高原凍土地區(qū)樁基混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

摘 要：為加強(qiáng)高原凍土地區(qū)樁基混凝土抗壓強(qiáng)度、抗凍性能，保證工程應(yīng)用的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固安全。分析混凝土原材料性能、配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)、性能影響分析。其中，性能影響分析包括膠凝材料用量、水膠比、礦物摻合料。確定高原凍土地區(qū)下的C35混凝土配合設(shè)計(jì)比。水膠比為0.39，粉煤灰摻量為18%，外加劑摻量為3.97%，碎石粒徑為5～20mm。比值為水泥（254）∶礦渣粉（111）∶粉煤灰（81）∶硅灰（76）∶水（173）∶砂（778）。C35混凝土配制中，水膠比和礦物摻合料比例均會(huì)影響結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度和抗凍性能，必須根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整配比，根據(jù)試驗(yàn)，建議C35混凝土水膠比為0.39；礦物摻合料∶粉煤灰摻量為0.2時(shí)，硅灰摻量從5%增加為10%。

關(guān)鍵詞：高原凍土地區(qū)；樁基混凝土配合比；應(yīng)用要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TU502" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號(hào)：2096-6903（2024）10-0004-03

0 引言

低溫條件影響下，高原凍土地區(qū)樁基混凝土制備相對更為緩慢，其強(qiáng)度形成時(shí)間長，常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在一定隱患。如樁基混凝土配合比設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)出現(xiàn)融沉、凍脹等問題，導(dǎo)致工程質(zhì)量下降。因此在開展工程之前，必須根據(jù)工程建設(shè)需求，配制相應(yīng)強(qiáng)度的樁基混凝土，通過試驗(yàn)確定構(gòu)件的穩(wěn)定性，達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)后，才可投入具體工程中應(yīng)用。

1 原材料性能分析

1.1 高原凍土地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)

配制樁基混凝土原材料之前，應(yīng)根據(jù)高原凍土地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，選擇合適的原材料。該種類型的地區(qū)通常具有氣候寒冷、溫差變化大的特點(diǎn)，由于海拔較高，因此含氧量更低，且空氣稀薄。其地質(zhì)結(jié)構(gòu)常呈現(xiàn)松散狀態(tài)，容易出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害。

1.2 原材料選擇準(zhǔn)則

高原凍土地區(qū)樁基混凝土原材料類型應(yīng)具備高抗凍性能，可保證在溫差變化大的環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，具有高早強(qiáng)性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、耐久性。

1.3 混凝土類型

基于具體環(huán)境，可選擇抗凍混凝土、高性能混凝土、硫酸鹽抗侵蝕混凝土。以高性能混凝土為例，其選用C35混凝土進(jìn)行配制設(shè)計(jì)。

2 配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

2.1 原材料配合比

根據(jù)地區(qū)建設(shè)需求，對C35混凝土配合比進(jìn)行適度調(diào)整，最終確定試驗(yàn)配合比。水泥選用P.O42.5，粉煤灰選用I級(jí)，細(xì)骨料選用河砂。粗骨料選用石灰?guī)r碎石，主要應(yīng)用兩種類型，一種為5～10 mm的碎石，另外一種為10～20 mm的碎石。按照一定比例混合，配制成連續(xù)級(jí)配碎石，粒徑為5～20 mm。礦渣粉選用磨細(xì)礦渣粉，減水劑選用高效型減水劑，型號(hào)為3301C。拌和用水選用飲用水。

確定原材料配合比、類型后，對各種材料的性能進(jìn)行測試，結(jié)合相應(yīng)指標(biāo)完成質(zhì)量檢測。最終檢測結(jié)果表明，全部材料性能均達(dá)到混凝土配制要求。

2.2 基準(zhǔn)配比

結(jié)合混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程，對C35混凝土基準(zhǔn)配合比進(jìn)行計(jì)算，確定各種材料的基準(zhǔn)配比。

原材料配比為水泥（235）：粉煤灰（75）：礦渣粉（103）：細(xì)骨料（810）：粗骨料（990）：水（173）：減水劑（3.70）。

3 膠凝材料用量研究

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

配制C35混凝土?xí)r，膠凝材料的用量也會(huì)影響其結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度、抗凍性能。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同齡期下的混凝土，應(yīng)用不同膠凝材料時(shí)，其結(jié)構(gòu)性能具有差異性。應(yīng)結(jié)合該種類型的混凝土配制需求，選擇合適的膠凝材料。

試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)水泥用量為95%時(shí)，C35混凝土坍落度并未發(fā)生較為明顯的改變。坍落度試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)混凝土中心堆積少量骨料，且邊緣出現(xiàn)了泌漿現(xiàn)象。設(shè)計(jì)水泥用量為90%時(shí)，則發(fā)現(xiàn)中心堆積大量骨料，且整體包裹性呈現(xiàn)較差的狀態(tài)，邊緣有少量泌漿，漿體量呈現(xiàn)不足狀態(tài)，膠凝材料用量隨之減少，造成混凝土出現(xiàn)漿骨分離的情況。

膠凝材料為420 kg時(shí)，C35混凝土28 d抗壓強(qiáng)度滿足力學(xué)要求。膠凝材料為400 kg時(shí)，C35混凝土28 d抗壓強(qiáng)度剛達(dá)到力學(xué)要求。膠凝材料為380 kg時(shí)，C35混凝土28 d抗壓強(qiáng)度未達(dá)到力學(xué)要求。相同混凝土齡期下，C35混凝土的整體抗壓強(qiáng)度隨著膠凝材料用量發(fā)生變化。當(dāng)膠凝材料用量減少時(shí)，C35混凝土抗壓強(qiáng)度也隨之下降。當(dāng)齡期差別越大時(shí)，抗壓強(qiáng)度的差值也越大。以C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例：膠凝材料用量為420 kg時(shí)，C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度為39.8 MPa。膠凝材料用量為400 kg時(shí)，C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度為25.6 MPa。膠凝材料用量為380 kg時(shí)，C35混凝土56d抗壓強(qiáng)度為20.5 MPa。由數(shù)據(jù)可見，膠凝材料用量下降時(shí)，C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度也隨之下降。分析發(fā)現(xiàn)，其主要原因?yàn)榛炷林邪乃a(chǎn)物含量明顯下降，結(jié)構(gòu)密實(shí)度不足，造成抗壓強(qiáng)度不穩(wěn)定。

除了進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)之外，相關(guān)人員還針對膠凝材料用量對C35混凝土的抗凍性能進(jìn)行試驗(yàn)，以確保高原凍土地區(qū)的混凝土抗凍性能得到提升，保證混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠凝材料用量減少時(shí)，C35混凝土的抗凍性能明顯下降，主要原因?yàn)榛炷恋拿軐?shí)度降低，因此抗凍性能也降低。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要嚴(yán)格控制混凝土制備的水泥用量，確保水泥最小用量，以提升其整體密實(shí)度和穩(wěn)固性。根據(jù)C35混凝土使用性能以及施工要求，控制水泥漿體積在25%～35%為宜。如需要混凝土的性能達(dá)到最佳狀態(tài)時(shí)，則可選擇35%的水泥漿體積。

根據(jù)理論計(jì)算，分析C35混凝土的膠凝材料用量偏差，控制用量在±5%～10%內(nèi)為宜。降低兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)使用，加強(qiáng)混凝土應(yīng)用的安全性與穩(wěn)定性。高原凍土地區(qū)的C35樁基混凝土配合比，建議膠凝材料用量大于420 kg/m3。

4 水膠比分析

4.1 配比優(yōu)化試驗(yàn)

結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)范內(nèi)容，明確混凝土原材料的配合比要求。發(fā)現(xiàn)混凝土水膠比大于0.42，因此需要進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整[2]。根據(jù)本次試驗(yàn)區(qū)域的地質(zhì)條件，將混凝土水膠比控制在0.33～0.40為宜。調(diào)整前，相關(guān)人員對混凝土水膠比進(jìn)行實(shí)際考察與記錄，共選擇4組進(jìn)行試驗(yàn)。水膠比對比情況如下。對照組水膠比為0.42，試驗(yàn)組1水膠比為0.39，試驗(yàn)組2水膠比為0.36，試驗(yàn)組3水膠比為0.33。粉煤灰摻量對比如下：對照組粉煤灰摻量為16%，試驗(yàn)組1粉煤灰摻量為15%，試驗(yàn)組2粉煤灰摻量為18%，試驗(yàn)組3粉煤灰摻量為21%。

對照組試驗(yàn)結(jié)果如下：粉煤灰摻量為15%時(shí)，其初始坍落度為175 mm，1 h后的坍落度為110 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為31.6 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為46.5 MPa。粉煤灰摻量為18%時(shí)，其初始坍落度為185 mm，1 h后的坍落度為130 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為30.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為46.1 MPa。煤灰摻量為21%時(shí)，其初始坍落度為200 mm，1 h后的坍落度為170 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為28.7 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為45.7 MPa。

試驗(yàn)組1試驗(yàn)結(jié)果如下：粉煤灰摻量為15%時(shí)，其初始坍落度為180 mm，1 h后的坍落度為115 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為36.3 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為49.8 MPa。粉煤灰摻量為18%時(shí)，其初始坍落度為190 mm，1 h后的坍落度為140 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為35.2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為49.5 MPa。粉煤灰摻量為21%時(shí)，其初始坍落度為205 mm，1 h后的坍落度為180 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為34.1 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為49.1 MPa。

試驗(yàn)組2試驗(yàn)結(jié)果如下：粉煤灰摻量為15%時(shí)，其初始坍落度為185 mm，1 h后的坍落度為120 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為37.1 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為52.1 MPa。粉煤灰摻量為18%時(shí)，其初始坍落度為195 mm，1 h后的坍落度為145 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為36.1 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為51.7 MPa。粉煤灰摻量為21%時(shí)，其初始坍落度為210 mm，1 h后的坍落度為185 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為34.2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為51.3 MPa。

試驗(yàn)組3試驗(yàn)結(jié)果如下：粉煤灰摻量為15%時(shí)，其初始坍落度為190 mm，1 h后的坍落度為125 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為39.3 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為55.4 MPa。粉煤灰摻量為18%時(shí)，其初始坍落度為205 mm，1 h后的坍落度為160 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為38.1 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為55.0 MPa。

粉煤灰摻量為21%時(shí)，其初始坍落度為230 mm，1 h后的坍落度為190 mm；7 d抗壓強(qiáng)度為36.2 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為54.7 MPa。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息可知，粉煤灰摻量越小，水膠比越大。當(dāng)水膠比較大時(shí)，C35混凝土坍落度也會(huì)隨之增長。

通過試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，不同組別的水膠比固定時(shí)，粉煤灰摻量增加時(shí)，C35混凝土初始坍落度和1 h后的坍落度均會(huì)隨之增長。由此可見，粉煤灰摻加提高了混凝土的結(jié)構(gòu)性能[3]。但是在抗壓強(qiáng)度方面，可發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量增加時(shí)，C35混凝土7 d抗壓強(qiáng)度下降明顯。從該現(xiàn)象可知，粉煤灰摻量應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求確定，并非增多便可提升混凝土抗壓強(qiáng)度。

對照組和3個(gè)試驗(yàn)組對比可知，粉煤灰摻量為18%時(shí)，C35混凝土性能最佳。水膠比可選擇0.36、0.33兩種配比，但是基于成本考慮，建議選擇0.39的配比。

5 礦物摻合料評(píng)估

5.1 試驗(yàn)分析

C35混凝土的礦物摻合料比例也會(huì)影響結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度，因此需要針對礦物摻合料摻量進(jìn)行分析，以提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。通過試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，在混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展階段，適量加入硅灰材料，可有效促進(jìn)C35混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提升。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：①粉煤灰摻量為20%時(shí)，硅灰摻量從10%增加為20%時(shí)，C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度數(shù)值上升了5%。②粉煤灰摻量為30%時(shí)，硅灰摻量從10%增加為20%時(shí)，C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度數(shù)值上升了20.9%。

C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度數(shù)值增長的主要原因?yàn)椋汗杌也牧媳缺砻娣e大，可以與水接觸，保證混凝土早期強(qiáng)度形成的穩(wěn)定性。

通過對比硅灰摻量和粉煤灰摻量，對C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析：①硅灰摻量為15%時(shí)，粉煤灰摻量從15%增加至30%時(shí)，C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度數(shù)值上升了10.7%。②硅灰摻量為20%時(shí)，粉煤灰摻量從15%增加至30%時(shí)，C35混凝土56 d抗壓強(qiáng)度數(shù)值上升了22.5%。

結(jié)合C35混凝土抗凍性能試驗(yàn)，摻加礦物摻合料后，發(fā)現(xiàn)150次凍融循環(huán)作業(yè)后，混凝土的相對動(dòng)彈性模量為92%；未摻加礦物摻合料時(shí)，發(fā)現(xiàn)150次凍融循環(huán)作業(yè)后，混凝土的相對動(dòng)彈性模量為明顯下降，從92%降至58%。由此可知，制備C35混凝土?xí)r，摻加礦物摻合料可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗凍性能。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：摻加礦物摻合料時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)為50次，質(zhì)量損失為0.07%；相對動(dòng)態(tài)彈性模量損失為0.3%。凍融循環(huán)次數(shù)為100次，質(zhì)量損失為0.15%；相對動(dòng)態(tài)彈性模量損失為0.4%。凍融循環(huán)次數(shù)為200次，質(zhì)量損失為0.71%；相對動(dòng)態(tài)彈性模量損失為2.2%。凍融循環(huán)次數(shù)為300次，質(zhì)量損失為0.72%；相對動(dòng)態(tài)彈性模量損失為2.8%。

未摻加礦物摻合料時(shí)：凍融循環(huán)次數(shù)為50次，質(zhì)量損失為0.16%；相對動(dòng)態(tài)彈性模量損失為5.5%。凍融循環(huán)次數(shù)為100次，質(zhì)量損失為0.33%；相對動(dòng)態(tài)彈性模量損失為12.6%。凍融循環(huán)次數(shù)為200次，質(zhì)量損失為0.8%；相對動(dòng)態(tài)彈性模量損失為67.3%。凍融循環(huán)次數(shù)為300次，質(zhì)量損失為0.83%；相對動(dòng)態(tài)彈性模量損失為68.8%。

5.2 評(píng)估結(jié)果

通過上述試驗(yàn)分析，確定摻加礦物摻合料更有利于提升C35混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗凍性能，應(yīng)結(jié)合高原凍土地區(qū)地質(zhì)條件，選擇合適的配合設(shè)計(jì)比添加礦物摻合料。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議粉煤灰摻量為20%時(shí)，硅灰摻量從5%增加為10%，可有效強(qiáng)化混凝土的抗壓強(qiáng)度。

6 試驗(yàn)結(jié)論

高原凍土地區(qū)下的C35混凝土配合設(shè)計(jì)比：水膠比為0.39，粉煤灰摻量為18%，外加劑摻量為3.97%，碎石粒徑為5～20 mm，水泥（254）：礦渣粉（111）：粉煤灰（81）：硅灰（76）：水（173）：砂（778）。C35混凝土配制中，水膠比和礦物摻合料比例均會(huì)影響結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度和抗凍性能，必須根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整配比，根據(jù)試驗(yàn)，建議C35混凝土水膠比為0.39，粉煤灰摻量為20%時(shí)，硅灰摻量從5%增加為10%。高原凍土地區(qū)制備混凝土應(yīng)具備抗凍性能、早強(qiáng)性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、耐久性，選擇抗凍混凝土、高性能混凝土、硫酸鹽抗侵蝕混凝土為宜。

7 結(jié)束語

高原凍土地區(qū)地質(zhì)環(huán)境較為惡劣，因此在進(jìn)行樁基混凝土配制前，應(yīng)根據(jù)地形條件，選擇合適的混凝土類型進(jìn)行配比。應(yīng)用前，結(jié)合配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，確定混凝土各類原材料的實(shí)際配比，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度、抗凍性能，保證其結(jié)構(gòu)密實(shí)度達(dá)到工程建設(shè)需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 刁楊龍，孫林，王剛，等.鐵路隧道工程噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)方法研究[J].中國高新科技，2023（2）：78-79.

[2] 姚湘杰，徐海洋，周千帆，等.菲律賓哥打巴托市KCC商場樁基工程混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].施工技術(shù)（中英文）， 2022，51（3）：107-109.

[3] 王棟.高速鐵路橋面防水層纖維混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及施工工藝研究[J].安徽建筑，2021，28（1）：169-171.