陳平

摘要 為進(jìn)一步探究高速公路工程高性能混凝土的優(yōu)化設(shè)計(jì)，文章以某地高速公路工程對(duì)高性能混凝土的實(shí)際需求為案例展開(kāi)研究，在結(jié)合實(shí)際情況選取原材料的基礎(chǔ)上，首先通過(guò)調(diào)整原材料配比，以提升力學(xué)性能和耐久性為目標(biāo)對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定每1 m3混凝土的配合比如下：水150 kg、水泥230 kg、粉煤灰160 kg、砂796 kg、石1 099 kg、減水劑3.5 kg/m，然后對(duì)該配合比制備的混凝土進(jìn)行力學(xué)性能及耐久性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，基于上述配合比制備的混凝土在力學(xué)性能和耐久性方面均具有一定優(yōu)勢(shì)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 高速公路工程；高性能混凝土；力學(xué)性能；耐久性；試驗(yàn)檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào) U445.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0100-03

0 引言

由于當(dāng)前的高速公路工程通常面臨著更高的通行壓力和更為復(fù)雜的環(huán)境因素影響，因此其對(duì)于高性能混凝土的要求也進(jìn)一步升級(jí)，其中較為關(guān)鍵的指標(biāo)則是力學(xué)性能及耐久性?；谏鲜鲆?，在具體的研究工作中，則應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，分析高性能混凝土在目標(biāo)項(xiàng)目匯總可能遭受的各種物理、化學(xué)方面的影響因素，分析如何優(yōu)化設(shè)計(jì)以提升其力學(xué)性能及耐久性。

1 實(shí)驗(yàn)原材料與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

該次研究主要針對(duì)西南地區(qū)某高海拔山地地形下的高速公路工程進(jìn)行，該工程規(guī)模較大，全線橋梁共計(jì)266座，總長(zhǎng)約90 km，隧道25座，全線水泥混凝土用量約240萬(wàn)立方米，均選用高性能混凝土進(jìn)行施工作業(yè)。對(duì)此，工程單位決定對(duì)該次使用的高性能混凝土進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以符合該工程面臨的復(fù)雜環(huán)境需要。

結(jié)合實(shí)際情況，該次制備高性能混凝土的原材料選取結(jié)果如下：水泥采用普通硅酸鹽水泥PO42.5；細(xì)集料采用水洗河砂，粗集料采用級(jí)配為5～10 mm的花崗巖碎石，粗細(xì)集料指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求；減水劑采用減水率為27%的聚羧酸系高性能減水劑；粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰。

在選定材料后，結(jié)合該次實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，進(jìn)行以下幾方面的實(shí)驗(yàn)：一是對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，使用混凝土強(qiáng)度檢測(cè)儀器，對(duì)各個(gè)混凝土試樣28 d齡期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)；二是對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，使用混凝土強(qiáng)度檢測(cè)儀器，對(duì)各個(gè)混凝土試樣分別在3 d、7 d、14 d、28 d和56 d齡期劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)；三是對(duì)混凝土抗壓彈性模量進(jìn)行檢測(cè)；四是對(duì)混凝土抗?jié)B性能以及抗氯離子滲透性能進(jìn)行分析，以檢驗(yàn)其耐久性。

2 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 配合比設(shè)計(jì)

結(jié)合該次工程對(duì)高性能混凝土的強(qiáng)度要求等級(jí)為C30的實(shí)際條件，在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合已有研究經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)資料，從以下幾個(gè)方面著手進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)：①設(shè)置水膠比基準(zhǔn)值為0.40。②為兼顧混凝土的和易性和黏聚性，設(shè)置砂率為3%。③外加劑摻量設(shè)置為水泥膠凝材料的0.6%。基于上述原則，初步設(shè)定配合比如下：按生產(chǎn)1 m3混凝土計(jì)算，所需材料包括水166 kg、水泥328 kg、粉煤灰87 kg、砂689 kg、石1 127 kg、減水劑2.49 kg。

在得到初始配合比后，以此為基準(zhǔn)對(duì)水膠比和砂率進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)三組不同的配合比，其中三組實(shí)驗(yàn)的水膠比分別為0.35、0.40、0.45；砂率分別為37%、38%和39%，以此分析三組實(shí)驗(yàn)所制備的混凝土的初始性能，具體如表1所示。

結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)分析可知，C組的28 d抗壓強(qiáng)度低于38.2 MPa，不符合實(shí)際要求，因此不考慮該組配置。進(jìn)一步分析A、B兩組的性能，考慮該次設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)降低水泥用量，以提升混凝土抗裂性能并降低水化放熱量，因此最終確定A組為實(shí)驗(yàn)配合比，該配合比的數(shù)據(jù)如下：水膠比為0.35，砂率為37%；按生產(chǎn)1 m3混凝土計(jì)，共計(jì)用水166 kg、水泥328 kg、粉煤灰87 kg、砂689 kg、石1 127 kg、減水劑2.49 kg。

2.2 配合比優(yōu)化

為進(jìn)一步優(yōu)化混凝土的綜合性能，進(jìn)一步應(yīng)用密實(shí)骨架堆積法對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其主要作用則是使混凝土的密度盡可能達(dá)到最密實(shí)狀態(tài)，保證在最節(jié)約水泥的情況下仍可保持混凝土的強(qiáng)度。因此，基于密實(shí)骨架堆積的相關(guān)理論，調(diào)整配合比的關(guān)鍵在于改變密度和細(xì)度均較低的材料，因此以粉煤灰和砂的摻量作為變量進(jìn)行優(yōu)化[1]。

基于該配合比優(yōu)化原理，選取該次制備混凝土過(guò)程中應(yīng)用的砂和粉煤灰進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，稱(chēng)取一定量的烘干砂摻雜粉煤灰，粉煤灰的摻雜量從5%開(kāi)始，按照3%的梯度逐步遞增，當(dāng)估計(jì)密度達(dá)到峰值附近后，將增幅縮減至1%繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，直至觀察到明顯峰值為止，由此得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

如圖1所示，通過(guò)應(yīng)用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析后，可得到一條二次函數(shù)曲線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.974 3，擬合度較優(yōu)，可以此近似描述粉煤灰摻雜量與混合料最大單位重之間的關(guān)系。對(duì)該擬合函數(shù)求導(dǎo)，并令導(dǎo)函數(shù)值為零，即可求得極值點(diǎn)為0.165，表明粉煤灰摻雜體積分?jǐn)?shù)為砂的16.5%時(shí)效果相對(duì)最優(yōu)，此時(shí)的最大單位重為1 761.3 kg/m3。

另外，基于上述已確定的粉煤灰與砂混合料作為細(xì)集料，以碎石作為摻雜物進(jìn)一步開(kāi)展最大密實(shí)填充實(shí)驗(yàn)。碎石的摻雜體積分?jǐn)?shù)從38%開(kāi)始，以3%為梯度增加，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可見(jiàn)，通過(guò)應(yīng)用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析后，同樣得到一條二次函數(shù)曲線，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.989 9，同樣具有較優(yōu)的擬合效果，可以此近似描述細(xì)集料與碎石密實(shí)填充過(guò)程的數(shù)量關(guān)系。據(jù)此，對(duì)該擬合函數(shù)求導(dǎo)，并令導(dǎo)函數(shù)值為零，即可求得極值點(diǎn)為0.47，即碎石料摻雜體積分?jǐn)?shù)為47%時(shí)，最大單位重可達(dá)到最大值，約為2 166 kg/m3。

根據(jù)以上兩方面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，可明確砂、粉煤灰和碎石料的合理?yè)诫s比例：當(dāng)最大單位重達(dá)到允許的最大值時(shí)，石料質(zhì)量為1 148 kg、砂質(zhì)量為850 kg、粉煤灰質(zhì)量為168 kg，此時(shí)最小空隙率僅為0.19左右。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析水泥漿量的放大倍數(shù)，確保能夠兼顧降低水泥用量和保障混凝土工作性和強(qiáng)度的要求，通過(guò)數(shù)次實(shí)驗(yàn)后，得到結(jié)果如表2所示。

據(jù)此確定合理的水泥漿量放大倍數(shù)為1.2。考慮水泥漿量放大倍數(shù)特征，因此對(duì)骨料用量重新進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)，按強(qiáng)度和耐久性的要求，參照普通混凝土的水膠比設(shè)計(jì)該次配合比的水膠比值，取水膠比為0.38。由此確定該次優(yōu)化后的高性能混凝土的配合比如下：（以1 m3混凝土計(jì)算）水150 kg、水泥230 kg、粉煤灰160 kg、砂796 kg、石1 099 kg、減水劑3.5 kg/m3。

3 高性能混凝土力學(xué)性能測(cè)試及耐久性實(shí)驗(yàn)分析

3.1 混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試

在確定優(yōu)化后的混凝土配合比后，首先對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。在該環(huán)節(jié)中，首先將按照配合比制作邊長(zhǎng)為150 mm的正方體混凝土試塊，對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后，將試件放置在壓力機(jī)下的承壓板上；然后調(diào)整無(wú)誤后開(kāi)始進(jìn)行加壓實(shí)驗(yàn)，均勻連續(xù)加荷至試件發(fā)生破壞；最后記錄其抗壓強(qiáng)度值。由此，對(duì)較具代表性的16組混凝土試塊，對(duì)其28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，得到測(cè)試結(jié)果如表3所示。

基于表3中的原始數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理后，得到如下結(jié)果：上述樣本的平均值約為37.9 MPa、標(biāo)準(zhǔn)差約為1.471、變異系數(shù)約為0.036。從標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)來(lái)看，混凝土強(qiáng)度質(zhì)量的波動(dòng)情況較小，同時(shí)變異系數(shù)也較低，因此可以認(rèn)為該次制備的混凝土質(zhì)量較為穩(wěn)定。另外，根據(jù)《建筑工程施工質(zhì)量驗(yàn)收統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50300—2020）中的相關(guān)要求，該批次混凝土試件的28 d抗壓強(qiáng)度也同樣符合要求[2-3]。

3.2 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試

在混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試環(huán)節(jié)中，按照上文所述配合比，將混凝土制備為底面直徑和高均為150 mm的圓柱體試件；然后將試件放置于壓力機(jī)上，對(duì)試件進(jìn)行均勻連續(xù)加荷直至試件發(fā)生破壞；最后記錄破壞極限值，即為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。同時(shí)，為分析該次制備的混凝土在性能上的優(yōu)勢(shì)，引入常規(guī)C30混凝土試件進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可見(jiàn)，基于該次優(yōu)化后的配合比所制備的混凝土，在各個(gè)主要齡期的測(cè)試時(shí)間點(diǎn)上，劈裂抗拉強(qiáng)度值均高于常規(guī)混凝土，因此可以進(jìn)一步證明該次制備的混凝土能夠有效降低因溫度影響而發(fā)生開(kāi)裂的概率。

3.3 混凝土抗壓彈性模量測(cè)試

在混凝土抗壓彈性模量測(cè)試環(huán)節(jié)中，仍基于規(guī)格是邊長(zhǎng)為150 mm的正方體試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將試件放置于壓力機(jī)球座上，對(duì)試件逐步施加壓力。在加壓過(guò)程中，記錄下試件在0.5 MPa下所受到的壓力、混凝土試件的軸向極限力，以及混凝土在0.5 MPa到1/3軸向極限力之間的變形量。在得到上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，按照如下公式對(duì)混凝土抗壓彈性模量進(jìn)行計(jì)算：

式中，ΔF——應(yīng)力，指混凝土試件在0.5 MPa下所受到的壓力與混凝土試件的軸向極限力之間的差值（MPa）；L——測(cè)量標(biāo)距，該次為150 mm；S——混凝土試塊承壓面積（mm2）；Δl——應(yīng)變量，指混凝土試件在0.5 MPa到1/3軸向極限力之間的變形量（mm）。

基于式（1）進(jìn)行求解后，得到該次測(cè)試的混凝土試件的抗壓彈性模量值如表4所示。

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)可知，該次測(cè)試的混凝土試件在抗壓彈性模量指標(biāo)上，整體分布于3.8×104～4.4×104 MPa之間，符合預(yù)應(yīng)力張拉要求，表明該次優(yōu)化后的配合比較為成功，在理論上能夠克服高強(qiáng)混凝土大體積施工后出現(xiàn)裂縫的情況，滿足設(shè)計(jì)和施工的要求。

4 實(shí)際應(yīng)用效果及討論

在確定該次制備的混凝土試件在力學(xué)性能和耐久性方面均符合實(shí)際要求后，按照已知配合比進(jìn)行混凝土制備，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程。在應(yīng)用該優(yōu)化配合比制備的混凝土進(jìn)行橋梁構(gòu)筑物的澆筑后，為檢驗(yàn)其實(shí)際性能，使用回彈法對(duì)混凝土的力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，回彈儀向下彈擊時(shí)，彈擊桿分4次旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)約90 °，彈擊3～5次，取平均值后得到混凝土強(qiáng)度的測(cè)定值。

基于上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)混凝土在不同齡期的強(qiáng)度值進(jìn)行測(cè)定，并與基于經(jīng)驗(yàn)的推定值進(jìn)行比較，可以看出該次制備的混凝土在力學(xué)強(qiáng)度方面具有一定優(yōu)勢(shì)，且其測(cè)定值均高于推定值，表明該次制備的混凝土在力學(xué)強(qiáng)度上基本符合要求，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

在該次研究工作中，結(jié)合某地高速公路工程對(duì)高性能混凝土的實(shí)際需求，在結(jié)合實(shí)際情況選取原材料的基礎(chǔ)上，通過(guò)一系列的嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化，以提升其綜合性能。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該次制備的混凝土在各項(xiàng)力學(xué)性能及抗?jié)B性能方面均較具優(yōu)勢(shì)，該混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用也可證實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與推論，表明該次研究取得了初步成功。在今后的研究中，仍有必要進(jìn)一步開(kāi)展更為全面的實(shí)驗(yàn)，以更深入地了解高性能混凝土的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

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