王曉鋒

(中鐵十八局勘察設計院　天津300222)

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凍融環(huán)境下混凝土配合比的設計

王曉鋒

(中鐵十八局勘察設計院天津300222)

摘要：介紹了大西鐵路客運專線土建六標段仁義河特大橋承臺在凍融2級環(huán)境下，高抗凍混凝土(C35，F(xiàn)300)配合比的設計與試驗方法.

關鍵詞：凍融環(huán)境；配合比；抗凍試驗

0引言

高寒地區(qū)結構混凝土耐久性一直是個備受關注的問題，如何更好地保證混凝土質量，降低成本，則是對混凝土配合比設計及外加劑的選用提出了更高的要求.現(xiàn)我國在北方高寒地區(qū)施工的基礎建設項目，混凝土抗凍性，一直需要更好的研究和完善，對保證混凝土質量的前提下，如何節(jié)約降造，保證冬季施工進度，提出了更高的要求.大西鐵路客運專線仁義河特大橋起訖里程為DIK434+898.97～DIK435+795.00，孔跨布置為3×32.0 m現(xiàn)澆預應力箱梁+6×(64+64) m預應力砼連T形剛構；全橋共280根樁、14個承臺、14個墩、2個橋臺.橋臺均為雙線一字形橋臺，橋墩包括圓端形橋墩和矩形空心橋墩兩種形式，設計速度250 km/h.

根據(jù)大西鐵路客運專線仁義河特大橋所在地近50年氣象水文資料，當?shù)貧夂驕夭钶^大(最大溫差19℃)，寒冷期長達169天(以當日最低氣溫低于-1℃統(tǒng)計)，每年的日最低氣溫低于-20℃日多達29天，因大橋部分承臺位于仁義河水位變化區(qū)，故承臺砼設計為凍融2級環(huán)境，這對混凝土配合比設計提出了更高的標準.

1混凝土的凍融破壞機理

混凝土是一種多孔性材料，在拌制混凝土時為了得到必要的和易性,加入的拌和水總要多于水泥的水化水，這部分多余的水便以游離水的形式滯留于混凝土中，形成連通的占有一定體積的毛細孔，這種孔隙中的自由水就是導致混凝土遭受凍害的主要原因.吸水飽和的混凝土在凍融過程中遭受的破壞力主要由兩部分組成：一是膨脹壓力，二是滲透壓力.

另外，過冷水遷移滲透的結果必然會使毛細孔中冰的體積不斷增大，從而形成更大的膨脹壓力，當混凝土受凍時，這兩種壓力會損傷混凝土的內部微觀結構，在經過反復多次凍融循環(huán)后,損壞逐步積累并不斷擴大，發(fā)展成相互連通的大裂縫，使混凝土的強度逐漸降低，最后混凝土結構由表及里遭受破壞.

2高抗凍混凝土配合比設計

對于有凍融要求的混凝土配合比設計，就是在普通混凝土配合比設計的基礎上，把凍融耐久性考慮進去，在我國目前的有關標準規(guī)定中，高抗凍混凝土在滿足其他普通混凝土設計的基礎上，還必須滿足以下要求：

(1)高抗凍混凝土必須添加引氣劑，含氣量控制在5%～6%范圍內；

(2)高抗凍混凝土必須提高混凝土的密實性，水灰比不應大于0.55；

其中摻加外加劑的方法是最可靠的方法.具體設計與研究步驟如下：

2.1　合理選擇外加劑

對于抗凍要求高的混凝土來說，根據(jù)標準要求，必須摻加引氣劑和減水劑.混凝土摻入引氣劑后，可在混凝土中引入微小氣泡，減緩膨脹壓力，不僅在表面無冰時減輕大體積冰誘導冰凍的出現(xiàn)，并且在過程中也減輕了冰擠出的損害，消納更多的毛細孔中冰凍所產生的多余體積，有助于保護混凝土免受損害，從而提高混凝土的抗凍能力；而摻加減水劑不僅能夠提高混凝土的和易性，節(jié)約水泥，更能降低混凝土的水灰比并使其充分水化，從而可能生產出實際上不包含可凍水的飽和混凝土及不包含毛細水的混凝土，而凝膠材料中空間極微細，結晶的始發(fā)十分困難，并不發(fā)生凍結，從而也能提高混凝土的抗凍能力.

高抗凍混凝土摻加外加劑有三種方法：(1)引氣劑單摻法；(2)引氣劑和減水劑雙摻法；(3)摻加減水引氣復合型外加劑.根據(jù)經驗，雙摻效果好，而摻加復合型外加劑更優(yōu)于雙摻.

本工程主要使用HT聚羧酸高性能減水引氣復合型外加劑.外加劑最優(yōu)摻量要根據(jù)混凝土抗凍設計標號及所用原材料情況(骨料為5～31.5 mm碎石、2.6細度模數(shù)的中砂、吉崗P·O 42.5普通硅酸鹽水泥)，參考產品推薦摻量(水泥用量的1.0%)通過試驗確定.

含氣量配合比設計及試驗結果見表1，外加劑摻量試驗設計選取3個配合比進行試配，選取含氣量范圍在5%～6%，試驗結果見表2.

表1含氣量配合比設計試驗結果

方 案123用水量/(kg·m-3)175170165外加劑摻量/%0.81.01.2水膠比0.390.380.37砂率/%363737坍落度/mm150150150容重/(kg·m-3)238023952400

表2外加劑摻量方案試驗結果

摻 量/%0.81.01.2坍落度/mm175160175含氣量/%3.95.25.8和易性較好,稍泌水好好

由表1的試驗結果可見，適當增加砂率可保證混凝土密實；增加外加劑摻量，既可以減少混凝土用水量，又能保證混凝土的含氣量達到所要求的范圍，提高混凝土的抗凍性能，同時較好的和易性又能保證混凝土泵送施工

由表2的試驗結果可見，外加劑摻量為0.8%時，和易性較好，稍泌水；1.0%摻量時，和易性好，但含氣量偏低；1.2%摻量時，和易性好，含氣量符合要求.考慮施工時運輸、振搗等不可控制因素選擇，選用水泥用量的1.2%外加劑摻量最為合適，對混凝土成型后內實外美提供保證.

2.2　配合比設計

一般情況下，摻外加劑混凝土配合比沒有特殊要求，可按普通混凝土進行設計，但在減水或節(jié)約水泥的情況下，應對砂率、水泥用量、水灰比等作適當調整.其步驟為：

2.2.1計算配制強度

Fcu,o=Fcu，k+1．645φ.

(1)

2.2.2根據(jù)保羅米公式計算W/C

fcl，n=ARc(C/W-B).

(2)

由于式(2)是在不摻外加劑和混合材料的情況下推導的，所以此公式算出的W/C，只能用做摻外加劑后計算減水率的參考.根據(jù)耐久性要求驗證W/C是否滿足最大水灰比要求.

2.2.3計算用水量及膠凝材料用量

首先根據(jù)粗骨料的最大粒徑選擇用水量，然后求出水泥用量.由于使用減水劑和引氣劑，減水率可達15%～20%，以此算出實際用水量.根據(jù)耐久性要求，驗證水泥用量是否滿足最小水泥用量要求.

2.2.4修正參數(shù)

由于使用外加劑，因此砂率和用水量都必須修正.

2.2.5根據(jù)假定容重法或體積法求出砂石用量.

2.2.6配合比優(yōu)化

對于引氣混凝土關鍵是看它的引氣效果是否達到要求，在外加劑摻量1.2%的情況下，選取表1的方案3作為基準配合比，水膠比分別增加和減少0.05，用水量相同，砂率分別增加和減少1%，分別設計出3個配合比，見表3.

表3基準配合比及調整配合比

方 案S-001S-002S-003用水量/(kg·m-3)165165165外加劑摻量/%1.21.21.2坍落度/mm150150150水膠比0.420.370.32砂率/%363738

根據(jù)表3的設計進行混凝土配比試驗，試樣的含氣量、坍落度、56天強度及凍融試驗結果見表4、表5和表6.

表4坍落度、含氣量、和易性試驗結果

方 案S-001S-002S-003坍落度/mm190175125含氣量/%5.95.44.2和易性較好,稍泌水好好

表5抗壓強度試驗結果 MPa

時間/dS-001S-002S-003312.816.517.9525.733.337.65635.845.951.5

表6凍融試驗結果 %

方 案S-001S-002S-003標 準強度損失率23167<25重量損失率3.91.70.6<5

由表4、表5和表6可見，方案S-001含氣量、凍融性能均滿足要求，但和易性稍差，坍落度偏高，抗壓強度值低；方案S-002不僅和易性好，且坍落度、含氣量、抗壓強度及凍融性能均滿足要求；方案S-003和易性較好，但坍落度、含氣量偏低，浪費水泥.因此選取方案S-002的配合比作為最佳施工配合比.

2.3　現(xiàn)場施工

2011年10月16日，仁義河特大橋6#墩承臺選取方案S-002的配合比進行混凝土(標號C30F300)澆筑，對現(xiàn)場混凝土進行和易性試驗及試塊留置，并隨機各抽檢了4組8個點進行質量跟蹤.試驗及跟蹤結果顯示，混凝土和易性良好(坍落度滿足150～180 mm)，強度(>35MPa)、凍融性能(F300)等方面均滿足標準要求，全部合格.可見,采用方案S-002設計的配合比配制的混凝土各項性能均能滿足標準要求，而且混凝土和易性完全能夠滿足施工需要.

值得注意的是，在測量含氣量的時候，還需要振搗，以消除氣泡，所以為保證配比的真實性，最好不要用測過含氣量的混合料再制作抗壓試件，以免產生試驗誤差.

3結語

綜合以上試驗結果及施工效果分析，配制高抗凍混凝土最有效的方法除了添加減水劑外，還必須摻加引氣劑，同時盡可能減少單位混凝土用水量，選取最優(yōu)砂率，注意避免施工中消泡作用的工藝施工方法(如振搗和靜停時間過長等)，以保證發(fā)揮引氣劑的作用，才能達到提高混凝土抗凍要求及內實外美的效果.

由于選取抗凍配合比的試驗比一般普通混凝土試驗周期長，故應提前做好試驗準備，以保證在開工時得到正確的混凝土配合比，從而保證工程進度及質量.

參考文獻:

[1]陳本沛.混凝土結構理論和應用研究的理論與發(fā)展[M].大連：大連理工大學出版社,1994.

[2]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB10005—2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社,2011.

(責任編輯鄧穎)

Design and Research of Concrete Mix Ratio under Freezing-thawing Environment

Wang Xiaofeng

(Survey and Design Institute, China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd., Tianjin 300222)

Abstract：The paper introduces a high anti-freezing concrete mixture (C35, F300) and its test method in the construction of the 6th Renyi River bridge pile caps of a railway passenger-dedicated line under the Level 2 freezing and thawing environment.

Key words：freezing-thawing environment; mix ratio; anti-freezing test

中圖分類號：U214.1+8

文獻標志碼：A

文章編號：1008-293X(2015)10-0084-03

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2015.10.18

*收稿日期：2015-08-24

作者簡介：王曉鋒(1980-)，男，甘肅靖遠人，工程師.研究方向：原材料質量檢測及混凝土各類試驗檢測.