周孝軍1，牟廷敏，丁慶軍3，范碧琨

(1．西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610041；3.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070)

·建筑與土木工程·

橋梁清水混凝土的耐久性研究

周孝軍1，牟廷敏2，丁慶軍3，范碧琨2

(1．西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，四川 成都 610041；3.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，湖北 武漢 430070)

根據(jù)橋梁工程特點與服役環(huán)境條件，提出橋梁清水混凝土耐久性設(shè)計思路與技術(shù)途徑，制備出滿足設(shè)計要求的高性能清水混凝土，試驗研究其微觀孔結(jié)構(gòu)特征、體積變形行為，以及抗氯離子滲透、抗碳化、抗凍與抗硫酸鹽侵蝕等耐久性指標。結(jié)果表明：制備的橋梁清水混凝土含氣量低，結(jié)構(gòu)密實；28 d自收縮率小于3.5×10-4，干燥收縮率小于4.0×10-4，體積穩(wěn)定性好；C40與C50混凝土56 d電通量分別為819 C與779 C，碳化深度分別為2.3 mm和1.8 mm；300次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率小于1%，相對動彈模大于95%；150次干濕循環(huán)時，抗壓強度耐蝕系數(shù)在85%以上，耐久性能優(yōu)越。

橋梁；清水混凝土；孔結(jié)構(gòu)；體積穩(wěn)定性；耐久性

清水混凝土，是指一次成型、不做任何外裝飾，直接采用現(xiàn)澆混凝土的自然色作為飾面的混凝土。它具有質(zhì)樸厚實、素面朝天的外觀特性，并省掉了抹灰等工序，被行業(yè)內(nèi)稱為“綠色混凝土”[1-3]。目前，國內(nèi)外關(guān)于清水混凝土的研究與應(yīng)用主要集中在建筑工程領(lǐng)域，且十分注重其表面平整光滑、棱角分明的藝術(shù)效果，對其耐久性的研究還不是很充分[3-5]。由于清水混凝土構(gòu)件取消了抹灰層和面層，長期裸露于外界環(huán)境中，直接受到外界環(huán)境的腐蝕作用，耐久性問題顯得更加突出[6-7]，尤其是在橋梁工程中，混凝土強度等級較民用建筑高，結(jié)構(gòu)構(gòu)造更復(fù)雜，服役環(huán)境更惡劣，對混凝土的耐久性能提出了更高的要求。

本文以實際工程為依托，分析探討橋梁清水混凝土耐久性設(shè)計思路與技術(shù)途徑，通過對混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)、體積變形行為以及系列耐久性指標進行試驗研究，對其耐久性進行全面闡述，以期為工程推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

成仁高速公路是成都天府新區(qū)的一條骨干道路，也是出川通道——成自瀘赤高速公路的重要組成部分，對加快川南城市圈發(fā)展，建設(shè)西部綜合交通樞紐有著舉足輕重的作用。該工程有一長10 km的高架橋，該橋大部分在城區(qū)穿行，要求橋梁結(jié)構(gòu)既安全耐久，又要與城市環(huán)境協(xié)調(diào)。因此，該橋梁結(jié)構(gòu)主梁與橋墩均采用了清水混凝土設(shè)計方案，對其外觀質(zhì)量與耐久性能提出了較高的要求。

2 原材料

P O.42.5水泥；天然河砂，細度模數(shù)2.5，含泥量1.8%，泥塊含量0.3%；石灰?guī)r質(zhì)碎石，粒徑5～25 mm連續(xù)級配，含泥量0.4%，針片狀含量1.7%，級配良好；V630型清水混凝土專用聚羧酸減水劑；纖維素醚，LH-70MR非速溶型，相對分子質(zhì)量20萬；I級粉煤灰，細度≤12%(0.045 mm方孔篩篩余)，需水量比92.6%；拌合用水為自來水。

3 配合比優(yōu)化設(shè)計

3.1設(shè)計思路

橋梁工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸大、構(gòu)造復(fù)雜、配筋密集，特別是預(yù)應(yīng)力箱梁腹板與底部以及T型梁馬蹄處混凝土密實施工難度大；因而要求混凝土具有較好的流動性與填充性，坍落度保持在180 mm以上且經(jīng)時損失小，保塑性、黏聚性、包裹性以及和易性好，同時收縮量小、體積穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)密實，以滿足結(jié)構(gòu)安全、耐久的要求。經(jīng)分析研究，改善混凝土的工作性能與耐久性，提高強度的設(shè)計思路有：采用專用外加劑，降低水膠比，嚴格控制用水量，提高混凝土拌合物工作性能，減少收縮；提高礦物摻合料摻量，適當(dāng)減少水泥用量，改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，提高體積穩(wěn)定性與微結(jié)構(gòu)的致密性；選擇合理增黏劑，控制漿體黏度，減少集料相對運動，保證不同密度的膠凝材料均勻分布，提高混凝土的勻質(zhì)性。

3.2配合比與物理力學(xué)性能

根據(jù)橋梁清水混凝土性能要求，采用密實骨架法進行集料組成設(shè)計，結(jié)合耐久性設(shè)計思路，通過試驗試配調(diào)整，制備了C40、C50橋梁清水混凝土，其配合比與物理力學(xué)性能如表1所示。混凝土黏聚性、包裹性好，初始坍落度在210 mm以上，擴展度在540 mm以上，具有很好的流動性，1 h后工作性能雖有一定損失，但仍具有較好的流動度，工作性能與抗壓強度均滿足設(shè)計要求。

表1 混凝土配合比與其物理力學(xué)性能

4 試驗測試與分析

4.1微觀孔結(jié)構(gòu)

微觀孔結(jié)構(gòu)是混凝土致密性的表征方式，混凝土微結(jié)構(gòu)越密實，其強度越高，抗碳化、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能越好[8-10]。采用氣孔法，利用MIC.840.01型硬化混凝土孔隙結(jié)構(gòu)測定儀，分析測試了橋梁清水混凝土28 d齡期時的孔結(jié)構(gòu)分布(如圖1所示)，具體氣泡特征參數(shù)與測試結(jié)果如表2所示。

圖1 混凝土氣孔分布數(shù)字圖像

表2 橋梁清水混凝土氣泡特征參數(shù)

試樣氣泡個數(shù)累計氣泡面積/mm2平均氣泡直徑/μm含氣量/%比表面積/(μm2·μm-3)氣泡間隔系數(shù)/μmC40-11588．5136．11．60．019951．4C40-21799．3139．31．60．019902．6C40-33078．9105．71．60．032608．6C50-122112．5141．42．00．02720．5C50-224814．5148．32．00．021685．4C50-341711．6100．52．00．034529．5

試驗表明，C40、C50橋梁清水混凝土的含氣量低，累計氣泡面積與平均氣泡直徑較小，氣泡間隔大，結(jié)構(gòu)致密性較好。由于C50橋梁清水混凝土膠凝材料用量相對較多，漿體黏度大，氣泡不易排出，因而與C40混凝土相比，其含氣量偏大，氣泡個數(shù)偏多。可見，由于采用最密實骨架堆積設(shè)計最大限度減小了集料孔隙率[11]；高摻粉煤灰發(fā)揮了良好的填充效應(yīng)；另外采用清水混凝土專用減水劑提高混凝土工作性能、降低含氣量。多種技術(shù)措施復(fù)合作用很好地改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高了其致密性。

4.2體積穩(wěn)定性

橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大，混凝土易收縮開裂而影響構(gòu)件表面的完整性與清水效果，對其耐久性也將造成嚴重影響[3]。測試了橋梁清水混凝土的自收縮與干燥收縮隨齡期的發(fā)展模式(如圖2、圖3所示)，并與采用普通減水劑、相同配合比制備的普通混凝土進行對比，探討其體積變形性能。

圖2 自收縮

圖3 干燥收縮

由圖2、圖3可見，C40、C50橋梁清水混凝土的早期自收縮發(fā)展較快，7 d后趨于穩(wěn)定，28 d時的自收縮率小于3.5×10-4，與普通混凝土自收縮變化規(guī)律一致，各齡期的自收縮率接近，自收縮均較小。橋梁清水混凝土的干燥收縮隨齡期的變化規(guī)律與普通混凝土相似；但相同齡期時，橋梁清水混凝土的干燥收縮率較普通混凝土小，且其28 d時的干燥收縮率小于4.0×10-4，干燥收縮小。主要因為橋梁清水混凝土孔隙率低，混凝土致密性好，減少了水分的蒸發(fā)，從而降低了混凝土的干燥收縮，體積穩(wěn)定性好。

4.3耐久性能

橋梁清水混凝土的耐久性不僅與橋梁結(jié)構(gòu)安全性密切相關(guān)，同時將直接影響混凝土構(gòu)件的外觀質(zhì)量[3]。系統(tǒng)測試了橋梁清水混凝土的抗氯離子滲透、抗碳化、抗凍與抗硫酸鹽侵蝕等耐久性指標。由于配合比摻入了大量的粉煤灰，使得后期混凝土更加密實，耐久性增強。為了準確評價其耐久性，試件測試齡期均為56 d，結(jié)果如表3所示。

表3 耐久性測試結(jié)果

4.3.1 抗氯離子滲透性

試驗表明，制備的C40與C50橋梁清水混凝土56 d齡期的電通量平均值分別為819 C與779 C，均較普通混凝土同齡期的電通量低，且小于1 000 C的技術(shù)指標要求，混凝土的抗?jié)B性能很好。主要是由于混凝土配合比設(shè)計中粉煤灰摻量較高，同時通過摻加增黏劑促使其在漿體中均勻分布；因而對水泥顆粒的分散與填充作用較好，使水泥水化更充分，改善了微觀孔結(jié)構(gòu)，降低了內(nèi)泌水，提高了密實度，增強了漿體與集料界面過渡區(qū)強度，進而提高了混凝土的抗?jié)B性能。

4.3.2 抗碳化

由于采用了清水混凝土專用外加劑，C40、C50橋梁清水混凝土含氣量低，同時高摻粉煤灰的微集料效應(yīng)，優(yōu)化了孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率，混凝土致密性好，56 d碳化深度分別為2.3 mm和1.8 mm，均小于同配合比采用普通外加劑制備的混凝土同齡期的碳化深度，其抗碳化性能更好。

4.3.3 抗凍性

所有試件經(jīng)300次凍融循環(huán)后，均沒有出現(xiàn)破壞，質(zhì)量損失率在1%之內(nèi)，相對動彈模大于95%，具有良好的抗凍耐久性能；但與同配比的普通混凝土相比，由于清水混凝土含氣量低、孔隙率小，其抗凍性能略低。

4.3.4 抗硫酸鹽侵蝕

經(jīng)受150次干濕循環(huán)時，橋梁清水混凝土的抗壓強度耐蝕系數(shù)在85%以上，較同配比的普通混凝土略高，具有很好的抗硫酸鹽侵蝕能力。分析認為，由于橋梁清水混凝土配合比中粉煤灰摻量較高，粉煤灰具有火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)及微集料效應(yīng)：一方面，粉煤灰顆粒本身阻塞硬化漿體中連通的孔隙；另一方面，粉煤灰水化反應(yīng)的產(chǎn)物填充孔隙，從而細化了硬化水泥漿體的孔徑，改善了孔結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)[8,12]。另外，采用清水混凝土專用外加劑，其含氣量低，進一步降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的整體密實性能，增強了混凝土的抗?jié)B性能。因此，橋梁清水混凝土與同配比的普通混凝土相比，抗硫酸鹽侵蝕性能更好。

5 結(jié)論

1)提出的橋梁清水混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計思路合理。制備的C40、C50橋梁清水混凝土包裹性、黏聚性、流動性好，工作性能與力學(xué)性能滿足設(shè)計要求。

2)橋梁清水混凝土含氣量低，硬化漿體中累計氣泡面積與平均氣泡直徑小，氣泡間隔大，結(jié)構(gòu)致密。

3)橋梁清水混凝土28 d時的自收縮率小于3.5×10-4，自收縮小，與同齡期普通混凝土的自收縮率接近，變化規(guī)律一致；28 d時的干燥收縮率小于4.0×10-4，干燥收縮小，變化規(guī)律與同齡期普通混凝土相似，但干燥收縮率小，體積穩(wěn)定性更好。

4)橋梁清水混凝土具有很好的耐久性能，56 d齡期的電通量分別為819 C與779 C，較普通混凝土同齡期的電通量低，抗?jié)B性能好；56 d碳化深度分別為2.3 mm和1.8 mm，較普通混凝土同齡期的碳化深度小，抗碳化性能更優(yōu)；300次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率在1%之內(nèi)，相對動彈模大于95%，抗凍性好；150次干濕循環(huán)時，抗壓強度耐蝕系數(shù)在85%以上，較普通混凝土略高。

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(編校：葉超)

ResearchonDurabilityofBridgeFair-facedConcrete

ZHOU Xiao-jun1, MOU Ting-min2, DING Qing-jun3, FAN Bi-kun2

(1.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China;2.SichuanProvincialTransportDepartmentHighwayPlanningSurveyDesignandResearchInstitute,Chengdu610041China;3.StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070China)

According to the structural characteristics and service environment of bridge engineering, the durability design idea and technical approaches of bridge fair-faced concrete are put forwarded, and concrete with high working performances and good mechanical properties is prepared. The micro pore structure characteristic, volume deformation performance, chloride penetration resistance, anti-carbonation, antifreeze and sulphate resistance properties of the concrete were investigated. The research results show that bridge fair-faced concrete prepared had low gas content, relatively dense microstructure, excellent volume stability and outstanding durability. Autogenous shrinkage rate is less than 3.5×10-4and drying shrinkage rate is less than 4.0×10-4at the age of 28 days. Electric flux of C40 and C50 concrete are 819C and 779C respectively, and the carbonation depths are 2.3mm and 1.8mm respectively at the age of 56 days. After 300 times of freeze-thaw cycling, the quality loss of all test specimens are less than 1%, and the relative dynamic elastic modulus are greater than 95%. And the compressive strength corrosion coefficient of the specimens are above 85% at 150 times of wet-dry cycling.

bridge; fair-faced concrete; pore structure; volume stability; durability

2014-07-19

四川省交通科技項目(2011D-05)

周孝軍(1985—)，男，講師，博士，主要研究方向為高性能混凝土及其結(jié)構(gòu)性能。

U444/TU528

：A

：1673-159X(2015)03-0104-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.03.022