九江长江公路大桥超宽箱梁混凝土的耐久性试验研究_何伟兵

耐久性试验研究

12331

何伟兵，胡峰强，李北星，张剑峰，王运金

(1．江西省交通运输厅九江长江公路大桥项目建设办公室，江西

2．南昌大学建筑工程学院，江西

南昌

330031;

3．武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北

摘

九江332000;

武汉430070)

要：九江长江公路大桥是双塔双索面单侧混合梁斜拉桥，边跨预应力超宽箱梁采用C55高性能粉煤灰混凝土进行

施工。针对大桥所处环境条件提出了箱梁混凝土的耐久性设计指标，对骨料的碱反应活性及粉煤灰掺量对箱梁混凝土的抗碳化性能、抗硫酸盐侵蚀性能、抗氯离子渗透性能、抗冻性能的影响进行了试验研究。结果表明，工程施工所用砂石骨料不具有碱活性，在箱梁混凝土中掺入25%粉煤灰有助于提高混凝土的耐久性。关键词：超宽箱梁;高性能混凝土;粉煤灰;耐久性中图分类号：U44

文献标识码：B

九江长江公路大桥主桥设计为双塔双索面单侧混合梁斜拉桥，主跨818m采用钢箱梁，跨径居世界斜拉桥第六；南边跨预应力混凝土箱梁总长261.5m，跨径布置为70m+75m+84+32.5m，其中32.5m伸入主跨梁段。预应力混凝土箱梁为扁平流线型闭合箱形截面，采用单箱3室整体式断面，中心线处梁高3.6m，含风嘴顶板全宽38.9m，属于超宽混凝土箱梁。混凝土强度等级设计为C55，采用纵向分段分节支墩支架泵送工艺施工。

边跨预应力混凝土超宽箱梁为九江长江公路大桥的关键部位，其耐久性对于确保九江长江公路大桥的安全服役寿命达到100年至关重要。混凝土原材料的品质与质量波动的控制、混凝土配合比组成设计及混凝土施工工艺，都直接影响到混凝土的耐久性。为充分论证，本文结合九江长江公路大桥的建设，取用B1标边跨箱梁混凝土实际施工所用原材料，对箱梁混凝土的碱—骨料反应及掺与不掺粉煤灰的4个配合比的混凝土耐久性进行了全面系统的试验研究和对比分析。

金峰料场石灰岩碎石，4.75～9.5mm与9.5～19mm粒级按质量比3∶7合成；细骨料为赣江河砂，细度模数2.6。减水剂选用MAPEISX－C18（－2）缓凝型聚羧酸盐高性能减水剂，固含量29.7%，碱含量2.13%。

采用如表1所示的配合比进行超宽箱梁混凝土混凝土的耐久性试验，对比粉煤灰掺量0%、15%、25%、35%等4个箱梁混凝土配比耐久性的差异，其中FA25（粉煤灰掺量25%）为实际施工所采用的配合比。由表1混凝土的试验结果可以看出，混凝土的工作性随粉煤灰掺量增加而改善，抗压强度随粉煤灰掺量的增加而降低，但4个配比的7天和28天强度均能满足配制强度要求。

表1

编号

水泥粉煤灰FA0

495

075124173

水151151151151

砂

试验用箱梁混凝土配合比及基本物理力学性能结果

混凝土各原材料用量/kg·m－3

坍落度/抗压强度/MPa扩展度/

7天28天碎石减水剂mm

5．455．455．455．45

125/－72．6210/56065．6240/61560．9240/63056．4

81．379．777．770．1

7231131723113172311317231131

FA15420FA25371

1

1.1

试验材料与方法

混凝土原材料与配合比

FA35322

1.2

水泥为湖北华新水泥阳新有限公司的42.5级P·Ⅱ

水泥，3天、28天抗压强度分别为29.9MPa和53.7MPa，碱含量为0.59%；粉煤灰为华能阳逻电厂的I级粉煤灰，碱含量为1.46%；粗骨料为湖北阳新

基金项目：江西省交通运输厅科技项目(编号2010C00004)。

试验方法

（1）骨料碱活性试验，依据《水工混凝土砂石骨料试验规程》（DL/T5151－2001）中的岩相法和砂浆棒快速法进行。

（2）碳化试验，按照《水工混凝土试验规程》

作者简介：何伟兵(1969－)，男，江西赣州人，高级工程师，从事公路工程施工及管理。

2013年1期（总第97期）139

桥隧工程

（DL/T5150－2001）进行，试件尺寸100mm×100mm×100mm，养护龄期7天，碳化试验箱为CCB－70型。

（3）抗硫酸盐侵蚀性能试验，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082－2009）中的干湿循环—硫酸盐侵蚀试验方法，但硫酸钠溶液的浓度改为10%。试件尺寸100mm×100mm×100mm，养护龄期28天，以试件在干湿循环—硫酸盐侵蚀耦合作用下的抗压强度变化率来表征混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的高低。

（4）抗氯离子渗透试验，依据GB/T50082－2009中的RCM法测定，试件尺寸φ100mm×50mm，养护龄期28天，采用RCM－D型全自动混凝土氯离子扩散系数快速测定仪。

（5）抗冻性试验，依据（GB/T50082－2009）中的快冻法进行，试件尺寸100mm×100mm×400mm，养护龄期28天，冻融循环试验机为TDRF2型混凝土冻融试验设备，动弹性模量测试采用DT－9W动弹仪。

公路大桥环境类别属于大气污染环境Ⅴ类中的D级，其混凝土强度等级为C55、最大水胶比应≤0.36，钢筋保护层厚度（钢筋外缘至混凝土表面的距离）一般不应小于45mm。混凝土的抗渗性指标参考结构设计基准期100年的氯盐环境（D级）中的钢筋混凝土构件考虑，28天龄期的氯离子扩散系数（DRCM）≤7×10－12m2/s。考虑箱梁混凝土胶凝材料中主要成分为硅酸盐水泥，矿物掺合料掺量并不大，试配时DRCM值按≤4×10－12m2/s控制。

九江长江公路大桥预应力混凝土箱梁大跨径、超宽，承受弯拉荷载、弯压荷载和动荷载（疲劳荷载），受力模式复杂，环境作用对混凝土性能劣化的主要因素来自碳化、酸雨侵蚀和碱—骨料反应。因此，箱梁混凝土结构耐久性设计的重点应以限缩防裂、抗渗、减少徐变和中性化、防止钢筋锈蚀和碱—骨料反应为主。根据以上分析及国内外相关规范、工程实践，提出箱梁混凝土的耐久性设计指标为：（1）碱—骨料反应：应选用非碱活性骨料，单位体积混凝土中的可溶性总碱含量（等效Na2O当量）

3

≤3.0kg/m；（2）抗碳化性能：碳化28天的标准碳化深度≤15mm；（3）抗氯离子渗透性：28天龄期DRCM≤4.0×10－12cm/s；（4）抗冻性：28天龄期抗冻

2耐久性设计要求

九江位于长江中游，鄱阳湖畔，地处中亚热带向北亚热带过渡区，属亚热带湿润气候。最冷月（1月）的平均气温为4.5℃，略高于微冻地区最冷月平均气温－3℃～2.5℃，不属于冻融环境。考虑到最冷月（1月）平均最低气温为2.4℃，极端最低温度达可达－7℃，因此对大桥关键部位箱梁的结构混凝土的抗冻性能也需给予关注，抗冻等级要求不低于F150。

另外，九江市为酸雨控制区。根据《九江年鉴（2009）》，2008年九江市降水年均pH值为5.55，酸雨频率为24.3%。依据《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTG/TB07－01－2006）和《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476－2008），九江长江

等级≥F150。

3

3.1

耐久性试验结果与分析

碱－骨料反应3.1.1岩相分析

图1碎石岩相分析结果显示，碎石主要矿物为方解石，含量在98%以上，还含有少量铁质矿物。岩石中含较多的暗色角砾，这些角砾呈椭圆状或者扁平状，由隐晶质方解石组成。胶结物为微细粒隐晶质方解石，岩石中有局部结晶稍大的方解石集合体斑块。铁质矿物在岩石中星散状均匀分布，岩石裂隙中充填有碳泥铁质物质。该碎石无碱活性矿物。

图1碎石岩相分析结果

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图2为河砂岩相分析结果，河砂矿物碎屑主要为石英、微斜长石及少量白云母。岩屑主要为石英岩、火山岩、砂岩、少量花岗岩。砂粒磨圆度呈棱

角、次棱角—次圆状，砂粒粒度不均匀，大者磨圆度为中等，细粒者为棱角状。该河砂无碱活性矿物。

图2河砂岩相分析结果

3.1.2

碱－硅酸反应活性检测

为安全起见，进一步采用砂浆棒快速法对碎石、

CO2进入的通道，可以改善混凝土的抗碳化性能。FA0、FA15、FA25、FA35等4组混凝土试件养护7天后，经过28天标准快速碳化试验的结果显示，碳化深度均很小，几乎测定不出来（文中未列出数据），均近似为0，具有十分优良的抗碳化腐蚀能力。说明箱梁混凝土中掺入15%～35%的粉煤灰并未对其抗碳化性能产生负面影响，这与前人的研究结论是

河砂的碱－硅酸反应活性进行检测，表2结果表明，碎石与河砂的砂浆试件14天膨胀率分别为0.06%、0.05%，均小于0.10%的限定标准，由此可判定该碎石与河砂均不具有碱－硅酸反应活性。

表2

检验样品

骨料碱－硅酸反应活性检测结果

检验样品

砂浆试件膨胀率/%3天

7天

14天0．05

砂浆试件膨胀率/%3天

7天

14天

一致的。另外，也有文献指出，如果混凝土的水胶比不大于0.38，可不考虑混凝土结构的碳化问题。本研究中的箱梁混凝土水胶比为0.305，按照上述试验结果和文献所述，不会存在碳化而引起的钢筋锈蚀问题。

3.3抗硫酸盐侵蚀性能

由图3结果可以看出，干湿循环－硫酸盐侵蚀作用下混凝土的强度演变过程分为侵蚀前期的强度增长段和随后的强度劣化段两个阶段，即硫酸盐侵蚀对混凝土的损伤表现为：先致密后损伤。对比3种粉煤灰掺量的混凝土试件强度的变化可以得出，抗硫酸盐侵蚀性能大小顺序为FA25＞FA15＞FA35。说明在混凝土中掺入25%的粉煤灰较15%的粉煤灰更有利于改善混凝土的抗干湿循环－硫酸盐侵蚀性能，当粉煤灰掺量达到35%时，混凝土性能的损伤速率加快，降低了抗硫酸盐侵蚀性能。按GB/T50082－2009的规定评定，FA15、FA25、FA35等3组试件的抗硫酸盐等级分别为KS200、KS250、KS200。3.4

抗氯离子渗透性能

箱梁混凝土抗氯离子渗透性试验结果见图4。除FA0配比外，其它掺粉煤灰的3个配合比的氯离子扩

－122

散系数均满足耐久性设计要求（≤4.0×10m/s），且随粉煤灰掺量增加，氯离子扩散系数下降，说明粉

阳新金峰碎石0．0120．0290．06赣江河砂0．0180．04

3.1.3箱梁混凝土的碱含量

3

表2为试验所用4个箱梁配合比的每m的碱含量计算值。结果表明，随粉煤灰掺量增大，单方混凝

土的碱含量降低，除FA0配比的碱含量略超过3.0kg/m3的设计要求外，其他3个配比的碱含量均符合设计要求。

表3

箱梁混凝土碱含量

箱梁混凝土碱含量计算结果/kg·m－3

水0．01

FA03．04

FA152．78

FA252．63

FA352．44

箱梁混凝土原材料碱含量

测试结果/%

水泥0．59

粉煤灰1．46

减水剂2．13

注：混凝土总碱量=水泥带入碱量+粉煤灰有效碱含量+外加剂带入碱量+水带入碱量，其中粉煤灰中有效碱含量（可溶性碱）按总碱量的1/6计。

3.2抗碳化性能

粉煤灰对混凝土抗碳化性能的影响主要有2方面的作用，一方面粉煤灰掺入减少了水泥用量，同时粉煤灰与水泥水化产物Ca（OH）2又发生二次反应，消耗了大量的碱，使混凝土碱储备量明显下降，这可能会加速混凝土碳化进程；另一方面，对于低水胶比的高性能混凝土，由于粉煤灰的加入，改善了混凝土的内部孔结构和水泥浆体—集料的界面结构，减少了

煤灰的掺入提高了混凝土抗氯离子渗透性能，增进了混凝土的密实度。

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桥隧工程

图5箱梁混凝土的抗冻性试验结果

与初始值的比值）分别为：98%、98%、97%、96%，远远超过微冻地区设计基准期100年的混凝土抗冻耐久性指数DF≥60%的要求。

4结论

（1）在箱梁混凝土中掺入15%～35%的粉煤灰，对其抗碳化性能没有负面影响，提高了抗氯离子渗透性能，抗硫酸盐侵蚀性能以粉煤灰掺量25%为最佳，抗冻性有所下降，但抗冻等级均超过F400，具有很高的抗冻耐久性。

（2）九江长江公路大桥超宽箱梁混凝土施工所

3.5

抗冻性能

由图5结果可知，快速冻融到400次循环时，4组混凝土试件的质量损失率在2.75%～3.26%之间，

采用的是粉煤灰掺量25%的配合比FA25，其达到耐久性指标为：所用砂石骨料不具有碱活性，混凝土中

3

的碱含量小于3.0kg/m；养护7天的试件其28天标准碳化深度为0，28天龄期抗硫酸盐侵蚀等级达到

不超过5%，相对动弹性模量在69%～80%之间，不低于60%。因此，上述试件的抗冻等级均超过F400。随粉煤灰掺量增加，质量损失率略有增大，相对动弹性模量降低，说明粉煤灰对混凝土的抗冻性能有所降低。分析其原因可能在于，粉煤灰的活性较低，掺入混凝土中降低了混凝土的强度，从而加剧了混凝土的冻融劣化。

另外，FA0、FA15、FA25、FA35的抗冻耐久性指数DF值（即300次快速冻融循环后的动弹性模量

KS250，28天龄期氯离子扩散系数为3.24×10－12m2/s，28天龄期抗冻等级超过F400，均满足或超过耐久性设计要求。

参考文献：

［1］艾建强，闫东升，王贵明．青岛海湾大桥60m整孔预应力钢筋混凝

2010（18）：44－48．土箱梁耐久性质量控制．混凝土世界，

［2］朱艳芳，王培铭．大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能研究．建筑材

1999，2（4）：319－323．料学报，

［3］CECS207：2006，高性能混凝土应用技术规程．

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