鐵路高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)分析

黃振龍

（中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

現(xiàn)階段鐵路經(jīng)過的區(qū)域環(huán)境大多較為惡劣，會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)被腐蝕，出現(xiàn)凍融循環(huán)情況。用普通混凝土建設(shè)鐵路時(shí)，會(huì)在一定程度上縮短混凝土使用壽命，增加相應(yīng)的建設(shè)成本，基于此種情況，國內(nèi)外研究學(xué)者紛紛開始研究混凝土結(jié)構(gòu)性能。高性能混凝土具有強(qiáng)度高、抗腐蝕性強(qiáng)的性能，在極其惡劣的環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)，是現(xiàn)階段建設(shè)鐵路時(shí)的首選[1]?；诖朔N情況，對高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究十分重要。

現(xiàn)階段關(guān)于高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)研究如下：麻鵬飛等（2018 年）利用工業(yè)鋰渣、礦渣、粉煤灰代替部分水泥制備高性能混凝土，在對其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，這種方式制備的高性能混凝土強(qiáng)度相對較高；姚賢華等（2018 年）對不同配合比制備的混凝土進(jìn)行了研究，研究它被腐蝕后的外觀變化；楊卓強(qiáng)等（2018 年）通過不同的石粉摻量分析含機(jī)制砂的高性能混凝土耐久性的影響因素，發(fā)現(xiàn)摻入一定石粉后，不僅提升了混凝土的抗?jié)B性，而且還在一定程度上提升了混凝土的抗碳化能力，但是對其抗裂性能并沒有太大的影響；阮明和等（2018 年）通過骨料代替率對高性能混凝土的力學(xué)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨料代替率為0.2 時(shí)，其混凝土的強(qiáng)度得到了一定程度的提升，并且其抗酸腐蝕能力也得到了提升[2]。

除此之外，制備高性能混凝土?xí)r，對材料的要求相對較高，需符合相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還需要考慮高性能混凝土能否在惡劣的環(huán)境中發(fā)揮其耐久性。此外，在不同地區(qū)采集原材料也有一定差異，從而使得不同地區(qū)的混凝土配合比不盡相同。本文對高性能混凝土配合比進(jìn)行了研究，主要過程如下。

1 試驗(yàn)材料

1.1 水泥

高性能混凝土的施工性能、強(qiáng)度要求相對較高，并且其力學(xué)性質(zhì)應(yīng)符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，因此原材料的選取過程十分重要[3]?；诖朔N情況，根據(jù)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》選擇P·O 52.5 級水泥，這種水泥的C3A 含量相對較低，試驗(yàn)水泥主要參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)水泥主要參數(shù)

1.2 硅粉

在選取硅粉的過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范GB/T 27690—2011《砂漿和混凝土用硅灰》的要求進(jìn)行選取，其物理性能如表2 所示。

表2 硅粉主要物理參數(shù)

1.3 骨料

本次試驗(yàn)選取的粗骨料需滿足連續(xù)級配要求，CaCO3碎石粒徑在5～10 mm 范圍內(nèi)。

細(xì)骨料采用石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂，2 種骨料的性能指標(biāo)如表3、表4 所示。

表3 粗骨料主要性能指標(biāo)

表4 細(xì)骨料主要性能指標(biāo)

1.4 減水劑

本次試驗(yàn)選用減水率為32%的聚羧酸系高性能減水劑，其主要性能指標(biāo)如表5 所示。

表5 減水劑主要性能指標(biāo)

1.5 混凝土攪拌用水

攪拌用水應(yīng)符合JGJ 63—2006《混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)》。

2 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

在確定高性能混凝土配合比的相關(guān)強(qiáng)度后，需適當(dāng)調(diào)整其混合料與其中的外加劑，保證其制備符合相關(guān)的工程技術(shù)要求[4]。除此之外，在進(jìn)行配合比初步配置的過程中，首先需要考慮水膠比。當(dāng)其中一部分膠體未完全水化后，可將其作為混合料中的細(xì)骨料，然后利用相對體積法，秉承最小材料用量的原則，進(jìn)行相應(yīng)的混凝土配合比設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)后，根據(jù)配合比的相關(guān)要求，經(jīng)過反復(fù)比較與刪減，最終得出相應(yīng)的3 組試件，即0.3（W1）、0.32（W2）、0.35（W3），其具體的配合比參數(shù)如表6 所示。

在相對惡劣的環(huán)境中建設(shè)鐵路時(shí)，混凝土的強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到一定要求，可通過混凝土的強(qiáng)度質(zhì)變來判斷高強(qiáng)度混凝土的配合比設(shè)計(jì)是否合理。因此，在3 組配合比的基礎(chǔ)上，制備相應(yīng)的立方體試件，并且在試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以此來獲取高性能的混凝土，其監(jiān)測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 高性能混凝土不同水膠比試件7 d、28 d 的抗壓強(qiáng)度

從圖1 中可以明確看出，在不同水膠比、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的條件下，高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度不同。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d 時(shí)，水膠比為0.3（W1）、0.32（W2）、0.35（W3）的抗壓強(qiáng)度分別為55.6 MPa、38.2 MPa、50 MPa。水膠比為0.3（W1）、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d 時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 9 0 % ； 水膠比為0.32（W2）、0.35（W3），養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d 時(shí)，抗壓強(qiáng)度約為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的64%、81%。經(jīng)過上述分析可以得知，W1 試件的水膠比相對較低，在短時(shí)間內(nèi)不能被水化，使形成的凝膠充當(dāng)了相應(yīng)的骨料，使得混凝土的抗壓強(qiáng)度得到一定程度提升。W2 試件的水膠比高于W3，其試件內(nèi)部的短期水化程度要比W3 低，當(dāng)W3在短時(shí)間內(nèi)充分水化后，抗壓強(qiáng)度得到了相應(yīng)提升[5]。當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d 時(shí)，W1、W2、W3的強(qiáng)度都發(fā)生了相應(yīng)的變化，并且均大于60 MPa，這充分說明了該次高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)較為合理。從圖1 中3 組試件的抗壓強(qiáng)度可知，本文設(shè)計(jì)配合比最佳的為W1 試件，其次為W3 試件、W2 試件。

3 高性能混凝土性能測試

3.1 混凝土性能評價(jià)指標(biāo)

在惡劣環(huán)境中，高強(qiáng)度是對高性能混凝土的基本要求，同時(shí)還需要考慮其抗腐蝕能力及抗凍能力[6]。為了測試制備的高性能混凝土的抗腐蝕性與抗凍性，分別選取抗強(qiáng)度性能較好的W1 試件、W3 試件作為試驗(yàn)對象，對其抗凍性能與抗腐蝕性能進(jìn)行測試，以此來評價(jià)高性能混凝土的性能。此外，在測試過程中，應(yīng)符合相應(yīng)的規(guī)范要求，并且試件需經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。在進(jìn)行抗凍性試驗(yàn)的過程中，使用的方法主要為速冷法，過程如下：對混凝土進(jìn)行6 次凍融循環(huán)試驗(yàn)[凍（-15±2）℃、2 h，融（8±2）℃、2 h］在進(jìn)行干燥循環(huán)試驗(yàn)過程中，為了提升試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，應(yīng)將混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間定為26 d。在試件混凝土養(yǎng)護(hù)工作完成之后，再將其放置在烘干箱中將水分烘干，測得混凝土試件的初始質(zhì)量和相應(yīng)的彈性模量。待一切準(zhǔn)備就緒后，將烘干的試件放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉溶液中，浸泡時(shí)間為（15±0.5）h，在此過程中值得注意的是，氫氧化鈉溶液應(yīng)高出試件表面20 mm。試件浸泡的時(shí)間滿足要求后，再次將它放置于烘干箱中[7]。

在測試高性能混凝土的抗酸性與抗腐蝕性的過程中，將相對質(zhì)量評價(jià)參數(shù)、彈性模量評價(jià)參數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，分別將其定位為A1與A2。

式（1）中：Mr、Er分別為r次凍融循環(huán)后，試件的相對質(zhì)量與試驗(yàn)前混凝土試件原始質(zhì)量的比值。

Ai（i=1，2）≥1 時(shí)，表明仍處于有效的狀態(tài)；1＞Ai＞0 時(shí)，試件的耐久性開始發(fā)生變化，并逐漸呈現(xiàn)下降趨勢，但是并未完全處于破壞狀態(tài)；0＞Ai時(shí)，混凝土試件達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。此外，在凍融循環(huán)的過程中，如若A1與A2均小于0 時(shí)，則可以停止相應(yīng)的試驗(yàn)。

3.2 混泥土試件性能結(jié)果分析

在進(jìn)行上述試驗(yàn)之后，不同水膠比試件的評價(jià)性參數(shù)變化如圖2 所示。

圖2 不同配合比試件凍融循環(huán)作用下耐久性評價(jià)參數(shù)變化曲線

從圖2 中可以明確看出，當(dāng)試件的水膠比不同時(shí)，經(jīng)過相應(yīng)的凍融循環(huán)后，其使用壽命出現(xiàn)了明顯的變化，并且兩者具有明顯差異。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為366次時(shí)，W1、W3 試件的A1與A2變化趨勢大致相同。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)W1、W3 試件的質(zhì)量失效時(shí)，均出現(xiàn)下降的趨勢，造成這種現(xiàn)象的原因主要是試件在循環(huán)作用下，混凝土試件從致密逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，?dǎo)致其質(zhì)量發(fā)生一定程度的變化[8]。

經(jīng)過上述分析得出，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為420 次時(shí)，W1 混凝土試件失效；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為390 次，W2混凝土試件失效，并且W1 試件的抗凍性與抗酸性相對較高。因此，W1 混凝土試件的配合比設(shè)計(jì)相對合理。

4 微觀結(jié)構(gòu)分析

從上述分析中可知，高性能混凝土的水膠比與其抗硫酸鹽腐蝕性有著十分密切的關(guān)系。為了驗(yàn)證此問題，本文對混凝土試件展開了相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)分析，選取的試件為未經(jīng)處理前的試件與經(jīng)過100 次干濕循環(huán)的試件W1，其微觀結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 W1 試件不同時(shí)期的SEM 圖

由圖3 得出，在試驗(yàn)前期，圖3（a）中的微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為不均勻狀態(tài)，其致密性相對較高，并且耐久性能相對較高。當(dāng)硫酸鹽侵蝕后，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了相應(yīng)的膨脹現(xiàn)象，使得混凝土的致密性逐漸降低，耐久性能也隨之降低。從圖3（b）中可以看出，當(dāng)混凝土試件經(jīng)過干濕損循環(huán)后，其微觀結(jié)構(gòu)較為松散，并且內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物相對較多，這表明混凝土試件在硫酸鹽的腐蝕作用下，出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)水膠比為0.3 時(shí)，其高性能混凝土的配合比最為合適，并且具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能與抗凍性能。此外，在進(jìn)行高性能混凝土混合比設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件與環(huán)境條件，不同環(huán)境中使用的配合比不同，只有選擇符合該地區(qū)的配合比，才能制備出合理的高性能混凝土。