刘冠国，马爱斌，张萍

（1.河海大学力学与材料学院，江苏南京 210098；2.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112；3.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 211189）

第15届全国纤维混凝土学术会议论文

崇启大桥C55箱梁混凝土配合比设计与优化

刘冠国1,2，马爱斌1，张萍3

（1.河海大学力学与材料学院，江苏南京 210098；2.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112；3.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 211189）

以崇启大桥箱梁混凝土施工为依托，提出了配合比设计方案，并借鉴国内外工程经验，开展江海交汇环境下混凝土耐久性失效状况研究，评估了崇启大桥预期采用高性能结构混凝土的抗氯离子渗透及抗盐雾侵蚀性能．通过对混凝土的工作性能、力学性能及各项耐久性性能的分析和研究，最终得到配合比优化方案．

箱梁混凝土，配合比，粉煤灰，耐久性

0 引言

国内外对于河口水域的研究，始于20世纪初流体力学领域专家的资料统计、数值模拟和物理模型试验[1-2]．近年来，河口区域混凝土的耐久性问题得到重视，研究者以离海岸距离为标志将近海大气环境进行划分[3]，分析了氯离子含量与距河口距离的关系[4]，研究了桥墩大体积混凝土裂缝控制措施和氯离子对混凝土耐久性的影响[5-6]．

崇启大桥工程位于江苏省东南部，由于海水倒灌的原因，桥位水域洪季盐、淡水强烈混合，水位变化明显，对混凝土耐久性构成严重威胁[7]．箱梁混凝土结构由于配筋密度大，预应力波纹管多，要求混凝土具有良好的工作性，流动度大、保水性保塑性好；同时，在配合比设计时，要考虑到箱梁的尺寸效应，使结构承受的弯拉荷载及使用中承受的疲劳荷载，对混凝土的收缩和徐变进行控制[8]．

1 原材料性能与实验方案

1.1 原材料性能

本工程选用金宁洋P.II42.5硅酸盐水泥，镇江谏壁一级粉煤灰，S95矿粉．细集料细度模数为2.90，表观密度2 590 kg/m3，堆积密度1 520 kg/m3，含泥量0.5%．粗集料压碎值10.6%，表观密度2 700 kg/m3，含泥量0.4%，针片状含量2%，颗粒级配良好．

1.2 耐久性实验方案

通过测试不同配合比混凝土的工作性能、力学性能、氯离子渗透性能、干燥收缩、自收缩、抗开裂及抗硫酸盐性能，对其进行综合评估及优化．

2 结果与分析

2.1 工作性能

依据箱梁混凝土配合比设计原则，控制水胶比不变，按表1的配合比配制混凝土，以调整聚羧酸减水剂的掺量来控制混凝土坍落度经时损失，要求初始坍落度在200～220 mm之间，1 h后的扩展度不得小于400 mm．由表2可知，3组拌合物性能均满足配合比设计要求．

2.2 力学性能

表1 C55箱梁混凝土配合比Tab.1C55 box girder concrete mix ratio

表2 C55箱梁混凝土工作性Tab.2C55 box girder concrete workability

由图1可知，3组箱梁混凝土的力学性能均满足设计要求．其中，粉煤灰用量最小的XL-F13S27在3d、7 d、28 d龄期时，抗压强度最大；由56 d抗压强度来看，粉煤灰用量最小的XL-F13S27的强度最大，粉煤灰用量最大的XL-F27S13的抗压强度最小．

由表3所示，箱梁混凝土的轴心抗压强度7 d时即达40MPa，28d时，达到同龄期立方体抗压强度的80%以上．7d时试验的静弹模量达38.0GPa以上，但由7 d至28 d时静弹模最增长不多，粉煤灰掺量最小的XL-F13S27的28 d静弹模量最大．

表3 C55箱梁混凝土轴心抗压强度和静弹模量Tab.3C55 box girder concrete axil compressive strength and static elastic modulus

图1 C55箱梁混凝土抗压强度发展Fig.1The C55 box girder concrete compressive strength development

2.3 耐久性能

2.3.1 氯离子渗透性

对混凝土氯离子的渗透性研究采用电通量法和RCM法2种方法进行研究分析．测试结果（图2、图3）表明，3组箱梁混凝土的抗氯离子渗透性远优于相关规范的控制要求．28 d龄期时，XL-F27S13的氯离子扩散系数最小；矿物掺和料总量相同的情况下，在不同龄期，矿粉比例高的XL-F13S27的抗氯离子渗透性能均要优于XL-F20S20，且XL-F13S27的氯离子扩散系数在84 d龄期时已降至28 d的32%，XL-F20S20的84 d龄期氯离子扩散系数为28 d的41%．粉煤灰的活性效应发挥于水化后期，早期主要是对水泥石结构的填充密实作用，从时间角度来看，对混凝土的长期耐久性贡献较大[3-4]．

2.3.2 干燥收缩

箱梁3组混凝土的干燥收缩测试数据如图4所示．箱梁混凝土的28d干燥收缩值从大到小的顺序依次为XL-F20S20、XL-F13S27、XL-F27S13，28 d干燥收缩率分别为0.0244%、0.0224%、0.0194%，XL-F27S13中粉煤灰掺量最大，由于粉煤灰的活性小，在同样龄期内胶凝材料的水化程度小，同时，由于粉煤灰中微粉填充在毛细管和凝胶孔内，使得孔径细化、孔道更加弯曲复杂，混凝土结构更加密实，阻碍了硬化水泥浆中毛细管内水份和C-S-H凝胶内的物理吸附水的散失，降低了混凝土的干缩值．

图2 C55箱梁混凝土电通量Fig.2The C55 box girder concrete electric flux

图3 C55箱梁混凝土氯离子扩散系数Fig.3The C55 box girder concrete Cl-diffusion coefficient

图4 C55箱梁混凝土干燥收缩发展曲线Fig.4The C55 box girder concrete drying shrinkage development curve

2.3.3 自生收缩

箱梁混凝土强度等级高、水泥用量大、水胶比小，混凝土在隔绝湿交换条件下的收缩大，同时由于配筋密集，钢筋混凝土保护层厚度小，任何原因造成混凝土的收缩裂缝对结构的损害都会引起很大的危害．

由图5，混凝土在测试前期会经过一段膨胀再收缩，其中粉煤灰掺量最大的XL-F13S27进入收缩阶段最晚，箱梁混凝土随着粉煤灰掺量的增加，收缩值减小，粉煤灰掺量为27%的混凝土7 d时的收缩率不及掺量为20%的一半，掺入13%粉煤灰的混凝土收缩率最大．分析认为，这是由于混凝土在绝湿条件下的收缩，主要是因为水化消耗混凝土自身孔隙内水份，导致混凝土的毛细管内产生负压，管壁受到张拉作用，混凝土产生收缩，当混凝土胶凝材料中粉煤灰掺量增加时，混凝土的水化速率减小，混凝土内部水分消耗速度减慢，同龄期时混凝土毛细管壁受到的张拉作用减小，自收缩减小．

图5 箱梁混凝土自收缩Fig.5The C55 box girder concrete self-constriction development curve

4 配合比优化结果

文章根据崇启大桥箱梁混凝土的特点，考虑施工工艺，进行了箱梁混凝土的工作性和耐久性的系统研究，得出以下结论：

1）经试验研究，确定C55箱梁混凝土选择胶凝材料用量为480较为合理，采用粉煤灰和矿粉复掺，并调整适宜的比例，水胶比控制为0.29～0.30．

2）在不同龄期，矿粉比例高的XL-F13S27的抗氯离子渗透性能均要优于XL-F20S20，且XL-F13S27的氯离子扩散系数在84 d龄期时已降至28 d的32%，XL-F20S20的84 d龄期氯离子扩散系数为28 d的41%．

3）箱梁混凝土的28d干燥收缩值从大到小的顺序依次为XL-F20S20、XL-F13S27、XL-F27S13，28d干燥收缩率分别为0.0244、0.022 4、0.0194%，XL-F27S13中粉煤灰掺量最大，由于粉煤灰的活性小，在同样龄期内胶凝材料的水化程度小．

综合对比测试性能，确定推荐配合比XL-F13S 27；且推荐配比与现场配比相近，室内试验结果可同步验证现场配比性能，对现场配比亦有参照价值．

[1]PROTCHARD D W．Salinity distribution and circulation in the chesapeake bay estuarine system：Sears found[J]．Marine Research，1952（11）：106-123．

[2]童朝峰，刘丰阳，邵宇阳，等．长江口北支重启大桥处潮位和盐度过程研究[J]．水道港口，2012，33（4）：291-298．

[3]金伟良，卫军，袁迎曙，等．氯盐环境下混凝土结构耐久性理论与方法[M]．北京：科学出版社，2011．

[4]张俊芝，王建泽，黄海珍，等．钱塘江河口水体氯离子含量及对混凝土的侵蚀[J]．自然灾害学报，2008，17（4）：34-38．

[5]程杭平．平均海平面抬高对钱塘江盐度入侵的影响分析[J]．浙江水利科技，2002（6）：1-4．

[6]朱少杰．九堡大桥大体积混凝土桥墩温度裂缝控制措施研究[J]．桥隧工程，2010（11）：197-200．

[7]刘冠国，马爱斌，秦鸿根，张萍．江海交汇环境桥梁性能混凝土耐久性研究现状与探讨[J]．混凝土，2014，3:45-47．

[8]王德港，王北辰，李国梁等．箱梁混凝土裂缝处理方法[J]．公路交通科技，2013，10：112-114．

[责任编辑 杨屹]

Mix proportion design and optimization for C55 box girder concrete of Chongqi Bridge

LIU Guanguo1,2，MA Aibin1，ZHANG Ping3

(1.Collegeof MechanicsandMaterials,Hohai University,JiangsuNanjing210098,China;2.JSTIGROUP,JiangsuNanjing211112, China;3.School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Jiangsu Nanjing 211189,China)

For the construction of box girder concrete of Chongqi bridge and combined with key points of quality control, the mix designs were proposed.The durability of box girderconcrete were studied in salt spray environment.The finally mix proportion was obtained in the study of work performace,mechanical properties and durability performance.

box girder concrete;mix design;fly ash;durability

P754.5

A

1007-2373(2015)05-0102-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.05.021

2014-09-18

国家自然科学基金（51308112）

刘冠国（1980-），男（汉族），博士生，高级工程师，lgg@jstri.com．