两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上, 处于青藏高原东侧边缘地带, 海拔高度为2 620～2 880m, 显著特点为海拔高、温差大、冬季干旱。木绒大桥设计高程为2 920.89m, 主桥上部结构为 (120+220+120) m三跨一联预应力混凝土连续刚构桥, 左岸引桥为3×16m现浇连续板桥, 右岸引桥为2×35m预应力混凝土T形梁桥, 主墩、交界墩为空心箱形混凝土薄壁墩, 两主墩高均为155m, 桥梁全长589m。主桥箱梁采用单箱单室截面, 箱顶板宽9m, 底板宽6m, 箱梁根部梁高14.0m, 中跨跨中及现浇合龙段梁高4.5m。箱梁0#块长15m、高14m, 每个T形梁结构向两侧各划分为25个节段, T形梁结构最大悬臂长度为108.5m。每个边跨现浇段分2个节段, 现浇段长4m。全桥共设3个合龙段 (2个边跨合龙段和1个中跨合龙段) , 每段长度均为2.0m。具有工期紧、任务重、施工难度大、安全及质量风险高、高寒、大风等特点。木绒大桥箱梁采用C60机制砂混凝土, 在工作性能、强度、抗冻融能力等方面均有较高的要求。

　　 随着我国经济和基础建设的不断发展, 在高海拔、大温差地区的工程数量大规模增加。国内学者在高海拔地区混凝土的配合比、耐久性、施工技术等方面的研究主要集中在混凝土的抗冻性^[1,2]、配合比优化^[3,4]、大体积混凝土的水化热^[5,6]等方面^{[1,2,3,4,5,6]}。对于机制砂混凝土方面的研究, 一般集中在强度C50以下的普通混凝土^[7,8,9,10], 硅质机制砂中石粉对外加剂的吸附作用制约了机制砂在高强混凝土中的应用^[11,12,13], 集中在机制砂混凝土的配合比、工作性能、力学性能和耐久性等方面^{[14,15,16,17]}。粉煤灰和硅粉是常见的混凝土掺合料, 粉煤灰的加入可以改善混凝土工作性能, 增加混凝土的流动性, 提高混凝土的后期强度^[18]。硅粉是一种活性极高的矿物掺合料, 颗粒尺寸极小, 可生产大量的C-S-H凝胶, 改善混凝土内部的微观结构, 从而改善混凝土力学性能和耐久性^[19,20]。机制砂混凝土的研究主要集中在常规条件下, 涉及高海拔、大温差条件下C60高强机制砂混凝土应用研究未见报道。

　　 本文研究粉煤灰、硅粉及引气剂掺量对C60高强机制砂混凝土工作性能、抗压强度和抗冻性能的影响, 明确影响因素和机理, 并应用于两河口木绒大桥悬臂箱梁。这对于高海拔、大温差地区机制砂高强高性能混凝土的推广和工程实践具有重大的意义。

　　 水泥采用某水泥股份有限公司生产的P.O 52.5水泥, 其基本性能指标见表1。粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰, 密度为2.55g/cm³, 各项指标均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》 (GB/T 1596—2017) , 具体性能指标见表2。硅粉为SF92微硅粉, 具体性能指标见表3。粗骨料为碎石, 分为大石子和小石子, 大石子粒径为10～20mm, 小石子的粒径为5～10mm, 大石子和小石子的质量比为7∶3。粗骨料性能指标见表4。机制砂级配好, 空隙率低, 为Ⅱ区中砂, 具体指标见表5。

　　 减水剂采用SMS高性能减水剂 (缓凝型) , 减水率为29%, 含固量为20.88%。引气剂采用AE引气剂, 减水率为10%, 泌水率比为32%, 含气量为5.8%, 掺入后对强度、耐久性的影响均满足技术要求。

　　 共制作5组试件, 选择水胶比分别为0.3和0.29, 不掺加引气剂的胶凝材料总量为553kg/m³, 在硅粉用量固定在胶凝材料的3%时, 调整粉煤灰占胶凝材料的比例分别为20%, 15%, 10%;在固定粉煤灰用量10%的条件下, 调整硅粉占胶凝材料的比例分别为3%, 5%;引入引气剂, 并减少胶凝材料用量, 降低混凝土的粘度, 胶凝材料用量为530kg/m³, 各组试件设计配合比见表6。

　　混凝土配合比 表6

　　 按照配合比制备C60混凝土, 分别在出机时和出机1h后测试各组混凝土的坍落度和扩展度, 各组试件具体数据见表7。

　　 由表6, 7可以看出, 粉煤灰掺量增大有利于混凝土的工作性能, 粉煤灰掺量为20%时, 混凝土出机时坍落度和扩展度分别比粉煤灰掺量为10%的组别增加15%和16%, 相应出机1h后的坍落度和扩展度也有所增加, 这是由于粉煤灰内部结构呈球形, 且需水量比较低, 粉煤灰良好的微珠效应有利于混凝土的和易性。硅粉掺量增加不利于混凝土的工作性能, 坍落度和扩展度均较低, 5%硅粉掺量混凝土出机时坍落度和扩展度分别为3%硅粉掺量混凝土的90%和88%, 且出机1h后坍落度和扩展度的增量也较小, 究其原因在于硅粉细度细, 表面的吸附性以及需水量比较大。引入引气剂, 虽减少胶凝材料和水的用量, 但是混凝土和易性好, 且扩展度和坍落度保持较好, 提高了泵送性能。由于掺加的外加剂为缓凝型外加剂, 各组混凝土的坍落度和扩展度在出机1h后均有所增加, 有利于泵送施工。

　　 分别测试各组混凝土的7d, 28d和56d的抗压强度, 结果见表8。粉煤灰的掺入降低了混凝土的早期7d抗压强度, 粉煤灰掺量20%的1组试件强度仅为粉煤灰掺量10%的3组试件抗压强度的90.3%, 其28d抗压强度也比粉煤灰掺量10%的3组试件略低;粉煤灰掺量15%, 20%的第1, 2组试件的56d抗压强度均比第3组大, 粉煤灰良好的后期抗压强度性能得以展现。混凝土的各龄期抗压强度随着硅粉掺量增加而增大, 尤其是早期7d抗压强度, 硅粉掺量5%的第4组混凝土7d强度较第3组增加了5.5%, 28d抗压强度也是各组最大的, 但由于硅粉比表面积大, 水化反应较快, 后期56d抗压强度增长缓慢。引气剂的加入对现场预留试块抗压强度的影响不大, 在减少胶凝材料用量的情况下, 第5组混凝土的7d, 28d抗压强度与第3组对比降低较少, 其原因一是水胶比低, 二是经过155m高度泵送后, 含气量有所降低。

　　 按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GBT 50028—2009) 对5组不同配合比的混凝土进行快速冻融试验。混凝土在标准养护条件下 (温度 (20±2) ℃, 相对湿度≥95%) 养护24d后, 将混凝土浸泡在温度为 (20±2) ℃的水中4d, 在28d时放入冻融机。混凝土的快速冻融试件尺寸为100mm×100mm×400mm, 冻融后测试抗压强度的试块尺寸为100mm×100mm×100mm, 在冻融循环一定次数后测试试件的质量和动态弹性模量。

　　 混凝土发生冻融破坏, 其最显著的特征是表面混凝土剥蚀, 质量发生损失。混凝土的质量损失率ΔW_n按下式计算:

　　 $\text{Δ}W{}_n=\frac{W{}_0-W{}_n}{W{}_0}\times 100\%(1)$

　　 式中:W₀为试件初始质量, g;W_n为n次冻融后试件质量, g。

　　 机制砂混凝土随冻融循环次数的增加, 表面的水泥浆开始逐渐脱落, 露出骨料, 主要发生在试件的端部。各组混凝土的质量损失随冻融循环次数的增加而增大, 混凝土剩余的相对动弹性模量随冻融循环次数的增加而减小, 具体数据见表9, 10。

　　 根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 (GB/T 50082—2009) , 混凝土的质量损失率大于5%、动弹性模量小于60%可视为混凝土快速冻融的破坏状态, 不加引气剂的1～4组混凝土试件在350次冻融循环时相对动弹性模量下降到初始的60%以下, 达到F300抗冻等级。加入引气剂有效地增加了混凝土的抗冻融能力, 混凝土在450次冻融循环时, 质量损失率才大于5%, 相对动弹性模量下降至冻融前的55.4%, 混凝土发生冻融破坏, 达到F400抗冻等级。粉煤灰和硅粉对混凝土抗冻融能力影响不大, 不同粉煤灰掺量和硅粉掺量的混凝土抗冻等级均为F300。用压汞法测试各组混凝土试件的孔结构分布, 结果见表11。由表11可以看出, 加引气剂的混凝土孔隙率略大于不加引气剂的混凝土, 各组混凝土的孔隙率差别不大, 但加入引气剂的第5组混凝土的平均孔径明显小于其他四组, 且孔径在20nm以下的无害孔数量明显增加, 达到总孔数量的33%。引气剂可以明显改善混凝土的抗冻融能力, 适合在高海拔、大温差地区使用, 究其原因在于, 混凝土的冻融破坏是由于内部毛细孔中的水结成冰, 造成体积膨胀, 以致破坏。引气剂的加入增加了混凝土中孔径20nm以下的无害孔, 当毛细孔中水结冰膨胀时, 无害孔的引入可以起到缓冲作用, 减小膨胀压力, 从而阻止混凝土内部结构发生破坏。

　　 混凝土的抗碳化能力和抗氯离子侵蚀能力是衡量混凝土耐久性的重要指标, 对工程结构的长期耐久性具有重大意义。碳化试验采用100mm×100mm×100mm的混凝土试块, 标准养护26d后, 在60℃干燥48h。然后将经过处理的试件移入二氧化碳浓度为 (20±3) %, 温度为 (20±5) ℃, 湿度为 (70±5) %的碳化箱中碳化, 经28d碳化后再取出试件, 滴加酚酞溶液测定其碳化深度。氯离子扩散系数试验采用NEL型混凝土快速真空饱水饱盐装置及混凝土渗透性电测仪。分别测试各组混凝土的加速碳化深度和NEL法氯离子扩散系数, 测试结果见表12。

　　 以未加引气剂、粉煤灰占比的10%、硅粉占比3%的第3组为对比组, 粉煤灰占比为20%和15%的第1, 2组分别是第3组碳化深度的125%和109%, 因此混凝土的碳化深度随粉煤灰掺量的增大而增加。粉煤灰会和混凝土中的氢氧化钙发生反应, 降低了混凝土的碱度, 使得混凝土抗碳化能力下降。提高硅粉用量可以提高混凝土抗碳化能力, 5%硅粉掺量的第4组混凝土的碳化深度是3%硅粉掺量的第3组混凝土的86.4%。第5组混凝土碳化深度为第3组的95.5%, 说明引气剂的加入对混凝土抗碳化能力略有提高, 但提高幅度较小。

　　 由表12可知, 混凝土的氯离子扩散系数随粉煤灰掺量的增加而减小, 随硅粉掺量的增加而减小, 加入引气剂也有利于提高混凝土的抗氯离子渗透能力。粉煤灰和硅粉的加入, 属于超细粉的引入, 这种微集料效应有效地改善了混凝土的内部微观结构, 内部更加致密可以更好地抵抗氯离子的扩散。以第3组为基准, 粉煤灰掺量提高10%, 氯离子扩散系数可以降低15.2%。硅粉掺量从3%提高至5%, 氯离子扩散系数降低了11.4%。在保证粉煤灰和硅粉掺量不变的情况下, 引气剂的加入有效地降低了混凝土氯离子扩散系数, 加入引气剂的第5组混凝土氯离子扩散系数较未加引气剂的第3组降低了9.5%, 说明引气剂的加入可以有效提高混凝土的抗氯离子渗透能力。

　　 通过以上试验, 得到木绒大桥高品质机制砂C60泵送混凝土悬臂梁的最优配合比, 见表13。使用表13中的配合比, 采用平板法测其抗裂性, 平板尺寸为600mm×600mm×63mm (图1) 。试件浇筑、振实、抹平后立即用塑料薄膜覆盖, 环境温度为30℃, 相对湿度为60%;2h后将塑料薄膜取下, 用电风扇吹混凝土表面, 风速为0.5m/s;从浇筑时起记录试件的开裂时间、裂缝数量、裂缝长度和宽度。

 最优配合比 表13

　　 混凝土浇筑后与模具形成一个整体, 模具上的约束钢筋位于平板试件的四周, 当混凝土塑性收缩时将受到平板和四周钢筋的约束, 当混凝土内部拉应力大于混凝土抗拉强度时, 混凝土产生开裂裂缝。平均开裂面积a、单位面积下开裂裂缝数目b、单位面积的总开裂面积c, 计算公式如下:

　　 $\begin{array}{l}a=\frac{1}{2{\rm N}}{\displaystyle \sum _i^{{\rm N}}W}{}_i\cdot {\rm I}{}_i\\ b=\frac{{\rm N}}{A}\\ c=ab\end{array}$

　　 式中:W_i为第i根裂缝的最大宽度, mm;I_i为第i根裂缝的长度, mm;N为总裂缝数目, 根;A为试验板面积, 取0.36m²。

　　 根据以上计算公式得到高品质机制砂C60泵送混凝土的抗裂试验结果见表14。从表14可以看出, 高品质机制砂C60泵送混凝土悬臂梁的最佳配合比混凝土1d产生开裂, 在试验过程中发现裂缝共3条, 裂缝最大宽度为0.2mm, 裂缝最长为20.3cm。根据表14中计算结果和表15的评价标准, 确定混凝土抗裂等级为Ⅱ级, 抗裂性良好。

　　 利用扫描电镜 (SEM) 观测混凝土内部微观结构, 结果见图3～5。

　　 由图2～4可以看出, 在7d时, 粉煤灰掺量20%的第1组混凝土微观结构较疏松, 还有较多未水化的粉煤灰微珠, 正是由于粉煤灰水化较慢, 所以粉煤灰降低了早期强度, 直到28d龄期, 在SEM中还能找到未水化的球形粉煤灰颗粒, 后期56d时, 大部分粉煤灰均已水化, 微观结构致密, 因此粉煤灰混凝土的56d强度增长较快。硅粉颗粒较细, 水化速率很快, 早期7d时, 水化就比较充分, 结构很致密, 28d, 56d时微观形貌依旧比较致密, 从而解释了硅粉混凝土的早期强度较高, 后期强度增长不大的现象。引气剂的加入, 增加了20nm以下无害孔的数量, 由于毛细孔径较小, 对混凝土的微观形貌影响不大, 反映在宏观强度上其与不加引气剂组的强度差别不大。

　　 综上所述, 在混凝土中加入引气剂, 在保证工作性能和力学性能的前提下可以提高混凝土的抗冻性能, 并具有良好的抗碳化、抗氯离子渗透能力, 使得混凝土有较好的工程耐久性, 适用于高海拔、高寒的工程。

　　 (1) 混凝土出机时坍落度和扩展度均大于180mm和440mm, 且出机1h后坍落度和扩展度均有所增加, 粉煤灰有利于增加混凝土的坍落度和扩展度。

　　 (2) 混凝土的28d强度均在71MPa以上, 粉煤灰不利于早期7d强度, 但后期56d强度增加显著;硅粉会增加混凝土的强度, 尤其是早期强度增加显著, 28d强度达到79.5MPa, 混凝土的SEM结果从微观上解释了宏观强度机理。

　　 (3) 不加引气剂的C60混凝土抗冻等级为F300, 引气剂可以减少胶凝材料总量, 降低粘度, 使结构中20nm以下无害孔增加, 从而有效改善混凝土抗冻融破坏能力, 使其达到F400抗冻等级。

　　 (4) 粉煤灰不利于混凝土抗碳化性能, 有利于混凝土抗氯离子渗透性能, 硅粉可提高抗碳化和抗氯离子渗透能力, 引气剂对混凝土碳化性能影响不大, 可有效提高抗氯离子渗透能力。

　　 (5) 木绒大桥高品质机制砂C60泵送混凝土在最佳配合比时的抗裂等级为Ⅱ级, 抗裂性能良好。