高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

李瑞亮

（中鐵十四局集團(tuán)鐵正檢測(cè)科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

橋梁混凝土設(shè)計(jì)年限一般為100年，且容易受到復(fù)雜環(huán)境及列車(chē)行駛沖擊的影響，造成使用性能下降，使得混凝土后續(xù)維修養(yǎng)護(hù)的成本增大。高性能混凝土能夠有效避免普通混凝土性能不足的缺陷，粉煤灰的摻入是制備高性能混凝土的重要途徑?？茖W(xué)合理的摻和料配比能夠提升混凝土抗腐蝕、抗裂、抗拉、經(jīng)濟(jì)等指標(biāo)。除此之外，高性能混凝土能夠適應(yīng)復(fù)雜工況。開(kāi)展高性能混凝土研究具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

1 工程概況

昌平特大橋軸線呈東－西走向，所處地面標(biāo)高分布在10～20m 之間。全橋長(zhǎng)度28.526km，跨206 國(guó)道、璇河、膠萊河、榮烏高速等重要交通要道及河流，是昌邑市昌邑站連接平度市新河站控制性工程。本文就跨206 國(guó)道槽型梁進(jìn)行論述，跨206 國(guó)道槽型梁為鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋，橋長(zhǎng)2×32.6m，設(shè)計(jì)車(chē)速250km/h，梁體底寬6.18m，槽型結(jié)構(gòu)內(nèi)凈寬4.962m，腹板跨中厚0.56m，梁端厚0.82m。依據(jù)橋梁所處環(huán)境，選取石灰?guī)r碎石作為粗骨料。橋梁設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55，所處環(huán)境類(lèi)別為T(mén)2 碳化環(huán)境，含氣量在3.0%～6.0%，總堿含量≤3.0kg/m，氯離子總含量≤膠凝材料總量的0.06%；三氧化硫總含量≤膠凝材料總量的4.0%，電通量要求＜1000C，抗凍等級(jí)≥F200。針對(duì)該橋梁混凝土較高的強(qiáng)度及耐久性要求開(kāi)展高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)。其中，配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：混凝土7d 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%，且混凝土7d 彈性模量達(dá)到36GPa；現(xiàn)場(chǎng)采用泵送施工，坍落度范圍在160～200mm 之間，單位小時(shí)的坍落度損失控制在20mm 以 內(nèi)。

2 原材料選取

2.1 水泥

高性能混凝土配制選取水泥需滿足穩(wěn)定性及強(qiáng)度要求。選取42.5 級(jí)的普通硅酸鹽水泥P·O，摻和料選取I 級(jí)粉煤灰。該梁體混凝土對(duì)于水泥的早期強(qiáng)度要求不高，但是需要滿足結(jié)構(gòu)抗拉及耐久性要求，水泥的主要技術(shù)指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)如表1所示。

表1 水泥主要技術(shù)指標(biāo)

2.2 集料

為分析高性能混凝土工作性能，粗骨料級(jí)配選用：5～20mm 且10～20mm∶5～10mm 比例為7∶3。粗骨料主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。配制用砂則選取為鄰近河砂，級(jí)配滿足II 區(qū)中砂，河砂的主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)如表3所示。

表2 石灰?guī)r碎石粗骨料主要技術(shù)指標(biāo)

表3 河砂主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 外加劑及摻和料

減水劑為高效減水劑，需要滿足水泥相容性，減水劑主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示，摻和料選取I 級(jí)粉煤灰，主要技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表4 高效減水劑的主要技術(shù)指標(biāo)

表5 粉煤灰的主要技術(shù)指標(biāo)

3 高性能強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 初步配合比

該C55 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)采取全計(jì)算法，計(jì)算流程如下：依據(jù)強(qiáng)度等級(jí)及相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)，計(jì)算混凝土配制強(qiáng)度，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差則選取為6.0MPa，配制強(qiáng)度為64.9MPa，初步確定水膠比0.29，水用量145kg，則膠凝材料用量為500kg，砂率初步確定為0.38。假設(shè)該配合比容重為2440kg/m，則依據(jù)質(zhì)量法確定粗骨料、細(xì)骨料用量分別為1112kg、682kg，外加劑摻量初步設(shè)定為膠凝材料用量的1.2%即6.0kg，減水劑含固量為24.57% 則實(shí)際用水量為（按折固后算）140kg。依據(jù)計(jì)算基準(zhǔn)配合比如下：水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水∶減水劑=500kg∶682kg∶1112kg∶140kg∶6.0kg。經(jīng)試拌該配合比容重實(shí)測(cè)為2445kg/m，故基準(zhǔn)配合比不需調(diào)整。

3.2 配合比調(diào)整

3.2.1 水泥用量

基于上述試驗(yàn)室基準(zhǔn)配合經(jīng)多次試拌后發(fā)現(xiàn)，水泥用量選取為500kg、520kg 時(shí)，砂率設(shè)定為0.38，混凝土坍落度分別為180mm、185mm，且具有良好的黏聚性；砂率0.38，水膠比0.29，粗骨料成分比例7∶3，水泥用量分別為545kg、520kg、500kg、480kg 時(shí)的混凝土性能如表6所示。結(jié)果表明，不同水泥用量下的混凝土坍落度基本滿足設(shè)計(jì)要求，水泥用量設(shè)定為545kg 時(shí)，由于漿體的不斷增多，只需要較小用量的減水劑就具備較大的坍落度（190mm）；減水劑用量保持一致時(shí)（1.2%），混凝土坍落度隨著膠材用量的增多而增大；水泥用量設(shè)定為480kg 時(shí)，適當(dāng)增加減水劑用量（0.2%），則能夠增加混凝土的工作性。

表6 水泥用量與混凝土坍落度關(guān)系

3.2.2 膠凝材料用量

通過(guò)上述分析水泥用量為520kg 與500kg 時(shí)混凝土的工作性能較合適。膠凝體系采取以下不同情況進(jìn)行混凝土工作性分析：膠凝材料用量為520kg 時(shí)，水膠比設(shè)定為0.29，粉煤灰用量進(jìn)行10%、15%、20%的變化；當(dāng)膠凝材料用量為500kg 時(shí)，水膠比設(shè)為0.29，粉煤灰摻量分別為0、10%、15%、20%。混凝土坍落度隨膠凝體系變化如表7所示，混凝土工作性隨粉煤灰摻影響如圖1所示。表7、圖1結(jié)果表明，膠凝材料用量520kg 時(shí)，保持減水劑用量1.2%不變，粉煤灰摻量增加會(huì)導(dǎo)致混凝土坍落度增大，摻量從10%增加至20%時(shí)，坍落度增加了20mm。通過(guò)對(duì)序號(hào)6、2 數(shù)據(jù)對(duì)比可知，粉煤灰摻量一致的前提下，序號(hào)6 膠凝材料總量比序號(hào)2 的膠凝材料總量減小了20kg，由于混凝土漿體總量的變少，此時(shí)坍落度也相應(yīng)減小了10mm；對(duì)比序號(hào)4 和序號(hào)5 兩組試驗(yàn)，結(jié)果表明，混凝土坍落度在膠凝材料用量一致的情況下差異較?。ú?mm），且粉煤灰摻入后會(huì)降低減水劑的用量，這是因?yàn)榉勖夯移鸬綕?rùn)滑作用，具有與減水劑類(lèi)似的作用。此外粉煤灰的顆粒尺寸偏小，對(duì)骨料起到一定的填充效果，改善了整體工作性能。

圖1 混凝土工作性隨粉煤灰摻量的影響

表7 混凝土坍落度隨膠凝體系變化

3.2.3 骨料用量

對(duì)不同骨料用量的混凝土工作性能進(jìn)行分析。設(shè)定水膠比為0.29，膠凝材料用量為500kg，粗骨料級(jí)配10～20mm∶5～10mm 的碎石質(zhì)量比分別設(shè)置為7∶3、6∶4；當(dāng)粗骨料級(jí)配為7∶3 時(shí)，砂率分別為0.40、0.38、0.36、0.34?；炷撂涠入S骨料用量變化如表8所示，結(jié)果表明，膠凝材料500kg，水膠比0.29，砂率0.38，粗骨料級(jí)配7∶3 時(shí)混凝土坍落度比骨料級(jí)配6∶4 時(shí)大20mm，這是因?yàn)楣橇霞?jí)配7∶3 較為均勻，具有較小的空隙率，混凝土坍落度增大。膠凝材料用量500kg，水膠比設(shè)為0.29，保持減水劑用量1.2%、骨料級(jí)配7∶3，當(dāng)砂率從0.40 降低至0.38 時(shí)，混凝土坍落度增加了11.8%，即從170mm 變化至190mm。圖2為混凝土坍落度隨砂率變化關(guān)系曲線。結(jié)果表明，砂率在0.38～0.42 之間時(shí)，混凝土坍落度隨著砂率的降低而逐漸提升；砂率由0.38 降低至0.34 過(guò)程中，混凝土坍落度又隨之降低。由此可見(jiàn)，該高性能混凝土的最佳砂率為0.38。

表8 混凝土坍落度隨骨料用量變化

圖2 混凝土坍落度隨砂率變化關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著我國(guó)高速鐵路的建設(shè)，對(duì)混凝土耐久性、強(qiáng)度等指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，高性能混凝土的制備應(yīng)用得到了廣泛重視。得益于高性能混凝土良好的環(huán)境適應(yīng)性，針對(duì)其開(kāi)展前期的配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化工作至關(guān)重要。本文結(jié)合昌平特大橋槽型梁工程，進(jìn)行C55 高性能混凝土相關(guān)組合成分用量的性能影響分析，為橋梁工程建設(shè)提供一定的設(shè)計(jì)參考。