C60 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與應(yīng)用

郝峰HAO Feng

（中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，西安 710043）

（The 2nd Engineering Co.，Ltd.of China Railway 17th Bureau Group，Xi'an 710043，China）

1 工程概況

新建長(zhǎng)沙至昆明鐵路客運(yùn)專線湖南段CKTJ-Ⅶ標(biāo)段正線起訖里程為DK287+747～DK324+218.25，全長(zhǎng)34.538km。位于湖南省懷化市。其中沅江大橋全長(zhǎng)404.94米。特點(diǎn)是深水、高墩、大跨，地形為典型的V 型深切溝谷，地勢(shì)陡峭，環(huán)境艱險(xiǎn)，橋跨組成為88+168+88+40 雙線預(yù)應(yīng)力混凝土鋼構(gòu)連續(xù)梁，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命100年，梁跨結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C60。施工要求高，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)要求及參數(shù)

根據(jù)《客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》科技基[200]101 號(hào)、《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》TB10424-2010 和《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10005-2010 的規(guī)定，該懸灌梁C60 高性能混凝土設(shè)計(jì)壽命100年，碳化環(huán)境類別為T2，無(wú)氯鹽環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境、鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境、磨蝕環(huán)境、凍融破壞環(huán)境的作用。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和混凝土施工工藝要求，確定混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)如下：①混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C60；②混凝土電通量：小于1000c；③混凝土抗?jié)B等級(jí)：大于P20；④混凝土凍融：200 次快速凍融，相對(duì)動(dòng)彈模量不小于60%，質(zhì)量損失不大于5%；⑤混凝土施工坍落度：160-200mm。混凝土初凝時(shí)間不小于7h，含氣量在2%-4%之間。⑥混凝土7 天張拉強(qiáng)度不小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%，即不小于57MPa，7 天張拉彈性模量不小于設(shè)計(jì)值36.5GPa。

3 配合比設(shè)計(jì)思路

沅江大橋主體工程設(shè)計(jì)壽命100年，混凝土最大泵送高度達(dá)70 米。采用高性能混凝土。高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)以耐久性為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，在滿足耐久性的前提下在考慮強(qiáng)度，水化熱，工作性及體積穩(wěn)定性。因此，采用“雙摻技術(shù)+高性能減水劑”的思路，在混凝土中摻加F 類一級(jí)粉煤灰、S95 級(jí)礦渣粉和聚羧酸高性能減水劑。

高性能混凝土的特點(diǎn)是耐久性好，良好的工作性（流動(dòng)性，和易性）。為了保證耐久性要低水膠比，大流動(dòng)性和良好的和易性則要較大的漿集比和砂率，減少碎石的用量則會(huì)影響混凝土的彈性模量，增加混凝土的徐變和干縮。這就要合理選擇各項(xiàng)參數(shù)，采用優(yōu)質(zhì)的原材料。

根據(jù)《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》鐵建設(shè)[2010]241 號(hào)要求，混凝土配合比設(shè)計(jì)用最大密實(shí)度，最小漿集比理論，按照絕對(duì)體積法計(jì)算。即新拌混凝土有良好的工作性，且漿體剛好包裹住集料，在混凝土內(nèi)粗骨料之間的空隙由砂填補(bǔ)，砂中的空隙由水泥填補(bǔ)，粉煤灰和礦粉填補(bǔ)水泥留下的空隙。這樣形成最密實(shí)結(jié)構(gòu)。采用這種方法設(shè)計(jì)的混凝土更合理，更科學(xué)。

4 混凝土用原材料的選擇

4.1 水泥：選用強(qiáng)度較高、水化熱低、C3A 含量低、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量低的水泥。試配時(shí)，采用湖南海螺水泥有限公司生產(chǎn)的雪峰牌P.O52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥。其物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能指標(biāo)

4.2 粉煤灰：用粉煤灰取代部分水泥可改善新拌混凝土的工作性，減少泌水和離析現(xiàn)象；具有良好的保水性，有利于泵送施工；能有效降低水化熱，降低混凝土的絕熱升溫；可提高混凝土的抗?jié)B性能，改善混凝土抗化學(xué)腐蝕的能力，提高混凝土的耐久性。該工程確定使用湖南華天能環(huán)?？萍奸_發(fā)有限公司（金竹山電廠）F 類I 級(jí)粉煤灰，各指標(biāo)中，細(xì)度影響用水量，燒失量對(duì)減水劑的適應(yīng)性有較大的影響。檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 粉煤灰檢測(cè)結(jié)果一覽表

4.3 礦渣粉：礦粉采用湖南泰基建材有限公司S95級(jí)，礦粉比水泥細(xì)，可以填充水泥中的空隙，并且可提高混凝土的流動(dòng)度，改善混凝土的耐久性。檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 礦粉檢測(cè)結(jié)果

4.4 細(xì)骨料：瀘溪浦市砂場(chǎng)中砂，細(xì)度模數(shù)Mx=2.8。砂要嚴(yán)格控制含泥量和0.315 篩上的通過(guò)量。砂的性能見表4。

表4

4.5 粗骨料：碎石采用仇家碎石場(chǎng)5～10mm 和10～20mm 兩種規(guī)格碎石，巖體軸心抗壓強(qiáng)度為131MPa。（5～10mm）碎石與（10～20mm）的碎石按2:8 合成5-20mm 的連續(xù)級(jí)配，粗骨料的堆積密度是1510kg/m3，振實(shí)密度為1720kg/m3，在此條件下搭配的粗骨料空隙率最?。?8%），振實(shí)密度較大，其級(jí)配比較理想。其性能指標(biāo)見表5。

表5 碎石的物理力學(xué)性能指標(biāo)

4.6 外加劑：摻加高性能減水劑后，能在一定的和易性要求下顯著降低用水量，使混凝土更加密實(shí)，從而提高強(qiáng)度、耐久性等。

與水泥的適應(yīng)性試驗(yàn)：對(duì)兩種不同配方的減水劑選用不同摻量，分別測(cè)定在3、30、60min 的水泥凈漿流動(dòng)度。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比，最終選用與水泥適應(yīng)性較好的山西凱迪建材有限公司KDSP-1 型聚羧酸鹽高性能減水劑。并重復(fù)流動(dòng)度試驗(yàn)，確定最佳用量為1.2%。（表6）

4.7 拌合用水：飲用水。

5 混凝土配合比設(shè)計(jì)

5.1 試配強(qiáng)度按下式計(jì)算（fcu,0）：fcu,0≥1.15fcu,k fcu,0=1.15*60=69.0（MPa）式中fcu,0 為混凝土試配強(qiáng)度，fcu,k 為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

5.2 確定砂率。通過(guò)篩分試驗(yàn)確定5-10mm 和10-20mm 的碎石的組成比例是2:8；采用四個(gè)不同的砂率38%、39%、40%、41%分別和碎石混合后做表觀密度試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比當(dāng)砂率為39%時(shí)混合表觀密度最大為2720kg/m3。取基準(zhǔn)砂率為39%試拌，根據(jù)混凝土狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

表6 聚羧酸減水劑檢測(cè)結(jié)果一覽表

5.3 根據(jù)原材料試驗(yàn)結(jié)果分析，依據(jù)配合比設(shè)計(jì)原則及工程施工的具體要求，結(jié)合類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)參數(shù)確定如下：混凝土中漿體體積取Vp=0.35，基準(zhǔn)水膠比取0.27?；炷林泻瑲饬喀?3%。采用體積法計(jì)算得到：膠材總量：526kg，水：142kg，聚羧酸減水劑摻量為1.2%，6.31kg。

5.4 選用砂率為39%。水膠比、粉煤灰和礦粉不同的摻量三個(gè)因素，每個(gè)因素三個(gè)不同的水平采用正交試驗(yàn)分析如表7。三個(gè)水膠比0.25、0.27、0.29；粉煤灰和礦粉的摻量8%、10%、12%。

表7 正交試驗(yàn)分析方案表

從表8 可以看出：當(dāng)水膠比是0.25 時(shí)，混凝土的強(qiáng)度，彈模均能滿足要求，但擴(kuò)展度有些偏低。在試拌時(shí)粘底。水膠比是0.29 時(shí)。28 天強(qiáng)度能滿足要求，7 天張拉強(qiáng)度有些偏低?？紤]到施工要求和經(jīng)濟(jì)性最終確定混凝土配比如下：每立方米混凝土材料用量（kg）

表8 試驗(yàn)結(jié)果一覽表

水泥:粉煤灰:礦渣粉：細(xì)骨料:粗骨料:水:減水劑=420:64:42:677:1059:142:6.31

5.5 凝結(jié)時(shí)間和坍落度損失的測(cè)定。對(duì)該配合比進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間的測(cè)定，初凝9 小時(shí)30 分，終凝13 小時(shí)20 分。分別進(jìn)行30 分鐘、60 分鐘坍落度損失測(cè)定，結(jié)果如表9。

表9 混凝土坍落度損失試驗(yàn)結(jié)果

5.6 混凝土耐久性能校核。按照《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》TB10424-2010 和《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》TB10005-2010 的規(guī)定對(duì)該配比進(jìn)行耐久性校核，檢驗(yàn)結(jié)果如表10。

表10

6 工程施工應(yīng)用情況

從2012年9月份到2013年11月份，沅江大橋完成全部C60 混凝土施工。施工過(guò)程中混凝土控制的較好，混凝土的工作性和硬化后的性能均能滿足設(shè)計(jì)要求。在施工中出機(jī)坍落度控制在180-200mm，施工現(xiàn)場(chǎng)坍落度控制在160-180mm，泵送施工比較順利?；炷敛鹉：箢伾鶆?，有光澤，氣泡較少。在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取混凝土制作試件，同條件養(yǎng)護(hù)，7d 強(qiáng)度在58.5MPa 到62.5MPa 之間，7d 彈性模量在37.2GPa 到42.0GPa 之間。28d 強(qiáng)度在63.0MPa 到72.5MPa 之間。完全滿足7d 張拉和設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)要求。

7 存在問(wèn)題及心得體會(huì)

①聚羧酸減水劑減水率高，對(duì)材料的適應(yīng)性比較敏感。每批減水劑進(jìn)場(chǎng)后要及時(shí)進(jìn)行試拌，看混凝土的狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。②砂、碎石質(zhì)量波動(dòng)比較大，要嚴(yán)格控制砂中含泥量，超5mm 顆粒含量。碎石進(jìn)場(chǎng)后及時(shí)進(jìn)行篩分，確定最佳比例。和砂混合后的最大表觀密度，以便及時(shí)對(duì)砂率微調(diào)，使混凝土達(dá)到最佳狀態(tài)。由于砂、碎石全部水洗，砂、碎石中的含水量每工作班均要測(cè)定，以便及時(shí)調(diào)整混凝土用水量。③砂進(jìn)場(chǎng)后及時(shí)篩分。特別是砂中0.315mm 以下顆粒含量要注意保證。如果砂中0.315 篩上的通過(guò)量不能滿足規(guī)范要求，則泵送會(huì)比較困難。要及時(shí)調(diào)整砂率，甚至要調(diào)整膠材的用量。④嚴(yán)格控制攪拌時(shí)間和用水量。攪拌時(shí)間120 秒。由于膠材數(shù)量較多，要充分?jǐn)嚢杈鶆虿拍苁够炷吝_(dá)到最佳狀態(tài)。聚羧酸高性能減水劑對(duì)用水量非常敏感，用水量稍微增多，就容易發(fā)生離析，有的拌和站司機(jī)不按要求攪拌，在現(xiàn)場(chǎng)容易導(dǎo)致混凝土坍落度忽大忽小，無(wú)法正常施工。⑤礦物摻和料要實(shí)行車檢制度。檢驗(yàn)合格方可卸車。

[1]郭延輝,郭京育.聚羧酸系高性能減水劑研究與工程應(yīng)用[M].中國(guó)鐵道出版社，2007.

[2]中鐵三局集團(tuán)有限公司.鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[M].中國(guó)鐵道出版社,2011.

[3]朱紅娟,朱文通,羅思欣.C60 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)[J].公路交通技,2009（8）.