铁路高性能混凝土配合比设计

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　　【摘要】本文结合笔者所在公司（水电十一局）参与京沪高铁项目建设所得经验，就京沪高速铁路济南段高性能混凝土配合比设计进行了研究，并得出一些自己的体会和看法。
　　【关键词】高性能混凝土；定义；耐久性
　　
　　1 工程概况
　　京沪高速铁路是我国自行修建的世界一流的高速铁路，设计时速为350km/小时，运营时速将达到400km/小时。我工区施工的济南区段有298片混凝土现浇箱梁，五个大跨度现浇混凝土连续梁。由于工期紧，施工量大，我们对配合比进行了设计及优化。
　　2 高性能混凝土配合比设计注意事项
　　根据设计图纸及规范，箱梁的混凝土技术要求为：环境作用条件等级为T2，28d抗压强度C50、弹性模量≥3.55×104MPa，56天龄期冻融次数为≥200次、抗渗≥P20、电通量≥1000C，设计使用年限为100年，所以该铁路是以耐久性为主要设计控制指标。
　　2.1 原材料选择
　　原材料的选择对高性能混凝土是十分重要的，要想提升混凝土的耐久性、可施工性、适用性等，使之达到高性能，就必须选择优质的原材料。
　　2.2 高性能混凝土配合比设计应遵循的原则
　　高性能混凝土配合比首先应考虑适量掺用优质粉煤灰、磨细矿渣粉等矿物掺和料； 其次是混凝土的胶凝材料用量及水胶比，C30及以下混凝土的胶凝材料总量不宜高于400 kg/m3，C35～C40混凝土不宜高于450 kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500 kg/m3， 最低胶凝材料用量根据不同的环境条件、作用等级及设计使用年限进行确定；再次是控制混凝土中的有害物质――碱含量和氯离子；最后是考虑混凝土的施工工艺，达到满足施工要求的具有良好的拌合物性能的混凝土。
　　3 混凝土配合比计算
　　3.1混凝土配置强度的计算
　　考虑混凝土采用现场拌和站集中搅拌，混凝土强度标准差σ取5.5
　　则fcu，0= fcu，k+1.645σ=50+1.645×5.5=59.0（MPa）
　　式中 fcu，0――混凝土配置强度（MPa）
　　fcu，k――混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）
　　σ――混凝土强度标准差（MPa）
　　3.2混凝土水灰比计算
　　水泥选用山东平阴山水水泥有限公司生产的42.5MPa普通硅酸盐水泥，富余系数取1.0即：fce =1.0×42.5=42.5（MPa）
　　则W/C=（A×fce）/（fcu，0+A×B×fce）=0.323
　　式中A，B为回归系数，分别为0.46,0.07。
　　按照科技基 [2004] 120号《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》要求，水胶比不宜大于0.35，所以取0.32、0.29进行试办计算。（由于工期原因，为使现浇梁3至5天能进行初张拉，根据3强度结果，最终选择0.29水胶比，所以下文几个表只列举了0.29水胶比的试验结果）。
　　3.3混凝土砂率及粗骨料级配的确定
　　采用最优砂率法，根据混凝土粗骨料的孔隙率试验进行确定混凝土的砂率，粗骨料的级配有不同比例最大容重法确定。本标段粗骨料粒径为5―10mm和10―20mm人工碎石，细骨料为河砂。通过上述方法确定初步试拌砂率为38%。
　　3.4混凝土各原材料单方用量计算
　　混凝土单方材料计算有体积法和容重法，本配合比采用假定容重法，按下列公式计算：
　　mc0+mg0+ms0+mw0=mcp
　　βs= ms0/( mg0 + ms0)×100%
　　式中mc0――每立方米混凝土水泥用量；
　　mg0――每立方米混凝土粗骨料用量；
　　ms0――每立方米混凝土细骨料用量；
　　mw0――每立方米混凝土用水量；
　　βs――砂率；
　　mcp――每立方米混凝土拌和物的假定重量（kg），其值一般可取2350~2450 kg。
　　本配合比碎石最大粒径为20mm，取2400 kg计算并试拌，经过试拌及对混凝土拌合物容重测定，混凝土的容重最终为2360 kg/m3。
　　3.5最终配合比
　　考虑混凝土水化热及耐久性技术要求，矿物掺合料采用粉煤灰和矿渣粉双掺的方式，同时为了保证冬季施工，掺合料选择了不同的掺量，最终配合比见表1，混凝土拌和物性能见表2，混凝土硬化后指标检测见表3。
　　表1
　　配合比编号 水泥（kg） 细骨料（kg） 粗骨料（kg） 水（kg） 粉煤灰（kg） 矿渣粉（kg） 外加剂（kg）
　　A 348 653 1066 144 74 74 4.96
　　B 397 653 1066 144 50 50 5.467
　　C 447 653 1066 144 25 25 6.958
　　表2
　　配合比编号 坍落度（mm） 扩展度（mm） 含气量（%） 泌水
　　A 215 550 3.8 无
　　B 210 500 3.8 无
　　C 205 500 3.6 无
　　表3
　　配合比
　　编号 抗压强度（MPa） 压缩弹性模量（GPa） 电通量（C） 28d抗冻性 抗裂性 抗渗性
　　 3d 7d 28d 7d 28d 56d 质量损失率
　　（%） 相对动弹性模量（%） 56d 56d
　　A 40.0 57.7 65.4 40.2 44.8 585 1.5 82.3 无裂纹 ＞P20
　　B 43.0 58.8 69.7 42.6 44.0 507 1.2 87.6 无裂纹 ＞P20
　　C 46.1 58.0 65.0 38.0 43.8 541 1.3 89.9 无裂纹 ＞P20
　　3.6混凝土有害物含量
　　根据《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》铁建设［2005］160号，铁路高性能混凝土有害物含量计算如下：
　　混凝土总碱含量=水泥用量×水泥碱含量+粉煤灰用量×1/6×粉煤灰碱含量+矿渣粉用量×1/2×矿渣粉碱含量+外加剂用量×外加剂碱含量+用水量×水的碱含量；
　　混凝土总氯离子含量=水泥用量×水泥氯离子含量+粉煤灰用量×粉煤灰氯离子含量+矿渣粉用量×矿渣粉氯离子含量+外加剂用量×外加剂氯离子含量+用水量×水的氯离子含量+细骨料的用量×细骨料氯离子含量+粗骨料的用量×粗骨料的氯离子含量。
　　经计算，该C50高性能混凝土配合比中编号为1的配合比混凝土总碱含量为2.42kg/m3；混凝土总氯离子含量为0.116 kg/m3，占胶凝材料的百分比为0.023%；编号为2的配合比混凝土总碱含量为2.56kg/m3；混凝土总氯离子含量为0.121 kg/m3，占胶凝材料的百分比为0.024%；编号为3的配合比混凝土总碱含量为2.71kg/m3；混凝土总氯离子含量为0.127 kg/m3，占胶凝材料的百分比为0.026%。
　　3.7 C50现浇梁现场强度分析
　　上面三个图分别为配合比A、B、C龄期为4-8天内的强度统计，从图可以看出配合比早期强度B优于A、C优于B。
　　28天龄期标准养护试件强度平均值配合比A为：57.1MPa；配合比B为：59.7MPa；配合比C为：57.6MPa。从28天标准养护试件平均强度来看，配合比B的后期强度要略高于配合比A和B。这就说水泥用量增加可以提高混凝土强度，但是有一个合理的范围，到达这个范围后再想提高混凝土的强度就只能借助于掺合料和外加剂。
　　同时，我们可以看出，根据不同的龄期强度要求，使用不同的配合比，对工程的进度乃至成本十分重要。
　　4 结语
　　通过对京沪高铁三标段灌注桩、承台、墩身、现浇梁等高性能混凝土配合比室内设 计及现场质量控制，我们发现影响混凝土强度的主要因素为水灰比、水泥用量、砂率、外加剂掺量，其主次顺序为：水泥的用量――外加剂的掺量―― 水灰比――砂率 ；另外就是耐久性，要使混凝土获得很好的耐久性、抵抗化学侵蚀，掺加磨细优质矿渣粉是必不可少的，矿渣粉粒径小，填充了混凝土内部微小空隙，使混凝土更加密实，增加了混凝土对外界环境侵蚀的抵抗能力。
　　以上影响砼强度因素的规律符合砼的强度理论，在水泥强度和其它条件一定的情况下 ，砼的强度随着水泥用量的提高而增加 ，但是，由于受到水泥强度的限制，砼的强度只能达到一个合理的强度值。因此，砼的强度要进一步提高，掺加砼高效减水剂是一种有效的法。由于水灰比受到水泥用量的影响 ，所以在此降为次要因素。

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