單大江

規(guī)劃設(shè)計 Planning and design

大跨連續(xù)剛構(gòu)高性能混凝土配合比設(shè)計與應(yīng)用

單大江

（中鐵二局第三工程有限公司）

某高速公路特大橋主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，主梁為分幅式單箱雙室截面，梁體鋼筋密集且預(yù)應(yīng)力管道多。本文結(jié)合工程實際，介紹強(qiáng)度等級為C60的泵送施工高性能混凝土配合比設(shè)計及其實際應(yīng)用與性能狀況。

高性能混凝土；配合比設(shè)計；應(yīng)用

1 工程概況及施工特點

沱江特大橋是在建成資渝高速公路全線唯一控制性工程，主橋為連續(xù)剛構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，主梁為分幅式單箱雙室截面。箱梁0號梁段長13米，縱橋向劃分20個梁段，采用掛籃懸臂澆筑施工，混凝土強(qiáng)度等級C60。梁體鋼筋密集且預(yù)應(yīng)力管道多,主筋規(guī)格為φ25，鋼筋最小間隙為100mm?；炷翝仓捎帽盟褪┕?，水平距離最大85m，垂直高度45m，要求混凝土可泵性好、坍落度經(jīng)時損失小。梁段混凝土一次澆筑成型，混凝土連續(xù)澆筑時間較長，要求混凝土應(yīng)具有較長的初凝時間。主梁施工工期緊，要求混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后及時張拉預(yù)應(yīng)力束。

結(jié)合工程設(shè)計及實際情況，根據(jù)梁體混凝土所要求的強(qiáng)度、耐久性及施工中所要求的工作性能，最終決定采用緩凝、早強(qiáng)、高流動性、可泵性好的高性能混凝土，同時要求滿足就近取材、常規(guī)施工工藝以及節(jié)約成本的總體原則下，充分考慮混凝土的耐久性及早期抗裂性等指標(biāo)。

2 高性能混凝土的配合比設(shè)計

2.1 混凝土技術(shù)參數(shù)

根據(jù)行業(yè)規(guī)范《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG F50-2011及設(shè)計文件要求，結(jié)合實際施工需要，擬設(shè)計混凝土工藝性能，具體應(yīng)滿足或控制在：

（1）和易性好，可泵性好，出機(jī)坍落度160～200mm，泵送入模時的坍落度140～180mm；

（2）膠凝材料總量不大于530kg,水膠比0.28～0.34；

（3）7天強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的90%；

（4）混凝土抗?jié)B等級P12，含氣量2～4%。

2.2 原材料的選擇

本項目的原材料除地材外均采用“集中招標(biāo)、統(tǒng)一供應(yīng)”模式，由項目物資公司進(jìn)行招標(biāo)，確定材料供應(yīng)廠家名單，集中統(tǒng)一供應(yīng)各標(biāo)段。

該模式的優(yōu)點是通過公開招標(biāo)并以整個項目較大規(guī)模的集中采購量，可以最大限度的降低原材料的供應(yīng)單價，從而達(dá)到節(jié)約投資的目的。缺點是在市場競爭下，一些用量較少但作用大的原材料如外加劑、礦物摻合料等，質(zhì)量僅能達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，距優(yōu)良品有一定的差距。這類原材料如片面追求單價低，反而會引起混凝土綜合成本的增加。

在材料供應(yīng)廠家中應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)水泥和級配良好的優(yōu)質(zhì)集料，同時摻加與水泥適應(yīng)性良好的高性能減水劑及摻合料。

經(jīng)與建設(shè)單位、項目物資公司及施工方等共同協(xié)商，決定對于大跨連續(xù)剛構(gòu)高性能混凝土所使用材料，經(jīng)過“貨比三家”的廣泛選擇，最終確定的技術(shù)要求或供應(yīng)商如下：

2.2.1水泥

選擇四川峨勝P.052.5普通硅酸鹽水泥，主要指標(biāo)實測結(jié)果：比表面積346m2/kg、游離氧化鈣含量0.39%、氯離子含量0.02%、堿含量0.34%、28天抗折、抗壓強(qiáng)度分別為8.1MPa、57.4 MPa；其它指標(biāo)均滿足要求。

2.2.2細(xì)集料

經(jīng)過嚴(yán)格過程監(jiān)督控制的當(dāng)?shù)禺a(chǎn)河砂，主要指標(biāo)實測結(jié)果：細(xì)度模數(shù)2.71、含泥量0.8%、氯化物（以氯離子質(zhì)量計）0.006%，經(jīng)堿活性試驗（快速法）檢測為非活性骨料，滿足相關(guān)要求。

2.2.3粗集料

經(jīng)過嚴(yán)格過程監(jiān)督控制的當(dāng)?shù)禺a(chǎn)5～20mm連續(xù)級配碎石，由粒徑為5～16mm和10～20mm兩種規(guī)格按質(zhì)量75%：25%摻配而成。

摻配后的指標(biāo)實測結(jié)果：含泥量0.3%、壓碎值11.4%、氯化物（以氯離子質(zhì)量計）0.006%，經(jīng)堿活性試驗（快速法）檢測為非活性骨料，滿足相關(guān)要求。

2.2.4礦物摻合料

（1）選用成都產(chǎn)F類I級粉煤灰，主要指標(biāo)實測結(jié)果：燒失量2.78%、需水量比94%、細(xì)度6.8%、氯離子含量0.032%、堿含量0.51%。

（2）選用四川產(chǎn)S95礦粉，主要指標(biāo)實測結(jié)果：比表面積為422m2/kg、7天活性指數(shù)77%、28天活性指數(shù)96%、流動度比97%、燒失量2.14%、氯離子0.017%、堿含量0.73%。

2.2.5外加劑

選用重慶產(chǎn)聚羧酸高性能緩凝型減水劑，為確保均勻性、穩(wěn)定性，經(jīng)多次試驗，最終決定摻量為1.7%。

該摻量下外加劑主要指標(biāo)實測結(jié)果：減水率26%、含氣量3.2%、凝結(jié)時間之差（初凝）+155min、7天及28天抗壓強(qiáng)度比分別為145%和133%、28天收縮率比104%、坍落度1h經(jīng)時變化量30mm、含固量21.2%、氯離子含量0.16%、總堿量5.18%。

2.2.6拌合用水

使用工地的飲用水，pH值7.7、氯化物含量75mg/L、堿含量632mg/L，其它指標(biāo)均滿足要求。

2.3 原材料質(zhì)量分析

對本項目擬用原材料實測指標(biāo)的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)果：

(1)水泥的質(zhì)量較好，有一定的富余強(qiáng)度；堿含量較低，為低堿水泥；水泥細(xì)度合適，比表面積低于350m2/kg。

需要注意的是如果水泥磨的過細(xì)，比表面積達(dá)400m2/kg以上，會使水化反應(yīng)加快，水化熱較高，混凝土坍落度損失較大；水泥含堿量偏高，超過0.6%，易導(dǎo)致堿—骨料反應(yīng)，致使混凝土開裂。

(2)粗、細(xì)集料的質(zhì)量較好。

粗集料采用兩種單粒級摻配而成，摻配后級配合理，粒徑合適；壓碎值較低，材質(zhì)均勻堅固；影響強(qiáng)度的有害物質(zhì)含量較少且為非活性骨料。

細(xì)集料的級配合理、質(zhì)地堅固，為潔凈天然中砂且為非活性骨料。

(3)礦物摻合料的質(zhì)量一般，但滿足相關(guān)規(guī)范要求。

F類I級粉煤灰的燒失量，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求≤3.0%，實測2.78%；S95礦粉的活性指數(shù)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求28天≥95%，實測96%；這些關(guān)鍵指標(biāo)由于本項目的物資供應(yīng)模式，僅能達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

礦物摻合料是配置高性能混凝土的關(guān)鍵，在混凝土中可以起到填充骨料的間隙及形成潤滑膜；可以對水泥起到分散作用，改善水泥在低水膠比下的水化環(huán)境；可以延緩初期水化速率，形成較低水膠比、較大水灰比的有利環(huán)境；可以降低溫升，改善徐變能力，減小早期形成熱裂縫的危險。

本項目擬用的粉煤灰雖達(dá)到I級標(biāo)準(zhǔn)，但燒失量較大，粉煤灰中碳元素含量較多，對外加劑的吸附性大，影響混凝土的工作性。

礦物摻合料的實際質(zhì)量情況，在配合比設(shè)計中應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)臏p少摻量。

經(jīng)大量試驗，最終按試驗結(jié)果確定實際摻量。

（4）聚羧酸高性能減水劑的質(zhì)量一般，但達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

減水劑的摻量較大，固含量較低，減水率僅比技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高了1%～2%；實測抗壓強(qiáng)度比僅比技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高了3%～5%。

減水劑的這些性能均是廠家低價中標(biāo)，節(jié)約成本所導(dǎo)致，在配合比設(shè)計中應(yīng)予以充分考慮。通常應(yīng)注意：減水劑與水泥的適應(yīng)性問題，適應(yīng)性較好時減水劑能充分發(fā)揮減水效果；混凝土沒有離析和泌水現(xiàn)象；坍落度隨時間變化損失較小。

減水劑影響混凝土工作性的敏感程度，當(dāng)減水劑在推薦摻量增減0.1%～0.2%時，混凝土不應(yīng)出現(xiàn)板結(jié)、泌水現(xiàn)象或坍落度不足等。

經(jīng)過與項目物資公司確定的供應(yīng)商技術(shù)人員的聯(lián)合攻關(guān)，最終配制出了適合本工程需要的高性能混凝土外加劑。

2.4 配合比設(shè)計方案及參數(shù)確定

結(jié)合項目特點，充分考慮擬用原材料的質(zhì)量特性，在就近取材、常規(guī)施工工藝以及節(jié)約成本的原則下，采用低水膠比、同時摻入粉煤灰和礦粉、摻入適當(dāng)?shù)木埕人岣咝詼p水劑配制高性能混凝土。

2.4.1水膠比

水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵性因素，高性能混凝土的配制特點之一就是采用低水膠比。根據(jù)水膠比要求及經(jīng)驗，初步確定W/B=0.29。

2.4.2粉煤灰和礦粉雙摻

配制混凝土?xí)r采用粉煤灰和礦粉“雙摻”，可以充分發(fā)揮二者的“優(yōu)勢互補(bǔ)”，使混凝土的坍落度增加，和易性好，泌水得到改善，還可使混凝土成本得到降低。在等量取代的前提下，粉煤灰和礦粉的總摻量宜為25%～40%，粉煤灰和礦粉比例宜為2:1～1:1。

采用相同配合比，調(diào)整粉煤灰和礦粉的摻量，經(jīng)過多次試拌，觀察混凝土的坍落度、黏聚性和保水性等，結(jié)合礦物摻合料的實際質(zhì)量情況，初步選定粉煤灰和礦粉的總摻量為25%，其中粉煤灰摻量為15%，礦粉摻量為10%。

2.4.3聚羧酸高性能減水劑

聚羧酸系高性能減水劑通常具有高減水率、坍落度損失小、含堿量低、對混凝土塑性收縮影響小等特點，是配置高性能混凝土的關(guān)鍵性原材料。

通常廠家給的推薦摻量是針對C30混凝土，配置高標(biāo)號混凝土?xí)r，往往需要適當(dāng)?shù)脑黾?.1%～0.2%摻量，配置低于C30混凝土?xí)r則需減少摻量。結(jié)合外加劑的質(zhì)量，經(jīng)試拌初步選定減水劑摻量1.7%。

2.5 混凝土配合比試配、調(diào)整與確定

按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）的規(guī)定計算混凝土配合比中各原材料用量，并核算混凝土中總堿含量和氯離子含量是否滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》要求，如不滿足則應(yīng)考慮重新選擇原材料或調(diào)整計算的配合比。

計算配合比經(jīng)試拌，適當(dāng)調(diào)整混凝土用水量、砂率或外加劑摻量，調(diào)配出工作性能符合要求的混凝土配合比作為基準(zhǔn)配合比。拌制基準(zhǔn)配合比時，應(yīng)注意要采用實際進(jìn)場的原材料，攪拌方法應(yīng)與施工生產(chǎn)相匹配。每盤混凝土試配的攪拌量應(yīng)在30升左右。

經(jīng)試拌調(diào)整后確定的基準(zhǔn)配合比見表1。

表1 C60高性能混凝土基準(zhǔn)配合比

在試拌混凝土的基礎(chǔ)上，應(yīng)至少采用三個不同的配合比進(jìn)行混凝土強(qiáng)度試驗，另外兩個配合比的水膠比較試拌配合比分別增加和減少0.01，見表2。

表2 C60高性能混凝土試拌配合比

三個水膠比試拌配合比室內(nèi)實測拌合物工作性能及力學(xué)性能結(jié)果，見表3。

表3 試拌配合比拌合物工作性能及力學(xué)性能

從試拌配合比拌合物工作性能及力學(xué)性能結(jié)果中可以看出：

⑴該配合比初始坍落度、1h后坍落度保留值均滿足泵送要求，混凝土和易性好，含氣量適中。

⑵聚羧酸減水劑與水泥、粉煤灰和礦渣粉等膠凝材料的適應(yīng)性較好，混凝土的流動性好且未出現(xiàn)泌水。

⑶混凝土7天強(qiáng)度均大于設(shè)計強(qiáng)度的90%，可滿足施工張拉要求，但28天強(qiáng)度增長較緩慢。

⑷混凝土拌合物表觀密度實測值與計算值未超差，配合比可維持不變。

根據(jù)試拌配合比強(qiáng)度試驗結(jié)果，采用插值法，按稍大于配置強(qiáng)度的值70.0MPa對應(yīng)的水膠比0.287為試驗室理論配合比，見表4。

表4 C60高性能混凝土試驗室理論配合比

3 高性能混凝土配合比驗證

3.1 混凝土試驗室理論配合比驗證

試驗室理論配合比確定后，應(yīng)采用該配合比進(jìn)行不少于三盤的重復(fù)試驗，驗證混凝土的工作性變化情況和強(qiáng)度的波動情況，見表5。

表5 理論配合比室內(nèi)驗證試驗

從室內(nèi)驗證試驗結(jié)果可以看出，水膠比為0.287的C60高性能混凝土工作性穩(wěn)定，抗壓強(qiáng)度值波動較小且滿足設(shè)計要求，可以用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3.2 混凝土配合比施工過程中的驗證

高性能混凝土在施工過程中，當(dāng)原材料發(fā)生波動或施工環(huán)境變化可能會導(dǎo)致混凝土質(zhì)量發(fā)生變化，需要制作同條件養(yǎng)護(hù)試件來掌握混凝土的強(qiáng)度變化情況，便于及時調(diào)整施工配合比，同時可準(zhǔn)確的指導(dǎo)梁段預(yù)應(yīng)力束張拉施工。

通過連續(xù)制作5個梁段的同條件試件，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗和彈性模量試驗來驗證配合比，見表6。

表6 高性能混凝土同條件試件試驗結(jié)果

從同條件試件試驗結(jié)果可以得出：

⑴施工過程中，混凝土抗壓強(qiáng)度波動值在可接受的范圍中，但當(dāng)原材料、施工環(huán)境溫度發(fā)生較大變化時，應(yīng)及時調(diào)整配合比；

⑵混凝土7天抗壓強(qiáng)度和7天抗壓彈性模量均達(dá)到要求的90%以上，該混凝土配合比能滿足梁段在混凝土齡期達(dá)到7天張拉預(yù)應(yīng)力束的施工要求。

3.3 混凝土配合比耐久性驗證

混凝土耐久性與自身各組成材料所含的有害物質(zhì)有關(guān)，如氯離子、堿含量等，有害物質(zhì)含量越少，混凝土越耐久。混凝土的耐久性還與混凝土的密實度有關(guān)，混凝土越密實，抵抗外部環(huán)境中的有害物質(zhì)侵入的能力就越強(qiáng)。

結(jié)合本工程的特點，將混凝土的總堿含量、氯離子總含量、混凝土抗水滲透性能和混凝土電通量作為混凝土耐久性質(zhì)量控制指標(biāo)。

3.3.1混凝土總堿含量及總氯離子計算

依據(jù)公路行業(yè)規(guī)范，分別計算出混凝土配合比各組成材料的堿含量和氯離子含量，匯總后得出C60高性能混凝土總堿含量為1.755kg/m3，氯離子總含量占膠凝材料總量的0.047%，均滿足相關(guān)要求。

當(dāng)選定的配合比混凝土總堿含量和氯離子含量不滿足要求時，則應(yīng)重新選擇原材料或調(diào)整配合比。

3.3.2混凝土抗水滲透試驗

采用逐級施加水壓力來測定以抗?jié)B等級來表示混凝土的抗水滲透性能，混凝土抗?jié)B等級越高，說明混凝土抗?jié)B性能越好。

經(jīng)實測，該配合比混凝土抗?jié)B試件達(dá)到設(shè)計抗?jié)B等級P12時，6個試件均未滲水。試件劈裂開后，6個試件的滲水高度值在20mm～50mm。

實測結(jié)果表明，混凝土密實度較好，抗水滲透性能良好。

3.3.3混凝土電通量試驗

通過混凝土試件的電通量指標(biāo)來確定混凝土抗氯離子滲透性能，混凝土電通量越小，說明混凝土抗氯離子滲透性能越好。

經(jīng)實測，該配合比混凝土56天齡期電通量為559C，滿足行業(yè)規(guī)范≤1000C的要求。

4 結(jié)論

（1）配置高性能混凝土應(yīng)結(jié)合工程實際情況，充分考慮原材料的質(zhì)量特性，在就近取材、常規(guī)施工工藝以及節(jié)約成本的原則下，通過采用低水膠比、粉煤灰和礦粉雙摻并摻加適量的高效減水劑來實現(xiàn)。

（2）優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料和高效減水劑是高性能混凝土節(jié)約成本的關(guān)鍵，不可以追求低廉的價格而損害質(zhì)量，如此反而提高了控制成本。

（3）高性能混凝土具有較好的密實性，抵抗外部環(huán)境中有害物質(zhì)侵入的能力強(qiáng)，是工程耐久性的保證。通過本工程高性能混凝土配合比的設(shè)計、試驗、施工驗證，最終結(jié)果表明，利用優(yōu)質(zhì)的膠材和特配的外加劑，以及經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)控的當(dāng)?shù)卮旨?xì)骨料，最終得到的混凝土，無論在施工工藝性能還是其結(jié)構(gòu)性能方面，都是能夠滿足設(shè)計要求的。

[1]JTG/F50-2011,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S]

[2]JGJ 55-2011,普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S]

[3]張利平,李志剛.廣珠客運(yùn)專線C60高性能混凝土制備及性能研究[J]. 江蘇建筑,2009,(5):80-83.

TU7

A

1007-6344（2021）01-0286-03