公司F类Ⅱ级粉煤灰；矿渣粉：荆州中和新型建材有限责任公司S95级磨细矿渣粉；外加剂：江苏苏博特新材料股份有限公司缓凝型PCA-1聚羧酸系高性能减水剂。上述各种材料的主要性能如表1~表4所示。
细集料：采用洞庭湖河砂，Ⅱ区中砂，细度模数为2.84，表观密度为2826kg/m3，松堆密度为1736kg/m3，含泥量为0.6%。粗集料：采用临湘凡泰5-25mm碎石，压碎值为17.5%，含泥量为0.5%，针片状颗粒为4.2%。
1.2 混凝土配合比设计
根据设计、施工及服役环境的要求，主塔墩承台C35混凝土需要达到的性能指标为：混凝土混凝土入模坍落度180±20mm，扩展度450±30mm，1h坍落度损失≤20mm；要求粘聚性好、不离析；含气量≤3.0%；标准温度下混凝土初凝时间为30h~35h；28d龄期试配抗压强度≥43.2MPa；7d绝热温升实测值≤40℃；氯离子扩散系数（56d养护龄期）＜7×10-12m2/s， 28d碳化深度≤10mm。
为实现大体积混凝土低水化热温升、低收缩和高抗渗性的配制目标，混凝土配合比设计主要技术思路是：采用大掺量粉煤灰和矿粉复合掺合料及超缓凝聚羧酸高性能减水剂以降低水泥用量和水胶比，从而降低水化热温升和水化速率；降低浆骨比以减低收缩。设计的承台C35混凝土三组配合比如表5所示。
1.3 试验方法
混凝土拌合物性能试验依据GB/T50080-2016 《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。
混凝土力学性能测试依据GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，立方抗压强度和劈裂抗拉强度试件尺寸均采用150mm×150mm×150mm，抗压弹性模量试件尺寸150mm×150mm×300mm棱柱体。
混凝土绝热温升试验依据水工混凝土试验规程（DL/T 5150-2001），采用天津市天宇实验仪器有限公司生产的HR-2A型混凝土热物理参数测定仪进行测定。每次使用的混凝土拌合物数量为50L，试验历时 7d，每 1h 记录一次混凝土中心温度。
胶凝材料体系的水化热采用美国TA仪器出品的八通道TAM Air 热活性微量热仪（Isothermal Calorimetry）进行测试。每次试验胶凝材料用量10g，水胶比0.40，实验温度25℃。
混凝土的氯离子扩散系数依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的RCM法进行测定，试件尺寸φ100mm×50mm，养护龄期28d、56d。
混凝土碳化试验按照GB/T50082-2009的方法进行，试件尺寸100mm×100mm×100mm，试件标准养护28d龄期后开始碳化试验。碳化试验箱的CO2浓度为20%，相对湿度为70±5%。
2 结果与讨论
2.1 混凝土工作性与力学性能
由表6可知，制备的三组混凝土拌合物的容重为2430-2460kg/m3，坍落度为210-220mm，未出现离析和泌水现象，均满足现场泵送施工要求。由于掺有较大数量的复合矿物掺合料，各组混凝土的抗压强度均随龄期增长有较大幅度增加，28d抗压强度相对7d增长48.9~66.1%，60d抗压强度相对28d增长18.4%~23.1%；随着复合矿物掺合料总量增加，混凝土7d、28d的抗压强度、弹性模量、劈拉强度均有不同程度的降低，但60d龄期时，掺合料掺量第二高的CT2组（32.5%粉煤灰+17.5%矿粉）其抗压强度最大。三组试样的28d抗压强度均满足C35混凝土的43.2MPa试配强度的要求。
2.2 水化热
混凝土中胶凝材料的水化放热速量、放热速率及水化热速率峰值出现时间的长短，直接影响大体积混凝土的温度应力大小及温度裂缝控制的难易程度。为说明采用缓凝型减水剂和掺用大掺量矿物掺合料对水泥水化热的影响，测试分析了水泥、水泥-缓凝型减水剂、水泥-粉煤灰-矿粉、水泥-粉煤灰-矿渣粉--缓凝型减水剂等多种胶凝材料体系的水化热。表7是测得的水化热特征参数，图1、图2是水化放热量和水化放热速率曲线。结果显示：
（1）与水泥空白样（Ce）相比，加入缓凝型聚羧酸减水剂的水泥试样（Ce+1.1%PC）其最初3h内的水化热放速率显著提高，这主要源于减水剂对水泥的强烈分散作用，提高了接触水化热，导致在开始的6h内水化放热量高于空白样；但随后的2d水化放热量急剧下降， Ce+1.1%PC试样1d、2d的水化热仅是Ce空白样的12.5%、52.2%；从3d龄期开始，Ce+1.1%PC的水化热快速增长，至7d龄期达到Ce空白样的101.3%。
（2）与Ce空白样相比，掺入大掺量矿物掺合料的50%Ce+32.5%FA+ 17.5%KF试样由于显著降低了单位浆体水化质点数目，从而使得其水化放热速率和水化放热量大幅下降，1~7d的水化热仅是Ce空白样的52.7%~72.6%。
（3）与Ce空白样相比，Ce+1.1%PC试样、50%Ce+32.5%FA+ 17.5%KF试样的最大水化放热速率分别降低了1.08 J/g·h、4.38J/g·h，最大放热速率出现时间分别延长了29.92h、4.18h，说明大掺量矿物掺合料的掺入对控制水化放热速率更为有效，而PC缓凝型减水剂对延缓水化放热速率峰值出现时间更为有效。二者的复合即50%Ce+32.5%FA+ 17.5%KF+1.1%PC试样相比Ce空白样，最大水化放热速率降低了6.84J/g·h，最大放热速率出现时间延长了36.22h，二者复合对水化热的控制效果大于二者的单一效果的简单加和，表明缓凝型减水剂与矿物掺合料对水泥水化热的控制起到了“1+1＞2”的协同作用。
2.3 绝热温升
测试了表5中CT1、CT2、CT3三个配合比的绝热温升，分别对应水泥用量215、195、175kg/m3三个配合比，7d龄期的绝热温升曲线如图3所示。由图3可知：胶凝材料总量固定（390kg/m3）及粉煤灰掺量（32.5%）固定情况下，随着矿粉取代水泥用量的增加，混凝土绝热温升降低。水泥用量215、195、175kg/m3三个配合比的7d绝热温升值分别为40.3℃、37.6℃和35.3℃，水泥用量由215kg/m3降至195 kg/m3，混凝土绝热温升值降低了2.7℃，水泥用量由215 kg/m3降至175kg/m3，混凝土绝热温升下降了5.0℃，即混凝土每降低10kg/m3水泥用量，混凝土绝热温升平均降低1.25℃。
2.4 抗氯离子渗透性能
由图4所示，三个配合比的56d氯离子扩散系数均小于7×10-12m2/s，符合耐久性控制指标要求。对于3个承台配合比，同龄期下，随水泥用量降低、矿粉掺量增加，混凝土抗氯离子渗透性能逐渐提高；随着龄期的增加，各组混凝土的氯离子扩散系数有了较大的降低，56d的扩散系数约为28d的50%～60%。主要原因一方面是由于矿物掺合料的填充效应，另一方面是由于矿物掺合料的后期火山灰效应降低了Ca（OH）2的含量，并改善了混凝土中水泥石与集料之间的薄弱界面，生成更多稳定性更好、强度更高的低碱度C-S-H凝胶，降低了混凝土的孔隙率。同时增加了混凝土对Cl-1的固化能力，从而提高了混凝土的抗氯离子渗透能力。
2.5 抗碳化性能
由图5可知，三组混凝土快速碳化28d的碳化深度均小于10mm，符合耐久性控制指标要求。在28d龄期下，碳化深度随着矿物掺合料总量的增加而增大，主要是因为随着矿物掺合料总量的增加，水泥用量减少及矿物掺合料的火山灰效应导致混凝土中Ca(OH)2含量降低，抵抗外部CO2的能力也降低。
3 结论
（1）胶凝材料体系的水化热研究表明，大体积混凝土中掺入大掺量矿物掺合料的主要作用是控制水化放热速率和降低水化放热量，掺入缓凝型减水剂的主要作用是延缓水化放热速率峰值出现时间，缓凝型减水剂与大掺量矿物掺合料的复合掺入对水化热的控制起到了“1+1＞2”的协同作用。
（2）采用32.5%粉煤灰与12.5~17.5%矿粉复合掺合料与缓凝型聚羧酸减水剂，可以配制出具有良好工作性、较低水化热温升、较高后期强度和高抗氯离子渗透性等特性的承台C35大体积混凝土，优化的供承台C35大体积混凝土施工的配合比其胶凝材料组成为：胶凝材料用量390kg/m3，水泥、粉煤灰、矿粉组成比例为50%+32.5%+17.5%，水胶比0.374，该配合比达到的主要性能指标为：28d抗压强度54.9MPa，7d绝热温升37.6℃，56d龄期氯离子扩散系数4.5×10-12m2/s，快速碳化28d的碳化深度9.1mm。
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