高速公路高性能混凝土配合比設計

江小明

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162）

本文結合實際項目開展綜合研究，目標項目選定為石柱至黔江高速公路二分部管段，該線路合計13.74km（單線），主要施工內容包括三匯隧道出口段、三匯互通立交1 座、金竹隧道、七曜山隧道進口段、主線路基及三匯互通連接線等。配合比設計的科學與否，直接關系著整個項目的質量和效率，因此開展該方面的研究具有重要的現實意義。

1 高性能混凝土概述

雖然近些年很多專家學者對高性能混凝土給予了高度關注，但是在學術研究中對于高性能混凝土還沒有形成統(tǒng)一明確定義，本文綜合前人研究成果將高性能混凝土理解為采用現代制作工藝生產的耐久性、抗壓性以及穩(wěn)定性顯著提升的一種新型混凝土[1]。與常規(guī)意義上的混凝土相比，高性能混混凝土具有其自身的優(yōu)勢，比如耐久性強、設計壽命償等等。由于二者的特點不同，因此在實際施工中側重點各不相同，其中普通混凝土主要關注其抗壓強度，高性能混凝土主要關注其耐久性，同時兼顧考慮抗壓性以及穩(wěn)定性[2]。由于二者具有不同的特點，因此二者的生產也存在差異，對于高性能混凝土來說，常規(guī)生產方法難以滿足其設計需求。

2 高性能混凝土原材料分析

2.1 骨料

根據顆粒的尺度標準，可以將骨料劃分為粗、細骨料兩大類，下文有針對性的對二者的特點和差異進行詳細的闡述。首先，細骨料。為滿足高性能混凝土的實際性能，必須嚴格按照標準規(guī)范選擇合適的河砂，并從以下幾個角度進行質控。一是骨料顆粒級配必須達到規(guī)范標準，同時對于強度等級達到C30-C45 的高性能混凝土，細骨料的含泥量必須控制在2.5%以下；二是C50 級別的含泥量臨界值為2.0%，第三，如有抗凍需求，則含泥量臨界值為1.0%；四是嚴格控制云母、泥塊等物質的含量，通常情況下其臨界值一般為0.5%；五是吸水率要控制在2%以下；六是嚴格控制硫化物、氯離子等物質的含量，通常情況下其臨界值一般為0.5%、0.02%；七是堅固性應控制在8%以下。對于粗骨料，高性能混凝土主要以碎石為主，但是通常來說不建議采用砂巖碎石，主要原因在于砂巖碎石的堅硬度不夠，具體的質量要點包括如下幾個方面。首先，對于C30-C45 級別的高性能混凝土來說，需要控制骨料針片狀顆粒的含量，其閾值為8%，含泥量的臨界值為1%；如果需要滿足抗凍需求，上述兩個指標的臨界值則為7%、0.7%；其次，如果為C50 級別，那么骨料針片狀顆粒含量的臨界值為5%，相應的含泥量的臨界值調整為0.5%；第三，骨料泥塊含量的臨界值為0.2%；第四，嚴格控制骨料的硫化物、氯離子等物質的含量，通常情況下其臨界值一般為0.5%、0.02%；第五是骨料堅固性應控制在8%以下。

2.2 水泥

對于高性能混凝土來說在具體生產過程中通常不選用早強水泥，主要以42.5 普通硅鹽酸水泥為主。眾所周知，不同級別的混凝土對水泥的要求存在差異，在實際施工過程中需要結合實際情況妥善處理。部分高性能混凝土在性能方面具有一些特殊要求，那么應該基于其性能要求合理選擇水泥[3]。一般情況下水泥選擇質量要點包括如下幾個方面。一合理控制水泥比表面積指標，一般來說不超過350m2/kg；二是嚴格控制鋁酸三鈣的含量，其臨界值選取為8.0%；三是堿含量需要控制在0.8%以下；四是嚴格控制氯離子的含量，其臨界值選取為0.06%；五是嚴格控制游離氧化鈣的含量，其臨界值選取為1.0%。

2.3 礦物摻合料

對于高性能混凝土來說其礦物摻合料建議采用煤灰粉以及礦渣粉，如果材料獲取困難，也可以采用其他材料代替[4]。本文以煤灰粉為例對其質量要點進行分析。首先，對于級別為C50 以下高性能混凝土，其礦物摻合料細度一般不超過25.0%，需水量一般不超過105.0%，燒失量則需要控制在8.0%水平之下；二是C50 及以上高性能混凝土的礦物摻合料細度、需水量以及燒失量應分別控制在12.0%、95.0%和5.0%水平之下；三是嚴格控制三氧化硫的含量，其臨界值選取為4%；四是嚴格控制氯離子的含量，其臨界值選取為0.02%；五是限制氧化鈣的含量，其臨界值選取為10.0%，與之相對應的游離氧化鈣的臨界值則為1.0%六是含水量應控制在1.0%以下。

2.4 水

在配比過程中，水也是需要重點考慮的因素，在實際施工過程中多以常規(guī)飲用水為主?？傮w來說，對于水的質量控制需要重視以下幾方面。一是要求水的PH 值應該大于等于6.5；二是要求水盡量潔凈，有效控制不溶物和可溶物含量低于2g/L 和5g/L；三是限制氯化物的含量，其臨界值選取為1g/L，與之相對應的堿、硫酸鹽含量的臨界值分別選取為1.5g/L、2g/L ；四是高性能混凝土要求水的28d 強度比應該大于等于90%；五是要求水的凝結時間應該在0.5h 之內。

2.5 外加劑

高性能混凝土中最為常見的外加劑為減水劑，合理控制其含量有助于獲得良好的坍塌度，避免發(fā)生水化熱情況，保障質量。同時通過添加適量的減水劑可以增加細微氣泡數量，這種細微氣泡數量的增加對于改善抗凍性能具有積極意義，對于由抗凍性要求的混凝土特別適用。對于減水劑的使用需要結合實際性能需求，具體問題具體分析，合理選擇型號用量，以萘系高效減水劑為例，其對于改善穩(wěn)定性具有良好的作用，在具體使用過程中可以基于項目需求進行合理選擇。

3 實例分析

前文已經提及配合比設計是影響施工質量的關鍵因素之一，為保證施工質量，需要在實際施工中必須高度重視配合比設計。需要注意的是高速公路不同部位對于高性能混凝土性能具有不同的需求，因此在實際中需要考慮道路結構部位等因素的影響[5]。

3.1 樁基混凝土配合比設計研究

本文高速公路項目要求樁基部位采用C30 高性能混凝土，對配合比要求如下。一是膠材料用量的上下臨界值分別為280kg/m3、440kg/m3；二是基于水膠比指標的不同合理調整煤灰粉以及礦渣粉含量。當水膠比指標超過0.40時，煤灰粉、礦渣粉的含量最大臨界值多取為40.0%、50.0%；反之則將煤灰粉、礦渣粉的含量最大臨界值調整為為30.0%、40.0%；第三，有效控制水膠比的最大林臨界值為0.55；第四，限制氯化物、三氧化硫的含量，其臨界值分別選取為0.1%和4.0%。

3.2 墩臺體混凝土配合比設計研究

眾所周知，墩臺體是高速公路的重要構成之一，其所處的環(huán)境多以碳化、凍融環(huán)境為主，其條件特點見下表1 所示。

表1 墩臺體混凝土環(huán)境類別概述

從上表可以看出，根據不同的作用級別，可以將碳化環(huán)境進一步細分為T1、T2 和T3 等界別。其中對于T1 級別來說，墩臺體混凝土級別不能低于C30，其膠材料含量上、下臨界值分別為280kg/m3、400kg/m3，水膠比最大臨界值為0.50；對于T2 級別來說，墩臺體混凝土級別不能低于C35，其膠材料含量上、下臨界值分別為300kg/m3、400kg/m3，水膠比最大臨界值為0.50；對于T3 級別來說，墩臺體混凝土級別不能低于C40，其膠材料含量上、下臨界值分別為320kg/m3、450kg/m3，水膠比最大臨界值為0.45。在水膠比不超過0.40 的條件下，煤灰粉、礦渣粉含量的最大臨界值為40.0%、50.0%，反之當水膠比超過0.40 時，上述指標的最大臨界值為30.0%、40.0%。

從上表可以看出，根據不同的作用級別，可以將凍融環(huán)境進一步細分為D1、D2 和D3 等界別。其中對于D1 級別來說，墩臺體混凝土級別不能低于C35，其膠材料含量上、下臨界值分別為300kg/m3、400kg/m3，水膠比最大臨界值為0.50；對于D2 級別來說，墩臺體混凝土級別不能低于C40，其膠材料含量上、下臨界值分別為320kg/m3、450kg/m3，水膠比最大臨界值為0.45；對于D3 級別來說，墩臺體混凝土級別不能低于C45，其膠材料含量上、下臨界值分別為340kg/m3、450kg/m3，水膠比最大臨界值為0.40。在水膠比不超過0.40 的條件下，煤灰粉、礦渣粉含量的最大臨界值為30.0%、40.0%，反之當水膠比超過0.40 時，上述指標的最大臨界值為20.0%、30.0%。

3.3 梁體混凝土配合比設計研究

綜上研究認識，將目標項目梁體結構混凝土的級別設定為C50。實際調研發(fā)現，目標區(qū)環(huán)境對應表1 中的T2。因此，在施工設計過程中，需要限制膠材料的含量，確保其處于臨界值300 -400kg/m3 范圍內，二是注意水膠比不能超過0.35；三是確保煤灰粉不超過40.0%、礦渣粉不超過50.0%；四是在確定確定膠材料用量之后，應控制最小含氣量和三氧化硫含量分別小于其2.0%和4.0%。

4 結束語

基于上述分析，高性能混凝土相比普通混凝土在高速公路施工中具有顯著優(yōu)勢，能夠有效延長高速公路使用壽命，對于高速公路的維護和保養(yǎng)也具有積極意義。配合比設計是影響施工質量的關鍵因素之一，一方面應該基于相關標準規(guī)范和項目實際情況嚴格控制原材料質量，在此基礎上應該考慮到高速公路不同部位對于高性能混凝土具有不同的要求，因此應該基于不同結構部位分別開展混凝土配合比設計，確保高性能混凝土能夠有效滿足高速公路項目施工要求。