粘度改性材料在塔柱C55混凝土中的应用研究

粘度改性材料在塔柱C55混凝土中的应用研究

刘须远

中铁大桥局集团有限公司湖北武汉430050

摘要：通过研究掺加粘度改性材料制备高强高塔柱混凝土的性能，并与常规的高性能混凝土性能比较，掺加粘度改性材料的混凝土不仅可以降低混凝土的胶材用量，还具有粘度低、水化速度慢、绝热温升低，降低大体积混凝土开裂敏感性及后期强度发展稳定等特点，特别适用于塔柱施工的高性能混凝土。

关键词：粘度改性材料；塔柱施工；配合比设计

1引言

随着我国社会经济的飞速发展,大量基础设施的建设尤其是大跨度斜拉桥、悬索桥在高速公路、高速铁路中的建设越来越多。作为超高层高强混凝土结构的斜拉桥、悬索桥塔柱，在混凝土设计中通常采用大胶材用量，低水胶比。导致混凝土黏度大、流动性经时损失快、混凝土内部水化热高，浇筑不易密实。同时随着混凝土泵送高度的增加混凝土泵送施工困难，易发生堵管，混凝土离析、泌水等问题。为了解决以上问题通过在连镇铁路五峰山长江大桥主桥4#墩塔柱混凝土配合比中掺入粘度改性材料，降低混凝土胶材用量、提高水胶比，有效改善了混凝土的和易性，降低混凝土粘度，确保了混凝土是可泵性，为塔柱施工提供科学的混凝土配合比设计依据。

2工程概况

新建铁路连云港至镇江线五峰山长江特大桥主桥为（84+84+1092+84+84）m钢桁梁公铁两用悬索桥，全长1428m，位于1#～6#墩之间，4#墩主塔为“H”型钢筋混凝土框架结构，塔柱全高179.5m，分别由上、中、下塔柱及上、下两道横梁、塔顶鞍罩房等部分组成。主塔采用C55级混凝土，其中，上、下两道横梁为预应力混凝土结构，塔柱横桥向等宽9m、顺桥向尺寸由塔顶宽11m按1:77线性增加到塔底15.662m。设计使用年限100年。

3试验原材料及试验方法

3.1试验原材料

（1）水泥：盘固水泥集团有限公司P•Ⅱ52.5水泥，性能如表1所示。

（2）粉煤灰：中国国电集团公司谏壁发电厂Ⅰ级粉煤灰，性能如表2所示。

（3）集料：细集料产自湖南洞庭湖，细度模数为2.8，含泥量1.1%，泥块含量0.1%，各粒级筛分结果见表3所示。粗集料的性能对混凝土的施工性能起到决定的制约作用，选择公称粒径为5-25mm的碎石，采用5-16mm、16-25mm两级配按2:8（或3:7）比例进行掺配，含泥量为0.2%，泥块含量0.2%，针片状含量1.2%，压碎值8%，各粒级筛分结果如表4所示。

（4）高性能减水剂：江苏中铁奥莱特新材料有限公司生产的ART-JR聚羧酸高性能减水剂（缓凝型）。其主要成分是聚羧酸反应型高分子聚合物，具有引气、超塑化、高效减水和增强、低收缩等功能，性能如表5所示。

（5）矿渣粉：张家港恒昌新型建筑材料有限公司生产的S95级，性能如表6所示。

（6）粘度改性材料：北京市铁峰建筑工程技术开发公司生产的TK-MP粘度改性剂。依据JG/T

486-2015《混凝土用复合掺和料》项目检验，其性能指标如表7所示。

（7）拌和用水：拌和用水为长江水，其性能指标如表8所示。

（8）配合比设计

为了充分验证在C55混凝土配合比中掺加粘度改性材料和不掺粘度改性材料对混凝土性能的影响，研究对比了三种不同矿物掺和料的混凝土配合比，其中1#、2#配合比为没有参加粘度改性材料的配合比，1#配合比掺入粉煤灰和矿粉，2#配合比单掺粉煤灰，3#配合比掺入粉煤灰和粘度改性剂，各配合比见表9。1#、2#配合比胶材总用量为490kg/m3,砂率为42%，水胶比为0.31。3#配合比胶材总用量为448kg/m3,砂率为42%，水胶比为0.32。

3.2试验方法

混凝土拌合物性能试验，在室内采用60L混凝土搅拌机按设计的配合比试拌，然后进行拌合物性能测试，测试项目包括坍落（扩展）度、含气量、倒坍时间、扩展时间。重点验证混凝土粘度改性剂的掺入对混凝土粘度的影响，采用混凝土流变仪对混凝土拌合物进行黏度试验，通过测试剪切力与剪切速度，计算两者的比值（塑性粘度），来反映不同混凝土的粘度大小。制作混凝土试件，验证混凝土强度、电通量指标。

4试验结果分析与讨论

4.1混凝土拌和性能，见表10。

三个混凝土配合比的拌合物性能测试结果对比，从表中可以看出当混凝土坍落度在220左右时，混凝土扩展度都能达到550mm左右，但是从混凝土倒坍时间、扩展时间上面看，掺有一定量的粘度改性材料的混凝土倒坍时间、扩展时间比没有掺粘度改性材料的混凝土时间短，特别是倒坍时间，降低幅度达到50%之多，扩展时间也相应的缩短。这主要是由于改性材料中含有矿物微珠粉，微珠是微小的球体，球型率大，具有滚珠轴承效应，能降低混合物的黏度和内应力，提高流动性，从而可以大幅度发提高混凝土的流速，降低倒坍时间、扩展时间。

4.2混凝土黏度试验

为了能充分验证混凝土的粘度，分别将三个混凝土配合比拌和好后装入不锈钢容器中，然后将混凝土流变仪插入混凝土中，开动仪器，随着流变仪叶轮在混凝土中的转动，采集剪切应力与剪切速度数值，计算出混凝土粘度值，来表征混凝土粘度的大小。三个混凝土的粘度试验如图1所示，从图中可以看出，掺粉煤灰、矿粉的混凝土粘度最大，掺改性剂的混凝土粘度最小，说明在混凝土中掺入粘度改性剂可以降低混凝土粘度。

图1混凝土粘度对比曲线图

4.3混凝土水化温升试验

为了验证在混凝土中掺加改性剂对混凝土水化时温度的影响效果，根据塔柱第一节结构尺寸，在施工现场按照1:1的结构尺寸浇筑了高度为2米的塔柱试验块，采用1#、3#两个配合比同时浇筑，并在内部提前埋置测温探头，监控混凝土内部温升情况，测温结果如图2所示。从测温曲线中可以看出，掺粘度改性剂的混凝土内部温升要低于没有掺改性剂的混凝土。没有掺改性剂的1#混凝土在试验块浇筑1.5d后混凝土内部温度达到最高77℃，掺改性剂的3#混凝土配合比在试验块浇筑2d后混凝土内部温度达到最高63℃。两个混凝土温差达到14℃左右，同时3#混凝土内部温升速度要低于1#配合比。说明在混凝土中掺入粘度改性剂可以降低混凝土水化温度和速度，用于大体积混凝土中，可以有效的预防大体积混凝土因内部温度过高、温升速度过快等因素引起的温度裂缝。

图2混凝土水化温升对比曲线图

4.4混凝土抗压强度试验

粘度改性材料作为新型混凝土掺和料，和以前高性能混凝土相比不但降低了混凝土粘度还降低了混凝土整个胶材用量，同时水胶比又比高性能混凝土大。混凝土水胶比和强度一般成反比关系，水胶比大强度低，水胶比小强度高。为了验证混凝土强度关系，在做1#~3#混凝土拌合物性能时分别作了相应的混凝土试件以验证混凝土强度和耐久性，测试结果如表11所示。从强度发展曲线图3可以看出，1#、2#配合比因水泥用量、胶材用量比3#用量大并且水胶比比3#小，所以混凝土早期3d、7d强度比3#发展的快。随着混凝土龄期的增长，到56d混凝土强度基本接近。作为高性能混凝土为了控制混凝土水化速度过快，水化热集中释放，导致混凝土收缩增大、抗裂性降低，对混凝土耐久性不利，因此在混凝土配合比设计中往往要控制混凝土水化速度和早期强度。3#混凝土中掺入了粘度改性剂就降低了混凝土的水化速度，虽然早期强度较低但是随着混凝土龄期的发展，56混凝土强度还是接近1#、2#混凝土的强度，保证后期混凝土强度的稳定性。从三个混凝土配合比的强度和耐久性指标测试中可以看出，相同强度等级的混凝土掺粘度改性材料的比以往高性能混凝土在胶材用量上可以减少将近10%左右，水胶比可以提高0.02左右；同时不影响混凝土后期强度发展，这些措施都是有利于混凝土早期的水化速度的同时，可以降低混凝土的绝热温升，降低混凝土因内部温度应力造成的开裂风险。

综上所述，根据混凝土的试验测试结果，为了保证塔柱混凝土的施工质量，选择掺粘度改性材料的3#配合比用于连镇铁路五峰山长江大桥主桥4#墩塔柱混凝土施工。在实际工程使用中该配合比的混凝土表现出了较好的性能，很好地达到了工程要求。

图3混凝土强度发展对比曲线图

5结论

根据以上混凝土配合比对比试验测试结果，可以得出以下结论：

（1）作为一种新型混凝土改性材料可以用于塔柱高强超高混凝土结构中，可以降低塔柱混凝土的胶材用量，降低混凝土粘度，降低混凝土的水化热温升，有利于超高混凝土的泵送。

（2）在混凝土中掺入粘度改性材料，不但能降低混凝土的胶材用量，同时对混凝土的强度和弹性模量没有影响，对收缩率、电通量等耐久性指标有改善。

（3）在施工现场除了用塌落度、坍落扩展度度来反映混凝土流动性、和易性外，还可以使用倒锥时间来反映混凝土的粘度，倒锥时间短说明混凝土粘度小便于混凝土泵送。

参考文献：

[1]焦晓光，乔宏霞高强超高层泵送混凝土配合比设计研究《混凝土》6-2017：111-114.

[2]缪志勇，韩方玉矿井工程CF80~CF90高强混凝土的性能研究《混凝土》7-2017：119-122.

[3]苏祖平，娄邵铁路扩改工程C55高性能混凝土试验研究《生态建材》1007-046X（2015）03.

[4]中华人民共和国国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T50080-2016.

[5]中华人民共和国国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009.

作者简介：

刘须远（1979.03-），男，本科，工程师，试验检测师。