高寒高海拔地區(qū)高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

吳 勇,毛寶地,梁凱軒,魯黨斌,屈有輝,李 闖,張西寧

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司 路橋工程公司, 陜西 西安 710000；2.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，西部地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加速。很多工程需要在青藏高原建設(shè)，由于普遍海拔較高，導(dǎo)致氣壓較低、紫外線強(qiáng)日照時(shí)間長(zhǎng)、氣溫較低且晝夜溫差較大。這種高海拔高寒地區(qū)的極端環(huán)境條件對(duì)混凝土的各項(xiàng)性能提出了更高的要求，特別是高強(qiáng)混凝土的耐久性。配合比的設(shè)計(jì)是影響混凝土性能最重要的因素之一，在相同原材料的情況下，調(diào)整配合比可有效改善混凝土和易性、物理力學(xué)性質(zhì)和耐久性，因此研究高寒高海拔地區(qū)高強(qiáng)混凝土的配合比設(shè)計(jì)對(duì)保障混凝土性能有重要意義。

目前已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高寒高海拔地區(qū)環(huán)境對(duì)混凝土性能的影響做出了相關(guān)研究。高海拔地區(qū)氣壓較低，使混凝土拌和時(shí)氣泡穩(wěn)定性差，氣泡間距系數(shù)增大，因此混凝土含氣量下降，致使和易性變差[1-4]。由于高寒高海拔地區(qū)相對(duì)濕度小、晝夜溫差大，對(duì)高強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)有不利影響，使混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度下降，對(duì)28 d及其以上齡期的混凝土影響更為顯著，同時(shí)，混凝土的耐久性也顯著降低[5-7]。而混凝土在早期長(zhǎng)時(shí)間處于高寒高海拔地區(qū)的環(huán)境中，使其在凝結(jié)硬化之前受到多次凍融，導(dǎo)致混凝土氣孔結(jié)構(gòu)劣化，產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，也將造成混凝土強(qiáng)度及耐久性下降[8-10]。在混凝土服役過(guò)程中，因較大的晝夜溫差引起的凍融循環(huán)破壞[11-13]，使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，使混凝土耐久性下降，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)，由于氣溫低，冰雪天氣較多，高寒高海拔地區(qū)冬季會(huì)在交通路橋面上使用除冰鹽，致使混凝土極易遭受氯離子侵蝕，加劇混凝土結(jié)構(gòu)的破壞[14-16]。高寒高海拔地區(qū)環(huán)境嚴(yán)重影響著混凝土的力學(xué)性能及耐久性能，而配合比的設(shè)計(jì)及優(yōu)化可以從根本上改善混凝土的各項(xiàng)性能，以保證結(jié)構(gòu)的正常使用。

本文依托某高寒高海拔山區(qū)高速公路建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)箱梁使用的C50混凝土配合比進(jìn)行研究。采用室內(nèi)試驗(yàn)分析海拔高度對(duì)混凝土的性能的影響，并通過(guò)摻入外加劑、調(diào)整水膠比等方式，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，改善混凝土的性能，以滿足施工要求。

1 高寒高海拔地區(qū)高強(qiáng)混凝土初步配合比設(shè)計(jì)

1.1 原材料選取

高強(qiáng)混凝土是指用常規(guī)的水泥、砂、碎石為原材料，使用一般的制作工藝，主要依靠高效減水劑或同時(shí)摻一定數(shù)量的礦物材料，使新拌混凝土具有良好的工作性能，硬化后具有高強(qiáng)性能的水泥混凝土。這種混凝土具有高強(qiáng)度、高耐久性、良好的工作性能以及適應(yīng)性，在高等級(jí)公路建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。

本項(xiàng)目箱梁使用C50高強(qiáng)混凝土，原材料均就近取材，水泥采用常規(guī)P.O52.5硅酸鹽水泥；粗集料采用礦山碎石，粒徑為5 mm～20 mm，級(jí)配良好，含石粉率為0.74%；細(xì)集料采用河砂，為中粗砂，含泥量為5.94%。

1.2 初步配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[17](JGJ 55—2000)得到C50混凝土配制強(qiáng)度為59.87 MPa，進(jìn)而確定水膠比為0.36，再選取每立方米混凝土的用水量和水泥用量，確定砂率，計(jì)算粗集料和細(xì)集料的用量，得到初步配合比見(jiàn)表1。

表1 C50混凝土初步配合比

1.3 高強(qiáng)混凝土性能測(cè)試

采用相同的配合比、相同的原材料分別在海拔400 m的西安和海拔2 800 m項(xiàng)目所在地甘肅省夏河縣(青藏高原邊緣)制作試件，編號(hào)分別為C-1、C-2、C-3、C-4、C-5、C-6和G-1、G-2、G-3、G-4、G-5、G-6。

混凝土拌和后先測(cè)得坍落度和含氣量，其中C組混凝土坍落度為34 mm，含氣量為1.1%；G組混凝土坍落度為20 mm，含氣量為0.8%。

混凝土試件蒸汽養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，持續(xù)蒸汽養(yǎng)護(hù)，并測(cè)得7 d、14 d的抗壓強(qiáng)度；齡期達(dá)到28 d時(shí)，測(cè)試抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、縱波波速、抗折強(qiáng)度等，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 初步配合比混凝土性能

由試驗(yàn)結(jié)果可以得出：

(1) 在低海拔區(qū)西安拌和的C組混凝土坍落度較大，含氣量適中，和易性、耐久性較高；而高海拔區(qū)拌和的G組混凝土坍落度和含氣量明顯下降，導(dǎo)致混凝土和易性和耐久性下降。

(2) 在低海拔區(qū)西安制作的C組混凝土試件抗壓強(qiáng)度平均值55.3 MPa，抗折強(qiáng)度平均值為8.1 MPa，動(dòng)彈性模量平均值為52.93 GPa，均滿足C50混凝土的規(guī)范值。而在高海拔區(qū)海拔2 800 m的項(xiàng)目所在地制作的G組混凝土試件抗壓強(qiáng)度平均值僅為49.5 MPa，下降了10.49%；動(dòng)彈性模量平均值為46.38 GPa，降低了12.37%。

(3) 在低海拔區(qū)西安制作的C組混凝土試件縱波波速平均值為5.177 km/s，混凝土較密實(shí)；而高海拔項(xiàng)目所在地制作的G組混凝土試件縱波平均波速為4.597 km/s。

綜上可得，隨著海拔高度的增加，混凝土坍落度、含氣量、抗壓強(qiáng)度和縱波波速均明顯下降，使得混凝土和易性、力學(xué)性質(zhì)和耐久性能全面下降，甚至在項(xiàng)目所在地，海拔2 800 m處，混凝土強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足使用要求?？梢?jiàn)隨著海拔高度的增加，大氣壓逐漸降低，加之氣候變得寒冷干燥，使得混凝土水化反應(yīng)變慢，甚至不能完全反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土密實(shí)度和力學(xué)性質(zhì)下降；同時(shí)，通過(guò)CT和核磁共振掃描發(fā)現(xiàn)高寒高海拔地區(qū)混凝土內(nèi)部氣泡數(shù)量減少，特別是微小氣泡數(shù)量明顯減少，且分布也極不均勻，這使得混凝土和易性和耐久性下降。

2 高寒高海拔地區(qū)高強(qiáng)混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知在高寒高海拔地區(qū)，按現(xiàn)有規(guī)范得到的高強(qiáng)混凝土配合比配制的混凝土強(qiáng)度未能達(dá)到要求，且和易性、耐久性較差，需通過(guò)加入外加劑改善混凝土性能。加入高效減水劑可提高強(qiáng)度和改善和易性；考慮加入引氣劑可提高耐久性，但導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。所以綜合考慮，提出兩種優(yōu)化方案，一是在初步配合比的基礎(chǔ)上加入高效減水劑；二是在初步配合比的基礎(chǔ)上降低水膠比的同時(shí)加入引氣劑，優(yōu)化后的配合比見(jiàn)表3。

表3 高強(qiáng)混凝土配合比優(yōu)化

2.2 高強(qiáng)混凝土性能測(cè)試

分別采用兩個(gè)配合比優(yōu)化方案，相同的原材料在海拔2 800 m項(xiàng)目所地甘肅夏河制作試件，編號(hào)分別為J-1、J-2、J-3和Y-1、Y-2、Y-3。

混凝土拌和后先測(cè)得坍落度和含氣量，其中J組混凝土坍落度為40 mm，含氣量為1.2%；Y組混凝土坍落度為35 mm，含氣量為2.5%。

混凝土試件蒸汽養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，持續(xù)蒸汽養(yǎng)護(hù)，并測(cè)得7 d、14 d的抗壓強(qiáng)度；達(dá)到28 d時(shí)測(cè)試抗壓強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、縱波波速、抗折強(qiáng)度等，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 混凝土性能

從表4可見(jiàn)，摻加減水劑的J組混凝土坍落度為40 mm，含氣量為1.2%，抗壓強(qiáng)度平均值為54.5 MPa，動(dòng)彈性模量平均值為46.3 GPa，抗折強(qiáng)度平均值為8.7 MPa，縱波波速平均值為4.556 km/s，滿足C50高強(qiáng)混凝土的性能要求。摻加引氣劑并降低水灰比的Y組混凝土坍落度為35 mm，含氣量為2.5%，抗壓強(qiáng)度平均值為52.0 MPa，動(dòng)彈性模量平均值為45.6 GPa，抗折強(qiáng)度平均值為8.5 MPa，縱波波速平均值為4.721 km/s，滿足C50高強(qiáng)混凝土的性能要求。

對(duì)比分析兩種優(yōu)化方案可見(jiàn)，Y組混凝土雖較J組混凝土力學(xué)性能稍有下降，仍能滿足強(qiáng)度要求。但坍落度、含氣量和縱波波速更大，說(shuō)明和易性更好、混凝土更密實(shí)、抵抗凍脹能力更強(qiáng)，在高海拔高寒地區(qū)抗凍耐久性更好。因此，采用摻加引氣劑并降低水灰比的方案更優(yōu)。

3 結(jié) 論

在高寒高海拔地區(qū)進(jìn)行混凝土施工時(shí)，由于環(huán)境的改變，規(guī)范推薦的混凝土配合比無(wú)法滿足混凝土的各項(xiàng)使用要求，需要摻入適量的外加劑并調(diào)整配合以滿足混凝土的和易性，提高力學(xué)性能和耐久性。本文通過(guò)試驗(yàn)分析了海拔對(duì)混凝土性能的影響，并通過(guò)兩種配合比試驗(yàn)得到了適合高海高寒地區(qū)的混凝土配合比設(shè)計(jì)方案。主要結(jié)論具體如下：

(1) 采用相同的配合比、相同的原材料，在不同海拔高度的試驗(yàn)室進(jìn)行混凝土試驗(yàn)?；炷撂涠?、含氣量、抗壓強(qiáng)度和縱波波速隨著海拔高度的增加均明顯下降，使得混凝土和易性、力學(xué)性質(zhì)和耐久性能全面下降。

(2) 在初步配合比的基礎(chǔ)上，提出摻加減水劑和摻加引氣劑并降低水灰比兩種優(yōu)化方案，試驗(yàn)結(jié)果表明摻加引氣劑并降低水灰比后，混凝土力學(xué)性能可以滿足規(guī)范要求，且和易性更好、混凝土更密實(shí)、抵抗凍脹能力更強(qiáng)，抗凍耐久性更好。因此，在高海拔高寒地區(qū)采用摻加引氣劑并降低水灰比的方案更優(yōu)。