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应用于超高桥塔的低收缩C60自密实混凝土的研究

丁庆军1，曹健2，李超1田倩3，张燕飞4，胡文军4

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430070；2.江苏省交通科学研究院股份有限公司。江苏南京210000

3.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211103；4.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉 430056)

摘要：利用聚羧酸分子结构的可设计性，通过分子剪裁与接枝技术，研制了具有超分散、保坍与减缩协同作用的高性能混凝土专用外加剂，利用该外加剂超分散水泥颗粒，提高水泥胶结性能，减小混凝土的收缩特性，实现了低水泥与低胶凝材料用量下配制低收缩、抗裂C60自密实混凝土。其性能指标为：初始坍落度/扩展度≥250mm/650mm，2h坍落度无损失，离析率＜15%，T500时间≤10s，28d抗压强度＞70MPa，28d干燥收缩率＜300×10-6，28d碳化深度＜5mm，84d氯离子迁移系数1.3×10-12m2/s，满足沪通长江大桥超高塔混凝土的设计要求。

关键词：超高桥塔;自密实混凝土;低收缩

1工程背景

沪通铁路是我国沿海通道中的重要组成部分，是鲁东、苏北与上海、苏南、浙东间最便捷的铁路运输通道，也是长三角地区快速轨道交通网的重要组成部分。沪通铁路上海至南通段北起江苏省南通市，向南跨长江后，接入京沪铁路安亭站，全线长137.308km[1]。主桥为两塔五跨斜拉桥，主塔为钢筋混凝土结构，桥面以上为倒Y形，桥面以下塔柱内收为钻石形。上塔柱采用八边形截面，中塔柱由上塔柱八边形渐变至六边形截面，下塔柱为单箱双室的六边形截面。塔顶高程+333m，塔底(承台顶）高程+8.0m，承台以上塔高325m。塔柱顺桥向尺寸14~21m，上塔柱标准段横桥向尺寸为14~15m，中塔柱和下塔柱横向尺寸为8.7~16.7m，塔身采用C60混凝土。桥塔由于布筋密集、所处的服役环境条件恶劣，需要桥塔混凝土具有良好的自密实性能与耐久性能。而目前常用的C60高强索塔混凝土水泥与胶凝材料用量普遍较高，混凝土收缩较大、水化温升高，塔柱内外温差大，导致混凝土出现收缩裂缝与温度裂缝，影响其力学性能与耐久性能。因此需要在低水泥与胶凝材料用量、低水胶比下实现桥塔混凝土的自密实、低收缩、抗裂与高耐久性。

2 原材料与试验方法

2.1 原材料

（1）水泥：安徽海螺水泥有限公司生产的P·O52.5普通硅酸盐水泥，性能指标见表1。

3 适用于超高桥塔的低收缩C60自密实混凝土的制备

3.1 C60自密实混凝土基准配合比的设计

采用密实骨架堆积高性能混凝土配合比设计方法[2]，进行混凝土基准配合比设计，配合比为水泥：粉煤灰：砂：石：水：外加剂（PC）=400：120：748：1076：156：9.36，基准配合比混凝土工作性能与力学性能如表3所示。

由于水泥用量的降低，导致粉煤灰相对掺量提高，而粉煤灰参与水化反应的速度和程度远低于水泥，其火山灰活性需要水泥的水化所形成的高碱性环境激发，在早期粉煤灰对体系的水化抑制作用非常明显，用粉煤灰部分取代水泥后，混凝土的干缩和自收缩均降低；此外，由于粉煤灰颗粒的弹性模量高于水泥水化产物，在水泥浆体内起着限制浆体收缩的作用，也可以在一定程度上减少混凝土的干缩和自收缩[5]。

考虑到本工程中索塔壁较厚（最大壁厚1.5m），属于高标号大体积混凝土，因此，需要采用S95级矿粉取代部分水泥，减少水泥用量，降低混凝土水化温升，避免因内外温差过大造成索塔出现温度裂缝。混凝土配合比见表7，相关性能见表8。

矿粉取代部分水泥和粉煤灰后，新拌混凝土工作性能得到一定的改善，早期强度较基准组有一定程度降低，但是随着水化龄期的延长，混凝土抗压强度逐渐得到发展，至60d龄期时，抗压强度与基准组相当。若从大体积混凝土角度考虑，则6#为最优选择，但是考虑到工期问题，以及本工程索塔的高度，混凝土脱模后在风力作用下水分蒸发速度快，若混凝土早期强度低，则混凝土极易出现收缩裂缝，为此，选择5#配合比。

然而，由于矿粉的火山灰反应的化学收缩大于水泥水化反应的化学收缩，矿粉的加入使混凝土的收缩率增大，尤其增大了混凝土的自收缩率，不利于混凝土抗裂性能的提升，因此，需要在此基础上，进一步对聚羧酸减水剂进行分子结构设计，使聚羧酸减水剂具有显著减少混凝土自收缩的功能，从而提高混凝土的抗裂性能。

3.3适用于超高桥塔的低收缩C60自密实混凝土

本文先由含双键的酸与聚醚缩合反应制得具有减水功能的大单体；其次，由马来酸酐类单体与二乙二醇二丙二醇类单丁醚缩合成具有减缩功能的单体；最后，由减水功能大单体和减缩功能单体及其他小单体在引发剂作用下进行共聚反应，制备出具有高效减水与减缩功能的外加剂JSS，在5#配合比的基础上，分别利用超分散保塑型外加剂JNT与减水减缩型外加剂JSS所制备的混凝土的相关性能见表9。

4 结论

（1）利用聚羧酸减水分子结构的可设计性，通过分子剪裁与接枝技术，合成了具有超分散降粘与高效保坍功能聚羧酸减水剂JNT，以及具有高效减水减缩协作用的聚羧酸减水剂JSS，通过调节两者的复配比例，在JSS:JNT=6:4时，制备出了超分散降粘保坍与减水减缩协同作用的C60索塔高性能混凝土专用外加剂，固含量25%，减水率30%。

（2）采用本文研制的外加剂，基于密实骨架堆积法的混凝土配合比设计方法，设计制备出：初始坍落度≥250mm，初始扩展度≥650mm，T500≈10s，且2h坍落度无损失，28d抗压强度＞70MPa，28d干燥收缩率＜300×10-6，28d碳化深度＜5mm，84d氯离子渗透系数＜1.5×10-12m2/s的低水泥与胶凝材料用量下低收缩C60自密实混凝土，满足沪通长江大桥超高塔混凝土工作性能、力学性能与耐久性能等设计要求。

参考文献

[1] 白慧明．沪通铁路长江大桥主跨1092m公铁两用斜拉桥方案技术可行性论证[J]．铁道建筑，2011(6)：1~4.

[2] 丁庆军，黄修林，王红喜，黄成造，景强．采用密实骨架堆积法设计高掺量II级粉煤灰高性能混凝土[J]．混凝土，2007，8：7~9.

[3] 郑国锋，刘永生，鲁统卫．聚羧酸高效减水剂保坍能力的初步探讨[J]．化学建材，2007，23(1)：50~51.

[4] WINNEFELD F，BECKER S，PAKUSCH J，et a1．Effects of the molecular architecture of comb-shaped superplasticizers on their performance in cementitious systems[J]．Cement &Concrete Composites，2007，29(4)：251~262.

[5] 高英力，周士琼．粉煤灰对水泥浆体化学收缩的影响[J]．混凝土，2002(6)：37~39.

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