铜川—黄陵高速公路 (简称铜黄高速公路) 全长46.1km, 设计速度100km/h, 设计使用年限100年, 项目总投资57.58亿元, 是陕西省“两环六辐射三纵七横”高速公路网规划中重要路段, 在陕西省、西部地区乃至全国公路网中具有举足轻重的地位^[1]。该线路经过黄土台塬沟壑区和黄土梁峁沟壑区, 坡陡沟深、流水侵蚀普遍, 气候干燥、温差大、风速大, 地质与气候环境复杂恶劣, 对沿线混凝土工程提出了很高要求。

已有研究表明, 在复杂环境作用下, 混凝土材料性能加速衰减或劣化, 影响服役寿命, 甚至降低混凝土结构稳定性和安全性^[2]。为延缓恶劣环境对混凝土结构的不利影响, 开发具有优良耐久性的混凝土已成为必然趋势。研究显示, 采用活性矿物掺合料等工业废弃物复掺技术是制备高性能混凝土的主要技术手段, 矿物掺合料已成为制备高性能混凝土不可或缺的重要组分^[3,4,5,6,7]。陕北地区煤炭资源储量丰富, 火力发电厂与矿厂众多, 粉煤灰和矿粉资源相当丰富, 但利用率不足20%, 不仅浪费大量资源, 而且增加环境负荷。鉴于铜黄高速公路在我国路网工程中的重要地位及所处环境对混凝土高耐久性的要求, 结合当地丰富的粉煤灰和矿粉资源, 配制性能优良的C50高性能混凝土, 研究矿物掺合料对混凝土耐久性的影响。研究成果对指导陕西省及我国西部地区混凝土工程设计与施工、保证工程建设质量、废弃物再利用等具有重要意义。

1) 水泥采用P·O42.5级硅酸盐水泥, 3, 28d抗压强度分别为19.2, 46.6MPa、3, 28d抗折强度分别为3.9, 6.9MPa、初凝时间248min、终凝时间303min、比表面积357m²/kg、标准稠度25.8%、烧失量3.22%。

2) 粉煤灰采用II级粉煤灰, 细度18%、烧失量7.58%、比表面积360m²/kg、需水量比103%、SO₃含量0.46%、f-CaO含量0.32%。

3) 矿粉密度2.86%、烧失量0.31%、比表面积421m²/kg、流动度比98.62%、Cl^-含量0.05%、SO₃含量1.83%。

4) 集料细集料采用细度模数为2.6的河砂, 表观密度2.626g/cm³;粗集料采用5～25 mm连续级配碎石, 表观密度2.706g/cm³, 压碎值10.8%, 针片状颗粒含量6.6%, 堆积密度1 516kg/m³。

5) 外加剂采用聚羧酸高性能减水剂, 减水率>25%, 掺量为水泥质量的0.9%。

在前期试验基础上, 优选C50混凝土配合比, 胶凝材料用量477kg/m³、水胶比0.3、砂率40%、减水剂掺量为水泥质量的0.9%。混凝土胶凝材料组成及基本性能测试结果如表1所示。

1) 抗氯离子渗透性测试参考GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》^[8], 采用RCM法测试混凝土氯离子扩散系数, 试件尺寸为100mm×50mm。

2) 抗硫酸盐侵蚀性测试参考《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》, 以混凝土抗压强度损失率评价其抗硫酸盐侵蚀性, 试件尺寸为100mm×100mm×100mm。

3) 混凝土收缩值测试参考《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》, 采用接触法测试混凝土收缩值。试样尺寸为100mm×100mm×515mm, 试件在3d龄期时从标准养护室取出, 置于恒温、恒湿室测初始长度, 此后分别按1, 3, 7, 14, 21, 28, 45, 60, 90, 180, 360d龄期测试收缩值。

4) 抗裂性测试参考《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》, 采用初裂时间、每条裂缝平均开裂面积、单位面积裂缝数、单位面积上总开裂面积等指标评价混凝土早期抗裂性。试件尺寸为800mm×600mm×100mm, 采用放大倍数为100倍的读数显微镜观测裂缝。

式中:W_i为第i条裂缝最大宽度 (mm) ;L_i为第i条裂缝长度 (mm) ;N为总裂缝数 (条) ;A为平板面积 (m²) ;a为每条裂缝平均开裂面积 (mm²/条) ;b为单位面积裂缝数 (条/m²) ;c为单位面积上总开裂面积 (mm²/m²) 。

5) 抗冻性测试参考《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》, 采用快冻法测试混凝土抗冻性, 试件尺寸为100mm×100mm×400mm, 通过测试试件相对动弹性模量和质量损失评价抗冻性。

6) 孔结构测试从测完力学性能后破碎试样的中间区域挑选水泥石与集料粘在一起的部分, 烘干后浸入无水乙醇, 3～5d终止水化, 选取距粗集料表面<5mm的水泥石用于压汞法测试。

1) 抗氯离子渗透性基准混凝土 (C0) 、单掺粉煤灰混凝土 (C1) 、单掺矿粉混凝土 (C2) 、复掺矿物掺合料混凝土 (C3) 的抗氯离子渗透性测试结果如图1所示。

由图1可知, 与基准混凝土相比, 掺加粉煤灰和矿粉后的混凝土扩散系数显著降低, 表明矿物掺合料可改善混凝土抗氯离子侵蚀性。主要因为掺加矿物掺合料后, 混凝土孔溶液化学成分和孔结构发生改变, 结构更加密实, 从而导致混凝土扩散系数降低^[9]。矿物掺合料从以下几方面改善混凝土抗氯离子渗透性: (1) 矿物掺合料水化活性较强, 可在短时间内参与水泥水化反应, 降低混凝土氢氧化钙 (CH) 数量及择优取向程度, 生成二次水化产物C-S-H凝胶, 提高混凝土界面过渡区密实度, 优化界面过渡区物相组成和孔隙结构; (2) 粉煤灰与矿粉颗粒粒径相差较大, 细小的粉煤灰颗粒与矿粉颗粒可相互填充, 形成更好的密堆状态, 提高混凝土密实性, 从而更有利于形成低孔隙的硬化体系, 进而提高混凝土抗氯离子侵蚀性; (3) 矿物掺合料对氯离子及水化产物具有化学固化与物理化学吸附作用, 可增强混凝土与氯离子的结合能力, 提高混凝土抗氯离子渗透性^[10]。

2) 抗硫酸盐侵蚀性混凝土试件在5%Na₂SO₄溶液中浸泡90, 180d后的抗压强度损失率测试结果如图2所示。由图2可知, 与基准混凝土相比, 单掺粉煤灰或矿粉混凝土、复掺矿物掺合料混凝土在Na₂SO₄溶液中浸泡180d龄期的抗压强度损失率分别为22.3%, 20.1%, 16.7%, 降低了20.4%, 28.2%, 40.4%。测试结果表明, 掺加矿物掺合料有利于提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性, 主要因为: (1) 矿物掺合料的微集料填充效应、火山灰复合效应及活性效应优化混凝土内部孔隙结构和水化产物, 减少连通孔数量, 提高混凝土密实度, 从而阻碍侵蚀介质侵入混凝土内部, 提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力^[11]; (2) 复掺矿物掺合料的二次水化反应消耗混凝土体系中CH, 降低了硬化水泥石碱度, 形成一些只能在较高碱度条件下存在的水化产物分解 (高盐基水化硫铝酸钙分解为碱度较低的低盐基水化硫铝酸钙) , 从而减小了高硫型水化硫铝酸钙 (AFt) 形成的可能性, 主要形成单硫型水化硫铝酸钙 (AFm) 。AFt在碱度较高时, 在水化铝酸四钙 (或水化铝酸三钙) 固相表面生成细小针状并向四方放射状析出, 交叉搭建、相互挤压产生很大的膨胀应力;而在碱度较低时, AFt分解为AFm, 并在远离含铝固相表面的液相中析出结晶, 填充原来的充水空间, 增加水泥石密实度, 从而提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性^[12]。

3) 收缩性能矿物掺合料对混凝土收缩性能影响试验结果如图3所示。由图3可知, 掺加矿物掺合料可明显降低混凝土收缩值。与基准混凝土相比, 单掺10%粉煤灰, 混凝土360d收缩值降低17%;单掺20%矿粉, 混凝土360d收缩值降低19%;复掺粉煤灰和矿粉, 混凝土360d收缩值降低22%。主要因为矿物掺合料微集料填充效应和火山灰效应优化了混凝土孔隙结构, 矿物掺合料早期主要发挥微集料填充作用, 后期主要发挥火山灰效应, 在碱激发条件下生成胶凝组分, 优化混凝土毛细孔结构, 提高密实度, 从而有效抵消毛细孔内因失水而产生的应力。在混凝土中按适当比例复掺粉煤灰和矿粉, 可发挥二者效应的技术耦合性, 优势互补, 利用矿粉晶核作用及提高新拌混凝土碱度和OH^-含量作用, 激发粉煤灰活性, 促进粉煤灰发挥火山灰效应, 降低混凝土中晶体含量, 从而减少收缩值^[13,14]。

4) 抗裂性能用于观测混凝土早期裂缝的试件如图4所示, 混凝土平板约束早期裂缝指标检测结果如图5所示。由图4可知, 基准混凝土早期开裂情况较严重, 裂缝开裂面积和开裂数量均较大, 单位面积裂缝数27条/m², 平均裂缝面积6mm²/条, 总裂缝面积达164 mm²/m²。与基准混凝土相比, 单掺粉煤灰、矿粉或复掺矿物掺合料的混凝土裂缝数量及面积均明显降低, 初裂时间均在11h后, 初裂时间延长50%以上, 单位面积上总裂缝面积降至20mm²/m以下。表明掺加矿物掺合料可明显改善C50混凝土抗裂性能。这是因为矿物掺合料不但可以降低混凝土早期水化放热, 还可发挥微集料填充作用, 在降低水化放热不良影响的同时提高混凝土密实性, 阻止混凝土中水分向环境逸失, 从而提高混凝土早期抗裂性能^[15]。

5) 抗冻性能图6, 7所示分别为矿物掺合料对混凝土质量损失和相对动弹性模量影响的试验结果。由图6, 7可知, 与基准混凝土相比, 经历300次冻融循环后, 单掺粉煤灰混凝土质量损失降低24.5%, 相对动弹性模量提高6.8%;单掺矿粉混凝土质量损失降低25.2%, 相对动弹性模量提高8.9%;复掺矿物掺合料混凝土质量损失降低37.8%, 相对动弹性模量提高11.8%。表明掺加矿物掺合料可显著提升混凝土抗冻性能。主要因为矿物掺合料微集料填充作用和火山灰效应优化了混凝土孔隙结构和水化产物, 提高混凝土抵抗其内部水分发生冰冻膨胀产生应力的能力, 从而明显改善混凝土抗冻性能^[16,17,18]。

6) 孔结构分析混凝土是一种复杂的非均质多相体, 其耐久性很大程度上取决于侵蚀介质进入混凝土孔隙的可能性。1973年, 吴中伟院士依据孔级配、孔隙率2个因素, 提出各级孔的分孔隙率和该级孔影响系数的概念, 从而将混凝土中的孔划分为无害孔 (<20nm) 、少害孔 (20～50 nm) 、有害孔 (50～200 nm) 和多害孔 (>200nm) 。

压汞法测试混凝土孔隙试验结果如表2所示。由表2可知, 混凝土中掺加矿物掺合料对其孔隙结构有较大影响, 与基准混凝土相比, 单掺粉煤灰或矿粉混凝土总孔隙率和平均孔径均降低、复掺矿物掺合料混凝土总孔隙率和平均孔径进一步降低。相应地, 其少害孔、有害孔和多害孔比例降低, 无害孔比例增加。表明矿物掺合料可优化混凝土孔隙结构和水化产物、细化孔径、减小孔隙率及平均孔径^[19,20,21]。

鉴于铜黄高速公路在我国路网工程中的重要地位及其所处恶劣环境对混凝土高耐久性的要求, 本文结合当地丰富的粉煤灰和矿粉资源, 配制性能优良的C50高性能混凝土, 研究矿物掺合料对混凝土耐久性的影响, 得出以下结论。

1) 与基准混凝土相比, 掺加矿物掺合料显著降低混凝土氯离子扩散系数;单掺粉煤灰或矿粉明显降低混凝土90, 180d抗压强度损失率, 复掺粉煤灰和矿粉进一步降低抗压强度损失率, 表明掺加矿物掺合料可有效提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性。

2) 掺加矿物掺合料可显著降低混凝土收缩值, 延长初裂时间。与基准混凝土相比, 掺加10%粉煤灰, 混凝土360d收缩值降低17%;掺加20%矿粉, 混凝土360d收缩值降低19%;复掺粉煤灰和矿粉, 混凝土360d收缩值降低22%。复掺矿物掺合料混凝土明显减少裂缝数量和面积、延长初裂时间50%以上。

3) 掺加矿物掺合料可显著提升混凝土抗冻性能, 与基准混凝土相比, 经历300次冻融循环后, 单掺粉煤灰混凝土质量损失降低24.5%, 相对动弹性模量提高6.8%;单掺矿粉混凝土质量损失降低25.2%, 相对动弹性模量提高8.9%;复掺矿物掺合料混凝土质量损失降低37.8%, 相对动弹性模量提高11.8%。

4) 矿物掺合料可优化混凝土孔隙结构和水化产物、细化孔径、减小孔隙率及平均孔径。