鐵路橋梁用混凝土配合比設(shè)計(jì)

王 輝

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司國際公司， 天津市 3000000）

1 引言

作為鐵路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分， 橋梁在鐵路事業(yè)發(fā)展中有著重要作用。 但因橋梁用混凝土所處環(huán)境較復(fù)雜， 耐久性問題常常導(dǎo)致橋梁的部分性能失效， 使其使用壽命大大縮短， 因此對(duì)橋梁用混凝土配合比進(jìn)行研究， 是確保橋梁使用壽命的先決條件［1-2］。 當(dāng)前， 橋梁梁體用混凝土多為高性能混凝土， 該概念提出于20 世紀(jì)， 各國均對(duì)其進(jìn)行了一定的研究并得出相應(yīng)的認(rèn)知，如美國Mehta P.K.認(rèn)為在高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)中， 耐久性是其重要指標(biāo)； 歐洲 F.H.WIttmann 認(rèn)為配制高性能混凝土?xí)r應(yīng)摻入礦物摻合料， 并使用高強(qiáng)度低收縮的水泥； 我國著名專家吳中偉院士則認(rèn)為高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)過程中， 應(yīng)對(duì)其用水量和水灰比進(jìn)行控制， 以確保其各項(xiàng)性能。 在當(dāng)前社會(huì)， 高性能混凝土仍然屬于較新范圍， 人們對(duì)其開展的研究仍較少， 本文將通過對(duì)配合比設(shè)計(jì)的研究分析其與混凝土性能的聯(lián)系， 以期為后續(xù)同類研究提供參考。

2 梁體混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 理論配合比計(jì)算

對(duì)于C60 以上的混凝土， 根據(jù) 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》 進(jìn)行計(jì)算可確定， 配置梁體混凝土?xí)r有 69.6Mpa 的強(qiáng)度； 以 P·O 52.5 普通硅酸鹽水泥進(jìn)行混凝土的配制時(shí)， 計(jì)算可得梁體混凝土有 0.37 的水膠比［3］； 以混凝土的工作性能來選取其單位用水量， 針對(duì)5-20mm 的碎石粒徑， 有著 240kg·m-3的用水量， 據(jù)此可計(jì)算得出摻減水劑時(shí)需要163kg 的用水量； 以15%膠凝材料總量作為粉煤灰摻量， 根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求 ， 粉 煤 灰 摻 量 應(yīng) 在 400kg·m-3以 上 ， 且 在500kg·m-3以下， 基于減水劑性能， 以 1.1%的膠凝材料總量作為粉煤灰摻量； 基于自身經(jīng)驗(yàn)， 高性能混凝土宜使用35%-45%的砂率， 試驗(yàn)用砂采用2.8 的細(xì)度模數(shù)， 以及39%的砂率； 以假定表觀密度法對(duì)骨料用量進(jìn)行計(jì)算， 首先以2400kg·m-3作為混凝土表觀密度， 計(jì)算可得S0=699kg， G0=1092kg； 基于以上計(jì)算可知各材料理論用量為： 水泥 ∶砂 ∶粉煤灰 ∶ （5-20mm） 碎石 ∶減水劑 ∶水=374 ∶698 ∶65 ∶1091 ∶162 ∶4.84。

2.2 理論配合比試拌驗(yàn)算

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果， 通過試拌的方式對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試， 所得結(jié)果如表1 所示。

表1 試拌驗(yàn)證結(jié)果

從表1 中可知， 以理論計(jì)算進(jìn)行配制的混凝土有著200mm 以上的坍落度， 且28d 抗壓強(qiáng)度也在69.5mpa 以下， 無法符合要求。 究其原因可知， 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》 是基于混凝土約有1%含氣量， 且為標(biāo)準(zhǔn)原材料條件下所設(shè)計(jì)的配合比， 標(biāo)準(zhǔn)原材料需滿足干凈無雜質(zhì)的要求， 但具體設(shè)計(jì)過程中混凝土碎石有1.2%的含泥量、 0.2%的泥塊含量以及5%的針片狀顆粒含量， 河砂中約有2%的含泥量以及0.4%的泥塊含量， 同時(shí)， 混凝土中約有3.5%的含氣量， 因此按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程所設(shè)計(jì)的配合比無法得到滿足要求的混凝土， 需調(diào)整理論配合比。

2.3 配合比調(diào)整及驗(yàn)證

基于所用原材料品質(zhì)特征以及混凝土含氣量的多少修正所設(shè)計(jì)基準(zhǔn)參數(shù)， 對(duì)基準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行修正時(shí)通過所采用的原材料替換標(biāo)準(zhǔn)原材料， 且每次只進(jìn)行一種原材料的替換， 即一次一因素法。根據(jù)反復(fù)的替換， 找出最佳的參數(shù)， 最終配備出指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土。 從強(qiáng)度方面考慮時(shí)， 配制混凝土?xí)r所用的河砂中的泥以及泥塊有著 2%和0.4%的含量， 會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度有1Mpa-3Mpa 的下降， 因此若使用該河砂進(jìn)行混凝土配合比的設(shè)計(jì)時(shí)， 就需要進(jìn)行水膠比的修正。 理論上可采用在設(shè)計(jì)規(guī)程中基準(zhǔn)水膠比經(jīng)驗(yàn)公式中代入影響系數(shù)的方式進(jìn)行修正， 但實(shí)際上該種修正方式的目的在于使水膠比降低， 以對(duì)混凝土強(qiáng)度所受影響進(jìn)行補(bǔ)償。 因此可在雜質(zhì)對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響基礎(chǔ)上結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)直接調(diào)整水膠比。 水膠比調(diào)整后宜為0.36。 同理可知， 含有雜質(zhì)的碎石同樣會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度造成一定的影響， 因此還需結(jié)合含雜質(zhì)碎石的影響程度調(diào)整水膠比， 再次調(diào)整后水膠比宜為0.33。 混凝土的含氣量每上升1%， 混凝土強(qiáng)度則會(huì)有3Mpa-5Mpa的下降， 結(jié)合混凝土含氣量再次調(diào)整水膠比后宜為0.30。

從工作性能方面考慮時(shí)， 結(jié)合河砂所含雜質(zhì)， 及其對(duì)工作性能的影響程度， 在自身經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上， 直接調(diào)整用水量為164Kg， 同理考慮碎石對(duì)其產(chǎn)生的影響， 再次調(diào)整摻減水劑后用水量為166Kg， 考慮粉煤灰的減水作用以及混凝土含氣量， 將摻減水劑后用水量調(diào)整為145Kg。

重新調(diào)整混凝土各材料用量后的配合比如下表 2 所示， 試拌結(jié)果如表3 所示。

表2 混凝土調(diào)整后配合比

表3 試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以知道， 混凝土坍落度在用水量降低至144kg 時(shí)減小到了184mm， 符合要求。以抗壓強(qiáng)度的角度進(jìn)行考慮可知， 混凝土的7d抗壓強(qiáng)度在水膠比降低至0.28 時(shí)， 編號(hào)1 的試樣強(qiáng)度為 49.5Mpa， 編號(hào) 2 的試樣強(qiáng)度為 54Mpa，編號(hào)3 的試樣強(qiáng)度為57.2Mpa， 混凝土的28d 抗壓強(qiáng)度在水膠比降低至0.28 時(shí)， 編號(hào)1 的試樣強(qiáng)度為 65.4Mpa， 編號(hào) 2 的試樣強(qiáng)度為 71.2Mpa，編號(hào)3 的試樣強(qiáng)度為76.3Mpa， 均有所提高。 但混凝土28d 抗壓強(qiáng)度在 0.30 的水膠比下僅為69.5Mpa， 無法符合要求。 混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度在0.28 水灰比時(shí)遠(yuǎn)超配制強(qiáng)度， 缺乏經(jīng)濟(jì)性以及合理性。 故以 0.30 作為水膠比設(shè)計(jì)值， 以145kg·m-3作為摻減水劑后用水量的設(shè)計(jì)值， 配合比初步確定為∶水泥∶砂∶粉煤灰∶ （5-20mm）碎石 ∶減水劑 ∶水=410 ∶688 ∶71 ∶1077 ∶5.30 ∶144。

3 工作性能及力學(xué)性能

3.1 粉煤灰摻量

將粉煤灰摻入混凝土中可降低水泥用量， 使混凝土早期水化放熱有所降低［4］。 試驗(yàn)時(shí)所用粉煤灰等級(jí)為I 級(jí)， 使用 0.30 水膠比以及 145kg·m-3用水量。 提高粉煤灰摻量至 18%， 以此分析混凝土工作性能及力學(xué)性能與粉煤灰摻量的關(guān)系， 試驗(yàn)所用混凝土配合比如表4 所示， 粉煤灰摻量對(duì)混凝土工作性能的影響如圖1 所示。

圖1 粉煤灰摻量對(duì)混凝土工作性能的影響

表4 試驗(yàn)配合比 （單位： kg·m-3）

從工作性能上看， 混凝土坍落度與粉煤灰摻量呈正比例關(guān)系， 其原因在于粉煤灰存在形態(tài)效應(yīng)。 粉煤灰中大量的玻璃微珠在混凝土中可以起到減水勻質(zhì)的作用， 以使混凝土流變性質(zhì)得到改變［5］。 含氣量不會(huì)跟著粉煤灰摻量出現(xiàn)顯著的變化， 基本維持在3.5%左右， 均能符合要求。 從表觀密度上看， 混凝土表觀密度與粉煤灰的摻量呈反比例關(guān)系， 原因在于水泥密度較大， 粉煤灰取代了相同體積的水泥之后， 相當(dāng)于提高了漿體含量， 使得表觀密度有所下降。 同時(shí)漿體含量有所上升， 骨料表面有著更為充分的漿體包裹， 使混凝土有著更好的流動(dòng)性。 從強(qiáng)度上看， 混凝土7d 抗壓強(qiáng)度隨著不斷增加的粉煤灰摻量表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)， 28d 抗壓強(qiáng)度有較小下降， 但程度較小。 混凝土的7d 抗壓強(qiáng)度在粉煤灰摻量提升至18%時(shí)降低到了51.2Mpa， 原因在于混凝土早期水化導(dǎo)致堿含量不足， 導(dǎo)致粉煤灰活性難以激活， 水化速度較慢， 混凝土強(qiáng)度發(fā)展較慢。 越高的粉煤灰摻量條件下， 水泥摻量就越低， 7d 強(qiáng)度也就越低， 而在28d 時(shí)， 粉煤灰水化速度仍較慢， 在水化反應(yīng)時(shí)近有較少的粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度增長做出貢獻(xiàn)。 增加粉煤灰摻量至16%時(shí)， 強(qiáng)度僅有較小變化， 且有輕微下降的程度， 但在提升到18%時(shí)， 混凝土強(qiáng)度就有較大的降低幅度，故應(yīng)以16%作為粉煤灰的最大摻量。 若繼續(xù)增加粉煤灰摻量， 雖然能夠在一定程度上提升混凝土工作性能， 但其早期水化產(chǎn)物較少， 導(dǎo)致7d 抗壓強(qiáng)度較小， 無法符合張拉要求， 且28d 抗壓強(qiáng)度在69.6Mpa 以下， 無法滿足要求。 故綜合工作性能、 強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)性考慮之下， 應(yīng)以16%作為粉煤灰摻量。

3.2 粗骨料含量

實(shí)際施工時(shí)原材料質(zhì)量往往會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)， 特別是粗骨料含泥量［6］。 在混凝土配合比相同時(shí)， 以 1.5%、 1.3%以及 1%作為粗骨料含泥量開展試驗(yàn)。 試驗(yàn)所用配合比為： 405kg·m-3P·O52.5 水泥、 76kg·m-3粉煤灰、 688kg·m-3砂、1077kg·m-3（5-20m） 碎 石 、 144kg·m-3水 、5.30kg·m-3減水劑。 試驗(yàn)結(jié)果如下表 5 所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

配合比相同時(shí)， 坍落度、 7d 抗壓強(qiáng)度以及28d 抗壓強(qiáng)度隨著粗骨料不斷增加的含泥量均表現(xiàn)出較大的降低幅度， 編號(hào)2 的混凝土28d 抗壓強(qiáng)度在69.6Mpa 以上， 但編號(hào)1 的混凝土28d 抗壓強(qiáng)度在69.9Mpa 以下， 不符合要求。 故混凝土性能在含泥量增加時(shí)會(huì)有所降低， 混凝土質(zhì)量在其含泥量大于某一范圍時(shí)將會(huì)無法滿足指標(biāo)要求。 在最高為1.3%的粗骨料含泥量下， 混凝土性能仍可符合要求， 故具體施工時(shí)應(yīng)對(duì)粗骨料含泥量進(jìn)行控制， 或在使用粗骨料前先進(jìn)行清洗，控制其含泥量小于1.3%， 以確保質(zhì)量。

4 結(jié)語

從以上試驗(yàn)可知， 梁體的各項(xiàng)性能指標(biāo)在16%的粉煤灰摻量下能滿足指標(biāo)要求且狀態(tài)最佳。 在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制粉煤灰摻量， 以確?；炷粮黜?xiàng)指標(biāo)滿足要求。 具體施工時(shí)應(yīng)控制粗骨料含泥量在1.3%以下， 以確保混凝土設(shè)計(jì)質(zhì)量。