高性能混凝土配合比设计措施
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作者: 吉联钦
摘要：介绍了官地水电站工程中高性能混凝土配合比设计思想及采取的技术措施。通过采用优质缓凝高效减水剂、I级粉煤灰、限制原材料及混凝土中总碱含量与Cl―含量、减小水胶比、增大粉煤灰掺量等综合措施和技术路线，有效地降低了混凝土单位用水量，改善了混凝土的工作性，保证混凝土抗冻耐久性，提高了混凝土的体积稳定性，实现了高性能混凝土的设计目标。
关键词：
官地水电站位于雅砻江干流下游、四川省凉山彝族自治州西昌市和盐源县交界的雅砻江上。前期大桥沟大桥主体结构设计为耐久性混凝土。因此，该桥的混凝土配合比设计就是要在满足混凝土设计技术指标、适应施工技术方案的前提下，尽可能降低混凝土单位用水量。配合比优化的目标是在满足设计技术指标及施工要求的前提下，达到高性能混凝土的要求，使混凝土具有较高的耐久性、高韧性、抗裂性、低热性、体积稳定性、良好工作性和经济合理性。为此，我们在混凝土配合比试验设计过程中，根据，混凝土设计指标要求和地方材料的特点，对原材料进行了优选，采取小水胶比和增大粉煤灰掺量等技术路线，对配合比进行了优化。在优化过程中主要采取了如下几项技术措施：
1 掺用I级粉煤灰改善混凝土性能
骨料采用打罗砂石系统生产的以玄武岩为母岩人工骨料，水泥采用四川峨眉水泥厂生产“峨胜”牌P・O42.5水泥，各项性能指标均满足规范要求。通过对2个厂家不同品质的粉煤灰进行品质检验及混凝土单位用水量试验。发现：A、I级粉煤灰具有一定的减水效果，Ⅱ级粉煤灰没有减水作用，而Ⅲ级粉煤灰反而增加了混凝土的单位用水量；B、 I级粉煤灰需水量比X与混凝土单位用水量W存在特别显著的相关关系，其相关关系式为：W＝8.176＋1.483X（kg／m3），相关系数r0，994，均方差S0.97。试验结果分析表明，粉煤灰需水量比是反映粉煤灰品质的重要指标，它直接影响混凝土单位用水量。
表1 I级粉煤灰不同掺量与二级配混凝土用水量的关系
在试验条件为重庆珞璜电厂I级粉煤灰，需水量比91%，长安育才GK-4A缓凝高效减水剂，长安育才GK-9A引气剂，四川峨眉水泥厂生产“峨胜”牌P・O42.5水泥，打罗砂石系统生产的以玄武岩为母岩人工骨料，配合比计算按绝对体积法，骨料以饱和面干为准，试验环境温度23℃，湿度83%，坍落度7～9 CM，水胶比0.35时，I级粉煤灰不同掺量与二级配混凝土单位用水量的关系见表1，水泥检验、粗、细骨料检验结果分别见表2，见表3，见表4。均满足规范要求。
通过不同规格粗骨料振实组合容重试验，选择最佳的粗骨料级配组合，以利于降低混凝土单位用水量，提高混凝土拌和物的和易性，本次试验在经验范围内进行，一般骨料级配以振实容重最大、振实空隙率最小为选择原则。
表2 “峨胜”牌P・O42.5水泥物理力学性能试验结果
从表1数据可以看出，在其他材料不变的情况下，混凝土中掺入优质的I级粉煤灰可以减少混凝土单位用水量，且单位用水量随粉煤灰掺量的增加而减少。
混凝土中掺入优质的I级粉煤灰后，以水胶比0.38，达到相同含气量的情况下进行试验，混凝土的抗冻性显著改善。二级配混凝土抗冻试验结果见表5。
I级粉煤灰对混凝土所产生的一系列效果，主要是由其形态效应、火山灰效应及微集料效应产生的。I级粉煤灰的减水作用是由形态效应和微集料填充效应所决定。粉煤灰中的玻璃微珠能使水泥砂浆粘度和颗粒之间的摩擦力降低，使水泥颗粒充分分散，在相同坍落度下使混凝土单位用水量减少；颗粒较细，可以改善胶凝材料的颗粒级配，使填充胶凝材料孔隙的水量减少，因而其到降低了混凝土单位用水量要求。I级粉煤灰颗粒细，水化反应的表面积比Ⅱ级粉煤灰大，火山灰反应更充分。另外，由于粉煤灰中的火山灰反应减少了界面区域的Ca（OH），改善了界面结构，从而改善了混凝土的性能。
表3 粗骨料品质检测结果
表4 人工砂品质检验结果
表5 1级粉煤灰混凝土的抗冻性
混凝土中掺入优质的I级粉煤灰后，混凝土保塑性有了明显的提高，确保入仓混凝土具有合适的工作度和满足设计要求的耐久性。
试验以二级配混凝土的水胶比0.38进行，重庆珞璜电厂I级粉煤灰掺量为15%，GK-4A掺0.8%、GK-9A掺0.6/万，混凝土坍落度控制在7～9cm，含气量控制3～5%，水泥以“峨胜”牌P・O42.5水泥进行试验，试验结果见表6、图一。
表6 混凝土停放时间与坍落度损失试验结果
I级粉煤灰的这些效应，使其具有改善混凝土拌和物和易性的作用，减少了混凝土的泌水量，减少了骨料下部水囊的形成，提高了水泥与骨料的粘结强度，改善了混凝土的力学性能，混凝土各项性能指标均得到有益改善。因此，该工程混凝土配制过程中，I级粉煤灰作为非常重要的改性材料被采用。
2 选用优质高效减水剂降低混凝土单位用水量
高性能混凝土配制中一般要采用高效减水剂，而高效减水剂中的聚羧酸减水剂是目前最热的一种，主要优点有对水泥的适应性好、坍落度损失小；增强效果潜力大；收缩小；有一定的引气量；总碱含量极低。但我们必须清醒地认识到，并不是使用高性能减水剂配出来的混凝土一定是高性能，高性能减水剂不等于高性能混凝土。
通过优选试验，选择出减水率大于20%、其他指标均满足DL/T5100-1999要求的GK-4A、NOF-2B两种缓凝高效减水剂供该工程使用，检验结果见表7。
表7 缓凝高效减水剂检验成果
试验结果表明，2种减水剂在给定掺量的条件下，减水率基本相同，混凝土强度比也基本相当。
3 合理选择水胶比确保混凝性能
混凝土配合比设计参数主要包括水胶比、砂率、用水量及粉煤灰掺量等，而水胶比是混凝土配合比设计中的最主要参数，合理选择配合比参数可获得性能优良而且经济性好的混凝土。水胶比越大，混凝土孔隙率越大，强度越低，耐久性越差。过大的水胶比不利于掺入粉煤灰混凝土的内部微结构的发展，同时影响混凝土的耐久性与强度。只有在低水胶比的前提下，粉煤灰的作用才能得以充分发挥。选择时除了保证混凝土强度和工作性外，目光更多的放在耐久性上而且要注意克服“以耐久性为目的，却按强度进行设计”的错误做法。混凝土发展到今天，强度已经不再是制约混凝土发展的瓶颈，对于绝大多数工程来说满足设计强度和工作度很容易达到，但是为什么会有很多工程出现各种各样的问题，为什么加固公司、裂缝处理公司如雨后春笋般发展起来，这些都值得我们思考。
经济性也是一个在混凝土配合比设计中值得考虑的，从原材料成本上看，高性能混凝土可能要比普通混凝土高一点，但我们必须改变以单纯初建成本来衡量混凝土是否经济的观点。比如，20世纪50年代，美国经历了大规模基础建设时期，二十多年后昂贵的维修费远远超过当初建设费，鉴于这样的教训美国政府以法律，政令的
方式在全国推行“全寿命的经济分析法”。笔者建议我国在高性能混凝土推广过程中，这样教训也值得我们去评价和学习。该工程选用了品质优良的高效减水剂和I级粉煤灰，二级配混凝土用水量降低到145kg／m3左右，为采用较低水胶比创造了有利条件。
4 限制碱含量防止混凝土碱骨料反应
凉山州材料检测中心对该工程所用粗骨料与细骨料进行了碱活性检验，评定为非活性骨料。为防止工程建成后一百年内发生碱活性反应破坏混凝土寿命，从长期耐久性考虑，《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》除对水泥、粗骨料、细骨料、外加剂、拌和用水和混凝土中的碱总含量提出了限制要求（见表8）外，还要求混凝土配合比设计时进行总碱含量验算。
表8 碱含量技术指标
本工程混凝土配合比设计时对各原材料的碱含量进行了试验并对混凝土的总碱含量进行了验算，均符合有关技术指标要求。
5 控制CI―含量确保混凝土耐久性
混凝土成型后硬化混凝土中的水溶CI―是引起钢筋锈蚀、混凝土腐蚀的首要因素。控制混凝土中的CI―含量，对于减少混凝土中CI―的渗透、确保混凝土耐久性有着至关重要的作用。《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》对水泥、粉煤灰、粗骨料、细骨料、外加剂、拌和用水和混凝土中的CI―含量提出了限制要求，对56d电通量也做了明确规定（见表9）。
表9 CI―含量及电通量技术指标
本工程混凝土配合比设计时对各原材料的CI―含量进行了试验，对混凝土的CI―总含量进行了验算，均能满足有关技术指标的要求。
6 结语
大桥沟大桥混凝土配合比设计中采用I级粉煤灰和品质优良的缓凝高效减水剂，最大限度地降低混凝土单位用水量，成功地将二级配混凝土单位用水量降低到145kg／m3以下，降低混凝土绝热温升和干缩，提高了混凝土的抗裂性和施工和易性；掺加I级粉煤灰、降低水胶比，提高了混凝土的耐久性，使混凝土抗冻性达到F300；采用符合碱含量和CI―含量技术指标要求的原材料，也满足了混凝土耐久性的设计规范要求。结合环境条件和特点，不允许针对过多单一破坏因素研究，而忽略了常常在建筑物中出现的多因素共同作用的研究，采取专门有效的措施，以充分保证混凝土工程的耐久性设计要求。这些措施的采用，使该大桥混凝土配合比设计实现了高性能混凝土的目标。
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