箱梁高性能混凝土配合比試驗及質(zhì)量控制研究

楊 帥 鄒艷萍

1 概述

高速鐵路的預(yù)制箱梁里程往往占據(jù)線路比例較大，箱梁預(yù)制施工進(jìn)度直接影響總工程進(jìn)度。預(yù)制箱梁的預(yù)制進(jìn)度受制梁場資源配置、混凝土達(dá)到初張強(qiáng)度要求兩個因素的影響，在資源配置一定情況下，盡可能提高混凝土早期強(qiáng)度是提高施工進(jìn)度的關(guān)鍵。提高混凝土早期強(qiáng)度有兩個關(guān)鍵:1)通過選用合適的配合比;2)加強(qiáng)混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制，本文以高速鐵路工程制梁場預(yù)制箱梁生產(chǎn)過程為基礎(chǔ)，闡述預(yù)制箱梁混凝土配合比選用原則，以及混凝土質(zhì)量過程控制的關(guān)鍵要點。

2 配合比設(shè)計技術(shù)要求

依據(jù)設(shè)計圖紙、相關(guān)客運(yùn)專線標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，高速鐵路預(yù)制箱梁混凝土其技術(shù)指標(biāo)主要有以下要求:強(qiáng)度等級C50、彈性模量不小于35．5 GPa、抗(水)滲透等級P20、抗凍性F200、抗氯離子滲透小于1 000 C(庫侖)，抗裂性、護(hù)筋性、耐磨性以及抗堿—骨料反應(yīng)性滿足設(shè)計要求。

3 質(zhì)量、進(jìn)度控制的目標(biāo)

預(yù)制箱梁工序施工可以簡單的分為模板準(zhǔn)備→鋼筋安裝→混凝土灌注→養(yǎng)護(hù)(蒸汽)→預(yù)初張拉→移梁→終張拉→封端8大工序。其中前6個工序施工均在制梁臺座上完成，如何在有限數(shù)量的制梁臺座配置上，縮短工序施工占用的時間，提高混凝土早期強(qiáng)度滿足初張拉強(qiáng)度要求，是預(yù)制梁場進(jìn)度施工的關(guān)鍵。

《客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》對預(yù)制箱梁張拉工序施工明確規(guī)定:對C50預(yù)制箱梁進(jìn)行初張拉時，各部位同條件養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度應(yīng)大于設(shè)計強(qiáng)度的80%+3．5 MPa的標(biāo)準(zhǔn)差(也即43．5 MPa);進(jìn)行終張拉時，各部位同條件養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度應(yīng)大于設(shè)計強(qiáng)度+3．5 MPa的標(biāo)準(zhǔn)差(也即53．5 MPa)。

因而作為C50預(yù)制箱梁混凝土設(shè)計及質(zhì)量控制有兩個關(guān)鍵:1)混凝土設(shè)計齡期強(qiáng)度及耐久性指標(biāo)滿足混凝土強(qiáng)度設(shè)計技術(shù)要求。2)混凝土達(dá)到初張拉要求的80%設(shè)計強(qiáng)度，同條件養(yǎng)護(hù)齡期滿足工程施工進(jìn)度提出的齡期要求。如何選用合適的配合比是既滿足混凝土質(zhì)量要求，又滿足進(jìn)度要求的關(guān)鍵。

4 進(jìn)度要求

由于《客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》對預(yù)制箱梁張拉工序施工已明確規(guī)定:對預(yù)制箱梁進(jìn)行初張拉時，箱梁底、腹、頂板3個部位同條件養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度應(yīng)大于設(shè)計強(qiáng)度的80%+3．5 MPa(也即43．5 MPa)，在制梁臺座資源配置一定的情況下，盡量縮短混凝土早期達(dá)到43．5 MPa的時間，是加快制梁臺座周轉(zhuǎn)速度、提高進(jìn)度的關(guān)鍵。

某高鐵制梁場其最高月箱梁灌注完成量為56榀，按每月30 d計，其日澆筑完成量為1．87榀。按10個制梁臺座，每個臺座周轉(zhuǎn)的時間為5 d 8 h。其中初張拉提梁→模板準(zhǔn)備→鋼筋安裝→混凝土灌注約占用22 h，實際混凝土達(dá)到初張的有效齡期是4 d 10 h;也即要求混凝土灌注完成后4 d 10 h內(nèi)(或更短的時間內(nèi))必須達(dá)到43．5 MPa的強(qiáng)度。

進(jìn)度對配合比要求:C50混凝土，其配制強(qiáng)度 Fcu，k=50+1．645×σ=58．2 MPa(σ取5．0 MPa)，為使 C50混凝土在生產(chǎn)質(zhì)量滿足95%保證率要求，在5．0 MPa標(biāo)準(zhǔn)差一定的情況下，其混凝土28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度平均值應(yīng)不低于其配制強(qiáng)度。

根據(jù)進(jìn)度提出的混凝土強(qiáng)度達(dá)到43．5 MPa的要求齡期為4 d 10 h，當(dāng)混凝土的28 d強(qiáng)度以58．2 MPa控制時，則要求混凝土強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)在4 d 10 h的應(yīng)大于0．75(43．5/58．2)。通過典型混凝土強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)曲線圖1插值得3 d齡期強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)應(yīng)在0．67以上。

圖1 試驗混凝土強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)

圖2 C50混凝土強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)與時間的關(guān)系曲線

當(dāng)C50混凝土強(qiáng)度發(fā)展曲線如圖2所示時，其3 d強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)為0．61，4 d 10 h強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)為0．71，則要求混凝土生產(chǎn)時其28 d混凝土強(qiáng)度至少控制在61．3 MPa(43．5/0．71)以上，混凝土強(qiáng)度才能滿足箱梁預(yù)制進(jìn)度的要求，否則箱梁混凝土強(qiáng)度將制約箱梁預(yù)制進(jìn)度。

由此可知，作為C50預(yù)制箱梁配合比，應(yīng)優(yōu)先選擇具有較大的早期強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)的配合比，從而可適當(dāng)降低混凝土28 d控制強(qiáng)度，控制混凝土強(qiáng)度的富裕。

5 施工配合比的選用

根據(jù)生產(chǎn)需要，本制梁場分別進(jìn)行以下7個C50預(yù)制箱梁混凝土配合比設(shè)計試驗，試驗水膠比分別采用0．31，0．30;摻合料采用20%FMH+20%KZF，15%FMH+15%KZF，20%FMH，30%FMH以及10%FMH+15%KZF 5個組合比例進(jìn)行。根據(jù)表1，表2可知:1)7套配合比28 d標(biāo)準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度最小值62．3 MPa滿足不小于58．2 MPa配合比設(shè)計配制強(qiáng)度的要求;2)不同的摻合料摻配比例對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響。其中第2，3，5，7套均具有較高的3 d強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)。

配合比統(tǒng)計結(jié)果見表1，配合比強(qiáng)度及各齡期發(fā)展系數(shù)見表2。

表2 配合比強(qiáng)度發(fā)展關(guān)系統(tǒng)計表

據(jù)表2可知，第2，3，4套配合比混凝土具有較高的早期強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)，適用于本工程預(yù)制箱梁灌注施工;第7套配合比其3 d強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)0．65稍低，但其具有富裕后期強(qiáng)度，生產(chǎn)時應(yīng)按富裕的28 d強(qiáng)度控制，才能保證早期強(qiáng)度滿足箱梁預(yù)制的進(jìn)度要求。

6 混凝土質(zhì)量過程控制

混凝土配合比經(jīng)過合理選用后，在理論上滿足箱梁的進(jìn)度施工，但施工因素、原材料質(zhì)量的變化，也直接影響箱梁混凝土強(qiáng)度質(zhì)量。根據(jù)經(jīng)驗證明，地材質(zhì)量、外加劑摻量的波動是混凝土強(qiáng)度質(zhì)量主要影響因素。

6． 1 地材質(zhì)量的控制

《客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》明確提出了各原材料的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)?！都夹g(shù)條件》規(guī)定，預(yù)制箱梁砂含泥量、泥塊含量分別不大于2．0%，0．1%;碎石含泥量、泥塊含量分別不大于0．5%，0．1%。有試驗數(shù)據(jù)說明，天然砂的含泥量對外加劑的減水率、混凝土的保坍性能有較大的影響，當(dāng)砂含泥量超過3．0%時，混凝土將相對標(biāo)準(zhǔn)增加10%的拌合用水，30 min混凝土坍落度損失50%。因而作為預(yù)制箱梁用細(xì)骨料，其含泥量應(yīng)嚴(yán)格控制在不大于2．0%的范圍內(nèi)，不能滿足的原料砂可通過螺旋洗砂機(jī)進(jìn)行水洗處理，經(jīng)過水洗后的細(xì)骨料可有效保障混凝土生產(chǎn)質(zhì)量。

6． 2 外加劑摻量的控制

混凝土外加劑減水率質(zhì)量的波動，是直接影響箱梁混凝土強(qiáng)度質(zhì)量的重要因素。在外加劑滿足標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求但仍不滿足配合比施工的情況下，允許對外加劑摻量進(jìn)行合理調(diào)整。由于箱梁鋼筋結(jié)構(gòu)密集、預(yù)應(yīng)力管道分布復(fù)雜。要求箱梁入倉混凝土具有良好的流動性，一般要求，混凝土坍落度控制在18 cm～22 cm時，比較適合預(yù)制箱梁混凝土施工。因而就外加劑和質(zhì)量的波動等原因，要求每批外加劑進(jìn)場時必須進(jìn)行施工配合比驗證，通過合理調(diào)整外加劑摻量，使施工配合比出機(jī)坍落度、含氣量滿足設(shè)計要求，確保箱梁混凝土施工質(zhì)量。

以上兩個控制要點是箱梁混凝土施工中質(zhì)量控制的關(guān)鍵?？刂乒橇现泻嗔靠蓽p少外加劑摻量成本的增加，另通過調(diào)整外加劑摻量，可滿足由于原材料含泥質(zhì)量變動情況下，保證混凝土工作性滿足施工要求，同時保證水膠比不變動，進(jìn)而確?；炷翉?qiáng)度質(zhì)量。

7 混凝土質(zhì)量控制成果

7． 1 強(qiáng)度控制成果

根據(jù)556榀箱梁2 462組28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度結(jié)果說明:制梁場混凝土質(zhì)量控制取得較好的控制成果，混凝土平均值59．0 MPa、最小值 52．3 MPa、最大值 71．5 MPa、標(biāo)準(zhǔn)差 3．4 MPa。混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計強(qiáng)度等級要求、控制水平達(dá)到優(yōu)良。

7． 2 耐久性指標(biāo)質(zhì)量控制

由于配合比在設(shè)計過程中，已進(jìn)行堿—骨料反應(yīng)篩選，因而混凝土不存在堿—骨料反應(yīng)的可能，多次混凝土耐久性取樣，抗(水)滲透等級均大于P20，200次抗凍融重量損失率最大值為1．28%、相對動彈性模量最小值為90．7%，電通量最大值為551 C，耐久性檢測結(jié)果均滿足設(shè)計提出的P20，F(xiàn)200均小于1 000 C(庫侖)的技術(shù)要求。

7． 3 彈性模量控制成果

混凝土軸心靜力抗壓彈性模量主要取決于混凝土的強(qiáng)度及骨料的剛度，配合比參數(shù)差異對之影響不大，本工程骨料主要采用碳酸質(zhì)石灰?guī)r碎石骨料，混凝土彈性模量檢測結(jié)果居中。本工程556榀箱梁1 667組彈性模量試驗結(jié)果最大值45．3 GPa，最小值 37．6 GPa，平均值 41．4 GPa，標(biāo)準(zhǔn)差 1．1 GPa，均滿足設(shè)計提出的大于35．5 GPa的技術(shù)要求。

7． 4 張拉強(qiáng)度控制成果

混凝土張拉工序施工一般由試驗室進(jìn)行強(qiáng)度試驗合格后，通知制梁場進(jìn)行相應(yīng)的張拉工序施工，除終張拉有大于10 d的齡期要求外，張拉工序施工一般在強(qiáng)度滿足設(shè)計張拉強(qiáng)度要求即可。通過統(tǒng)計結(jié)果可知:制梁場混凝土達(dá)到初張拉的平均齡期為3 d 18 h，滿足高峰期提出的小于4 d 10 h的進(jìn)度要求。

8 結(jié)語

本工程實踐結(jié)果說明:作為預(yù)制箱梁混凝土配合比，應(yīng)選擇具有較高的早期強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)的配合比，且28 d混凝土強(qiáng)度應(yīng)控制在不低于配制強(qiáng)度的水平;當(dāng)配合比不能獲得較高的早期強(qiáng)度發(fā)展系數(shù)時，應(yīng)提高混凝土28 d強(qiáng)度，強(qiáng)度控制在高于配制強(qiáng)度的水平上，或者更富裕的強(qiáng)度。

在水電工程混凝土施工配合比設(shè)計時，可通過大幅度提高活性摻合料摻量，在保障強(qiáng)度滿足設(shè)計要求情況下，以達(dá)到改善混凝土和易性、節(jié)約成本，從而達(dá)到比較好的經(jīng)濟(jì)效果。同樣在鐵路預(yù)制箱梁混凝土配合比設(shè)計時，為了具有良好的耐久性能，改善混凝土和易性，在混凝土配合比設(shè)計時要求必須摻入適量的活性摻合料;但由于摻入過多活性摻合料后，混凝土早期強(qiáng)度低、后期強(qiáng)度高，不適應(yīng)工期進(jìn)度要求下箱梁混凝土工序施工。鐵路工程預(yù)制箱梁混凝土有其工程領(lǐng)域的特殊性，工期短、進(jìn)度快。根據(jù)工程總體進(jìn)度要求，各制梁場箱梁混凝土2 d～3 d強(qiáng)度必須達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的60%+3．5 MPa，3 d～4 d強(qiáng)度必須達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的80%+3．5 MPa，必要時可通過蒸汽養(yǎng)護(hù)提高混凝土成熟度。另外，箱梁混凝土相對富裕28 d強(qiáng)度不應(yīng)作為我們成本控制考慮的關(guān)鍵因素;相反，盡量提高配合比早期強(qiáng)度，縮短工程施工周期，降低運(yùn)營成本，才是控制工程總體成本的關(guān)鍵。

［1］ 蔣濱松，張忠歧．建筑廢料在混凝土工程中的再生利用［J］．混凝土，1999，115(5):41-42．

［2］ 鞠彥忠，王 菊．新型活性粉末混凝土的開發(fā)與性能研究［J］．東北電力大學(xué)學(xué)報，2006，26(2):10-12．

［3］ 劉紅彬，鞠 楊，葉光莉．活性粉末混凝土的制備技術(shù)與力學(xué)性能研究［J］．工業(yè)建筑，2008，38(6):74-78．

［4］ 孫占平．高性能混凝土(HPC)配制技術(shù)［J］．山西建筑，2010，36(8):177-178．