380 高性能混凝土配合比如何配制？

武廣鐵路客運專線是我國“中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃” 的重要工程，全長多達1000km，設(shè)計時速350km/ｈ，混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限為100年，沿線年最高氣溫為40℃，最低氣溫為－５℃，大氣中干濕交替頻繁；一些地段的河流中存在多種有害離子。因為武廣鐵路的工程建設(shè)環(huán)境與使用環(huán)境均比較嚴酷，對混凝土的綜合性能提出了很高要求，混凝土能抵抗中等以上強度的硫酸鹽腐蝕；具有較強的抵抗氯離子滲透能力等。20世紀90年代高性能混凝土（High Performance Concrete,HPC）的研究結(jié)果表明，粉煤灰摻合料可以改善混凝土性能，提高其耐久性。

一、高性能混凝土設(shè)計技術(shù)指標

高性能混凝土的最大特點就是以耐久性作為設(shè)計的主要指標，根據(jù)設(shè)計院提供的《新建鐵路武漢至廣州客運專線武漢工程試驗段施工圖設(shè)計》，對耐久性要求有如下解析，“根據(jù)地質(zhì)化驗資料，本地段地下水及環(huán)境水對混凝土無浸蝕作用，混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境為碳化引起銹蝕。”可見本段混凝土所處的環(huán)境為碳化環(huán)境。由《客運專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》可得到混凝土耐久性如下要求。

（１）混凝土抗氯離子滲透性的電通量應(yīng)滿足表１的規(guī)定。

（２）在進行混凝土配制中應(yīng)進行抗裂性對比試驗，確定最優(yōu)良的配合比。

（３）混凝土的抗堿集料反應(yīng)性能應(yīng)滿足下列規(guī)定：

①集料的堿-硅酸反應(yīng)砂漿棒膨脹率或堿碳酸鹽反應(yīng)巖石柱膨脹率應(yīng)小于0.10％；

②當集料的堿-硅酸反應(yīng)砂漿棒膨脹率0.10％～0.20％時，混凝土的堿含量應(yīng)滿足表２的規(guī)定；當集料的堿-硅酸反應(yīng)砂漿棒膨脹率0.20％～0.30％時，除了混凝土的堿含量應(yīng)滿足表２的規(guī)定外，還應(yīng)在混凝土中摻加具有明顯抑制效能的礦物摻合料和復(fù)合外加劑，并進行相應(yīng)試驗證明其抑制有效。

（４）鋼筋混凝土中氯離子總含量（包括水泥、礦物摻合料、粗集料、細集料、水、外加劑等所含氯離子含量之和）不應(yīng)超過膠凝材料總量的0.10％，預(yù)應(yīng)力混凝土的氯離子總含量不應(yīng)超過膠凝材料總量的0.06％。

（５）要求混凝土含氣量不應(yīng)小于2.0％。

二、配合比設(shè)計思路

本高性能混凝土配合比主要用于橋梁結(jié)構(gòu)，其橋梁基樁地處地下水環(huán)境中，當水中的Ｃｌ－滲透到混凝土中的鋼筋表面時，就會破壞鋼筋表層鈍化膜，導(dǎo)致鋼筋銹蝕引起結(jié)構(gòu)破壞。為滿足耐久性要求，設(shè)計人員在設(shè)計混凝土工程時，應(yīng)明確采用高性能混凝土，其特性除強度、拌合物的和易性必須滿足設(shè)計和施工要求外，還應(yīng)根據(jù)具體使用條件和環(huán)境，具備所需要的防止鋼筋銹蝕的性能、抗凍性和抗?jié)B性。通過深入分析混凝土劣化機理和控制耐久性因素，科學(xué)地選擇組成材料和進行混凝土配合比設(shè)計，通過生產(chǎn)、澆搗和養(yǎng)護，以達到有效地防止Ｃｌ^－滲透，延長結(jié)構(gòu)工作壽命的目的。

高性能混凝土是通過對原材料的優(yōu)選和質(zhì)量控制、配合比優(yōu)化、生產(chǎn)過程的有效控制，使生產(chǎn)出的混凝土拌合物具有良好的施工性能、硬化混凝土的結(jié)構(gòu)改善，具有較高的耐久性。根據(jù)施工現(xiàn)場泵送的需要，高性能混凝土要求不僅具有大坍落度，更要求減小坍落度經(jīng)時損失，適宜的黏度、大流動性，不泌水、不離析和適宜的凝結(jié)時間等優(yōu)良施工性能。

三、實現(xiàn)混凝土高能性化的技術(shù)途徑

高性能混凝土對組成材料要求十分嚴格，造價較高。高性能混凝土的技術(shù)途徑如下：在常規(guī)材料和生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，優(yōu)化集料級配，減小空隙率，減少水泥漿的數(shù)量；采用新型緩凝高效減水劑減少混凝土的單方用水量（控制用水量小于或等于150kg／ｍ^３），減少坍落度的經(jīng)時損失，延緩混凝土的凝結(jié)時間；采用大摻量的超細礦物外加劑，或超細復(fù)合礦粉摻合料。超細摻合料在混凝土中不但起到填充作用，更重要的是參與膠凝材料的水化反應(yīng)，使水泥用量比常規(guī)減少20～40％或更多。由于充分發(fā)揮了超細礦物外加劑的復(fù)合效應(yīng)，降低了水膠比，改善了水泥漿的質(zhì)量。砂、石材料的含泥量與泥塊含量要求嚴格，石子的最大粒徑控制在25.0mm，砂子采用中粗砂，而且水泥的堿含量控制在小于0.6％以下。采用強制式攪拌，一次性加入高效減水劑，新拌混凝土的和易性好，而且攪拌樓就建在施工現(xiàn)場，攪拌好的混凝土用灌車運到泵送點只需５～30min，保證了新拌混凝土的可泵性和施工性能。

四、混凝土配合比設(shè)計

（一）原材料選擇

采用高性能混凝土后，對施工原材料、施工過程的質(zhì)量控制提出了很高的要求，因此，在進行配合比設(shè)計前，各種原材料應(yīng)按有關(guān)檢驗項目、批次規(guī)定，嚴格實施進場形式檢驗。根據(jù)《客運專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》的相應(yīng)規(guī)定，其原材料的試驗結(jié)果如下：

（１）水泥：選用湖北華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的保壘牌Ｐ·Ｏ32.5普通硅酸鹽水泥，比表面積371ｍ^２/kg，細度0.9％，初凝3ｈ:05min，終凝4ｈ:15min，三氧化硫1.82％，氧化鎂4.91％，燒失量4.75％，堿含量0.46％，氯離子含量0.014％，游離氧化鈣含量0.48％，熟料中的Ｃ_３Ａ含量7.94％，抗折強度4.9MPa/3ｄ，8.7MPa/28ｄ；抗壓強度25.4MPa／3ｄ，45.0／28ｄ。

（２）礦物摻合料：粉煤灰選用優(yōu)質(zhì)的赤壁電廠Ⅰ粉煤灰，細度1.9％，三氧化硫1.11％，燒失量3.17％，含水量0.36％，需水量比91％，堿含量1.38％，氯離子含量0.006％；陽邏電廠Ⅰ粉煤灰，細度4.2％，三氧化硫0.66％，燒失量1.28％，含水量0.16％，需水量比95％，堿含量1.09％，氯離子含量0.006％。

（３）砂：河砂，細度2.8，屬于ＩＩ區(qū)中砂，連續(xù)級配，砂子表觀密度2630kg/ｍ^３，堆積密度1570kg/ｍ^３，含泥量0.5％，堅固性4.0％，吸水率0.4％，硫化物0.04％，堿活性（砂漿棒法）0.09％。

（４）石子：碎石，５～16ｍｍ和５～25ｍｍ兩種粒徑進行摻配，配制成５～25mm連續(xù)級配，表觀密度2700kg/ｍ^３，堆積密度1560kg/ｍ^３，緊密密度1700kg/ｍ^３，緊密空隙率37％，壓碎指標9.0％，針片狀含量4.2％，含泥量0.9％，堅固性2.0％，吸水率1.0％，硫化物0.06％，堿活性（巖相法）0.09％。

（５）外加劑：聚羧酸鹽高性能減水劑，收縮率比113％，含氣量4.2％，硫酸鈉含量1.30％，堿含量2.88％，氯離子含量0.06％，減水率20％，對鋼筋無銹蝕作用。

（６）水：飲用水。

（二）混凝土配合比優(yōu)化

根據(jù)原材料情況和實際經(jīng)驗，按耐久性理念設(shè)計了20種混凝土配合比，經(jīng)試配優(yōu)化，得到４個配合比，見表３。

（三）混凝土總堿含量和氯離子總含量

根據(jù)客運專線混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限為100ａ，經(jīng)計算，優(yōu)化選出的４個配合比的總堿含量和氯離子總含量均滿足高性能混凝土耐久性的要求，見表４。

五、混凝土的性能

（一）混凝土拌合物性能

根據(jù)施工特點，要求混凝上出機時坍落度為180～220ｍｍ，最好出機后1.5ｈ坍落度不小于120ｍｍ，含氣量大于或等于２％。

混凝土拌合物性能試驗參照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T50080—2002）進行。表５是新拌混凝土的試驗結(jié)果。從中可看出，所有配合比的混凝土出機坍落度均滿足施工要求，１，２（水下），３及４（水下） 在出機1.5ｈ內(nèi)坍落度保持較好，滿足泵送混凝土的要求；用粉煤灰等量取代部分水泥拌制的高性能混凝土初期壓力泌水較慢，其初期相對壓力泌水率為12％～21％，改善了混凝土拌合物的和易性，提高了混凝土的可泵性。經(jīng)試泵，配制的高性能混凝土可泵性能良好。

（二）混凝土力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能試驗參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》（GB/T50081—2002） 進行，主要試驗結(jié)果見表６。從表６中可看出，摻粉煤灰的高性能混凝土的早期抗壓強度（3d） 較普通混凝土低，但所有混凝土的后期力學(xué)性能均達到Ｃ30的設(shè)計要求。這是由于粉煤灰在早期不參與水化反應(yīng)，而在早期水化反應(yīng)較快的水泥用量又較普通混凝土少。由此可見，用粉煤灰等量取代部分水泥配制高性能混凝土是可行的。

（三）混凝土早期抗裂性能

為了評價混凝土拌合物在早期凝結(jié)硬化過程中收縮開裂的性能，采用圓環(huán)法試件進行混凝土早期抗裂性測試。對４組配合比的混凝土試件進行的抗裂性試驗。從中可看出，用１，２（水下），3，4（水下）配合比拌制的混凝土早期抗裂性能好，在相應(yīng)的環(huán)境條件下從澆筑起直至56ｄ未開裂，早期抗裂性能符合《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標準》要求。

（四）混凝土氯離子滲透性能

氯離子滲透性能反映了混凝土的密實程度以及抵抗外部介質(zhì)向內(nèi)部侵入的能力，是混凝土耐久性的重要性能指標之一。本試驗采用美國標準ASTMC1202—1994，按照通過試件的電量Ｑ值，該標準將混凝土抵抗氯離子滲透的能力，對混凝土抵抗氯離子滲透能力進行評價。試件為直徑100ｍｍ、高度51ｍｍ圓柱體。我們依據(jù)通過混凝土試件的總電量來評價混凝土抗Cl^－滲透的能力，電量越小，混凝土抗Cl^－滲透的能力越大，密實性越高。試驗結(jié)果表明，礦物摻合料顯著提高了混凝土抗Cl^－滲透的能力，使通過混凝土的總電量均小于500℃，另這說明混凝土有很高的抗Cl^－滲透的能力，摻粉煤灰的高性能混凝土具備優(yōu)越的抗氯離子侵蝕能力。混凝土的抗?jié)B性能試驗見表７。

隨時間的推移Cl^－滲透能力隨混凝土齡期的延長而減小，混凝土密實度逐漸提高，抵抗氯離子滲透的能力也逐漸增強。

六、工程應(yīng)用情況

在某大橋基礎(chǔ)灌注施工中，混凝土集中攪拌，混凝土罐車運輸，澆灌時采用泵送施工工藝，經(jīng)低應(yīng)變檢測的樁基均達到Ⅰ類樁質(zhì)量等級；施工矩形空心橋墩、空心橋臺，混凝土拌合物和易性好、可泵性良好，墩臺身表面平整光滑，無氣孔，無裂縫，墩臺身質(zhì)量全部達到《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標準》要求。