凍融環(huán)境下混凝土配合比的設(shè)計(jì)

王曉鋒

(中鐵十八局勘察設(shè)計(jì)院　天津300222)

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凍融環(huán)境下混凝土配合比的設(shè)計(jì)

王曉鋒

(中鐵十八局勘察設(shè)計(jì)院天津300222)

摘要：介紹了大西鐵路客運(yùn)專線土建六標(biāo)段仁義河特大橋承臺(tái)在凍融2級環(huán)境下，高抗凍混凝土(C35，F(xiàn)300)配合比的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法.

關(guān)鍵詞：凍融環(huán)境；配合比；抗凍試驗(yàn)

0引言

高寒地區(qū)結(jié)構(gòu)混凝土耐久性一直是個(gè)備受關(guān)注的問題，如何更好地保證混凝土質(zhì)量，降低成本，則是對混凝土配合比設(shè)計(jì)及外加劑的選用提出了更高的要求.現(xiàn)我國在北方高寒地區(qū)施工的基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目，混凝土抗凍性，一直需要更好的研究和完善，對保證混凝土質(zhì)量的前提下，如何節(jié)約降造，保證冬季施工進(jìn)度，提出了更高的要求.大西鐵路客運(yùn)專線仁義河特大橋起訖里程為DIK434+898.97～DIK435+795.00，孔跨布置為3×32.0 m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力箱梁+6×(64+64) m預(yù)應(yīng)力砼連T形剛構(gòu)；全橋共280根樁、14個(gè)承臺(tái)、14個(gè)墩、2個(gè)橋臺(tái).橋臺(tái)均為雙線一字形橋臺(tái)，橋墩包括圓端形橋墩和矩形空心橋墩兩種形式，設(shè)計(jì)速度250 km/h.

根據(jù)大西鐵路客運(yùn)專線仁義河特大橋所在地近50年氣象水文資料，當(dāng)?shù)貧夂驕夭钶^大(最大溫差19℃)，寒冷期長達(dá)169天(以當(dāng)日最低氣溫低于-1℃統(tǒng)計(jì))，每年的日最低氣溫低于-20℃日多達(dá)29天，因大橋部分承臺(tái)位于仁義河水位變化區(qū)，故承臺(tái)砼設(shè)計(jì)為凍融2級環(huán)境，這對混凝土配合比設(shè)計(jì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn).

1混凝土的凍融破壞機(jī)理

混凝土是一種多孔性材料，在拌制混凝土?xí)r為了得到必要的和易性,加入的拌和水總要多于水泥的水化水，這部分多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中，形成連通的占有一定體積的毛細(xì)孔，這種孔隙中的自由水就是導(dǎo)致混凝土遭受凍害的主要原因.吸水飽和的混凝土在凍融過程中遭受的破壞力主要由兩部分組成：一是膨脹壓力，二是滲透壓力.

另外，過冷水遷移滲透的結(jié)果必然會(huì)使毛細(xì)孔中冰的體積不斷增大，從而形成更大的膨脹壓力，當(dāng)混凝土受凍時(shí)，這兩種壓力會(huì)損傷混凝土的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過反復(fù)多次凍融循環(huán)后,損壞逐步積累并不斷擴(kuò)大，發(fā)展成相互連通的大裂縫，使混凝土的強(qiáng)度逐漸降低，最后混凝土結(jié)構(gòu)由表及里遭受破壞.

2高抗凍混凝土配合比設(shè)計(jì)

對于有凍融要求的混凝土配合比設(shè)計(jì)，就是在普通混凝土配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，把凍融耐久性考慮進(jìn)去，在我國目前的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中，高抗凍混凝土在滿足其他普通混凝土設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還必須滿足以下要求：

(1)高抗凍混凝土必須添加引氣劑，含氣量控制在5%～6%范圍內(nèi)；

(2)高抗凍混凝土必須提高混凝土的密實(shí)性，水灰比不應(yīng)大于0.55；

其中摻加外加劑的方法是最可靠的方法.具體設(shè)計(jì)與研究步驟如下：

2.1　合理選擇外加劑

對于抗凍要求高的混凝土來說，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，必須摻加引氣劑和減水劑.混凝土摻入引氣劑后，可在混凝土中引入微小氣泡，減緩膨脹壓力，不僅在表面無冰時(shí)減輕大體積冰誘導(dǎo)冰凍的出現(xiàn)，并且在過程中也減輕了冰擠出的損害，消納更多的毛細(xì)孔中冰凍所產(chǎn)生的多余體積，有助于保護(hù)混凝土免受損害，從而提高混凝土的抗凍能力；而摻加減水劑不僅能夠提高混凝土的和易性，節(jié)約水泥，更能降低混凝土的水灰比并使其充分水化，從而可能生產(chǎn)出實(shí)際上不包含可凍水的飽和混凝土及不包含毛細(xì)水的混凝土，而凝膠材料中空間極微細(xì)，結(jié)晶的始發(fā)十分困難，并不發(fā)生凍結(jié)，從而也能提高混凝土的抗凍能力.

高抗凍混凝土摻加外加劑有三種方法：(1)引氣劑單摻法；(2)引氣劑和減水劑雙摻法；(3)摻加減水引氣復(fù)合型外加劑.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，雙摻效果好，而摻加復(fù)合型外加劑更優(yōu)于雙摻.

本工程主要使用HT聚羧酸高性能減水引氣復(fù)合型外加劑.外加劑最優(yōu)摻量要根據(jù)混凝土抗凍設(shè)計(jì)標(biāo)號及所用原材料情況(骨料為5～31.5 mm碎石、2.6細(xì)度模數(shù)的中砂、吉崗P·O 42.5普通硅酸鹽水泥)，參考產(chǎn)品推薦摻量(水泥用量的1.0%)通過試驗(yàn)確定.

含氣量配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見表1，外加劑摻量試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取3個(gè)配合比進(jìn)行試配，選取含氣量范圍在5%～6%，試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表1含氣量配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

方 案123用水量/(kg·m-3)175170165外加劑摻量/%0.81.01.2水膠比0.390.380.37砂率/%363737坍落度/mm150150150容重/(kg·m-3)238023952400

表2外加劑摻量方案試驗(yàn)結(jié)果

摻 量/%0.81.01.2坍落度/mm175160175含氣量/%3.95.25.8和易性較好,稍泌水好好

由表1的試驗(yàn)結(jié)果可見，適當(dāng)增加砂率可保證混凝土密實(shí)；增加外加劑摻量，既可以減少混凝土用水量，又能保證混凝土的含氣量達(dá)到所要求的范圍，提高混凝土的抗凍性能，同時(shí)較好的和易性又能保證混凝土泵送施工

由表2的試驗(yàn)結(jié)果可見，外加劑摻量為0.8%時(shí)，和易性較好，稍泌水；1.0%摻量時(shí)，和易性好，但含氣量偏低；1.2%摻量時(shí)，和易性好，含氣量符合要求.考慮施工時(shí)運(yùn)輸、振搗等不可控制因素選擇，選用水泥用量的1.2%外加劑摻量最為合適，對混凝土成型后內(nèi)實(shí)外美提供保證.

2.2　配合比設(shè)計(jì)

一般情況下，摻外加劑混凝土配合比沒有特殊要求，可按普通混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在減水或節(jié)約水泥的情況下，應(yīng)對砂率、水泥用量、水灰比等作適當(dāng)調(diào)整.其步驟為：

2.2.1計(jì)算配制強(qiáng)度

Fcu,o=Fcu，k+1．645φ.

(1)

2.2.2根據(jù)保羅米公式計(jì)算W/C

fcl，n=ARc(C/W-B).

(2)

由于式(2)是在不摻外加劑和混合材料的情況下推導(dǎo)的，所以此公式算出的W/C，只能用做摻外加劑后計(jì)算減水率的參考.根據(jù)耐久性要求驗(yàn)證W/C是否滿足最大水灰比要求.

2.2.3計(jì)算用水量及膠凝材料用量

首先根據(jù)粗骨料的最大粒徑選擇用水量，然后求出水泥用量.由于使用減水劑和引氣劑，減水率可達(dá)15%～20%，以此算出實(shí)際用水量.根據(jù)耐久性要求，驗(yàn)證水泥用量是否滿足最小水泥用量要求.

2.2.4修正參數(shù)

由于使用外加劑，因此砂率和用水量都必須修正.

2.2.5根據(jù)假定容重法或體積法求出砂石用量.

2.2.6配合比優(yōu)化

對于引氣混凝土關(guān)鍵是看它的引氣效果是否達(dá)到要求，在外加劑摻量1.2%的情況下，選取表1的方案3作為基準(zhǔn)配合比，水膠比分別增加和減少0.05，用水量相同，砂率分別增加和減少1%，分別設(shè)計(jì)出3個(gè)配合比，見表3.

表3基準(zhǔn)配合比及調(diào)整配合比

方 案S-001S-002S-003用水量/(kg·m-3)165165165外加劑摻量/%1.21.21.2坍落度/mm150150150水膠比0.420.370.32砂率/%363738

根據(jù)表3的設(shè)計(jì)進(jìn)行混凝土配比試驗(yàn)，試樣的含氣量、坍落度、56天強(qiáng)度及凍融試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5和表6.

表4坍落度、含氣量、和易性試驗(yàn)結(jié)果

方 案S-001S-002S-003坍落度/mm190175125含氣量/%5.95.44.2和易性較好,稍泌水好好

表5抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa

時(shí)間/dS-001S-002S-003312.816.517.9525.733.337.65635.845.951.5

表6凍融試驗(yàn)結(jié)果 %

方 案S-001S-002S-003標(biāo) 準(zhǔn)強(qiáng)度損失率23167<25重量損失率3.91.70.6<5

由表4、表5和表6可見，方案S-001含氣量、凍融性能均滿足要求，但和易性稍差，坍落度偏高，抗壓強(qiáng)度值低；方案S-002不僅和易性好，且坍落度、含氣量、抗壓強(qiáng)度及凍融性能均滿足要求；方案S-003和易性較好，但坍落度、含氣量偏低，浪費(fèi)水泥.因此選取方案S-002的配合比作為最佳施工配合比.

2.3　現(xiàn)場施工

2011年10月16日，仁義河特大橋6#墩承臺(tái)選取方案S-002的配合比進(jìn)行混凝土(標(biāo)號C30F300)澆筑，對現(xiàn)場混凝土進(jìn)行和易性試驗(yàn)及試塊留置，并隨機(jī)各抽檢了4組8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)量跟蹤.試驗(yàn)及跟蹤結(jié)果顯示，混凝土和易性良好(坍落度滿足150～180 mm)，強(qiáng)度(>35MPa)、凍融性能(F300)等方面均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，全部合格.可見,采用方案S-002設(shè)計(jì)的配合比配制的混凝土各項(xiàng)性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，而且混凝土和易性完全能夠滿足施工需要.

值得注意的是，在測量含氣量的時(shí)候，還需要振搗，以消除氣泡，所以為保證配比的真實(shí)性，最好不要用測過含氣量的混合料再制作抗壓試件，以免產(chǎn)生試驗(yàn)誤差.

3結(jié)語

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果及施工效果分析，配制高抗凍混凝土最有效的方法除了添加減水劑外，還必須摻加引氣劑，同時(shí)盡可能減少單位混凝土用水量，選取最優(yōu)砂率，注意避免施工中消泡作用的工藝施工方法(如振搗和靜停時(shí)間過長等)，以保證發(fā)揮引氣劑的作用，才能達(dá)到提高混凝土抗凍要求及內(nèi)實(shí)外美的效果.

由于選取抗凍配合比的試驗(yàn)比一般普通混凝土試驗(yàn)周期長，故應(yīng)提前做好試驗(yàn)準(zhǔn)備，以保證在開工時(shí)得到正確的混凝土配合比，從而保證工程進(jìn)度及質(zhì)量.

參考文獻(xiàn):

[1]陳本沛.混凝土結(jié)構(gòu)理論和應(yīng)用研究的理論與發(fā)展[M].大連：大連理工大學(xué)出版社,1994.

[2]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB10005—2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2011.

(責(zé)任編輯鄧穎)

Design and Research of Concrete Mix Ratio under Freezing-thawing Environment

Wang Xiaofeng

(Survey and Design Institute, China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd., Tianjin 300222)

Abstract：The paper introduces a high anti-freezing concrete mixture (C35, F300) and its test method in the construction of the 6th Renyi River bridge pile caps of a railway passenger-dedicated line under the Level 2 freezing and thawing environment.

Key words：freezing-thawing environment; mix ratio; anti-freezing test

中圖分類號：U214.1+8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-293X(2015)10-0084-03

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2015.10.18

*收稿日期：2015-08-24

作者簡介：王曉鋒(1980-)，男，甘肅靖遠(yuǎn)人，工程師.研究方向：原材料質(zhì)量檢測及混凝土各類試驗(yàn)檢測.