客专梁高性能混凝土配合比设计及质量控制

客专梁高性能混凝土配合比设计及质量控制
吴海京 郭立勇

摘要：通过高性能混凝土在哈大铁路客运专线的应用，介绍了高性能混凝土原材料的选择、配合比优化设计及施工质量控制，可为高性能混凝土在客运专线的应用提供参考。
关键词：高性能混凝土 原材料 配合比设计 质量控制

建筑设计,职称评审,高级工程师职称评审

1、 前言
高性能混凝土是一种新型高技术混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土;它以耐久性作为设计的主要指标；针对不同用途的混凝土，保证混凝土的适用性和强度并达到高耐久性、高工作性、高体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土在配制上，在保证混凝土强度指标的同时，同时注重混凝土的耐久性指标，采用低水胶比，选用优质原材料，除水泥、水、集料外，掺加足够数量的矿物掺料和高效外加剂。原材料的选择和配合比的优化是最关键的因素，配制出的混凝土不仅要满足硬化性能的要求，还要满足拌合物可泵性要求。由于其性能要求较高,所以质量控制较难,这就要求在施工过程中,制定严格的质量控制措施,控制好各个施工环节,确保工程质量。本文结合哈大客专的实际情况，对高性能混凝土原材料的选择、配合比设计及施工生产过程质量控制进行阐述。
2、高性能混凝土原材料的选择
高性能混凝土在配置上不同于普通混凝土，为确保桥梁主要承重结构能满足100年使用年限的要求，必须有优质的原材料作保障，综合高性能混凝土的配制原则及高性能混凝土的要求，在配合比设计之初必须严格把好原材料料源关。本工程各原材料选用情况如下：
2.1 水泥的选择
水泥应选用标号不低于42.5的低碱硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。C3A的含量不宜超过8%, Cl-含量不宜超过水泥重的0.06%，碱含量不宜超过0.6%，其余性能应符合《客运专线预应力混凝土混凝土预制梁暂行技术条件》的规定。本工程选用的黑龙江宾州水泥厂低碱P.O42.5水泥。
2.2 骨料的选择
(1)砂: 工程使用的是五常河东中砂，其级配良好、质地坚硬而洁净的天然河沙。要求细度模数在2.6-3.0的中砂, 含泥量不应大于2.0％，选用的砂在使用前要送铁道部质量监督检验中心进行碱活性试验，合格后才能使用。
(2)碎石:选用坚硬耐久满足要求的碎石，其压碎指标不应大于10％，母岩抗压强度与梁体混凝土设计强度之比应大于2，含泥量不应大于0.5％，针片状颗粒含量不应大于5％；最大粒径不应大于25mm。选用的骨料在使用前应送铁道部质量监督检验中心进行碱活性试验，合格后才能使用。该工程选用的是阿城小岭碎石。
2.3 外加剂的选择
采用新一代的聚羧酸高效减水剂，能有效降低混凝土用水量，增大混凝土坍落度，并有效控制混凝土坍落度损失。高效减水剂厂家应经铁道部鉴定或评审，并经铁道部质量监督检验中心检验合格后方可使用。哈大铁路客专使用的混凝土外加剂经铁道部统一招标，从中标单位选取。本工程采用的是山西黄腾和山东联强两家外加剂。
2.4 矿物掺和料
高性能混凝土常用的矿物掺和料主要有硅灰、粉煤灰、磨细矿渣粉。本工程矿物掺和料选用粉煤灰和磨细矿渣粉双掺。粉煤灰选用哈尔滨热电厂Ⅰ级灰，细度≤12％，需水量比要求≤100％。矿渣粉选用辽源金刚S95以上的矿渣粉，比表面积要求宜为400～500 kg/m3。
2.5 拌和用水
拌制和养护用水应符合饮用水标准的要求。
3、 高性能混凝土配合比设计及选用
高性能混凝土配合比设计是铁路客运专线预应力混凝土箱梁预制的关键技术，是实现结构耐久性的基础，配合比的优劣将直接影响箱梁的质量。高性能混凝土配合比设计主要包括2个步骤: 一是选择高性能混凝土的适宜组分(水泥、集料、水、外加剂、掺和料)。二是设计它们的相关数量或比例,使之满足混凝土的抗裂、抗冻、耐磨、抗渗等其它性能要求。而传统的配合比设计方法仅以混凝土的某一指定工作性能和某一龄期的抗压强度为基准,这在高性能混凝土设计中是远远不够的。下面笔者结合哈大铁路客运专线工程实践介绍高性能混凝土配合比设计及选用情况。
3.1设计时应考虑的因素
掌握设计图纸，了解混凝土结构设计要求的强度等级，混凝土耐久性能、工程所处环境、结构的断面尺寸及钢筋的配置情况，同时还要考虑混凝土的搅拌、运输及振捣等施工条件，以选定适当品种、标号的水泥，选定合适的集料、掺合料以及外加剂等材料，确定适宜的拌和物稠度。
3.2设计参数的选择及检验项目
（1）C50预应力混凝土箱梁高性能混凝土的胶凝材料总量一般不宜高于500 kg/m3。
（2）混凝土中宜双掺粉煤灰和磨细矿渣粉两种矿物掺和料，矿物掺和料等量取代水泥的推荐掺量20～30%，水胶比≤0.35。
（3）砂率主要影响和混凝土的工作性，可根据胶凝材料总量、粗细骨料的颗粒级配及混凝土泵送要求等因素来确定，一般宜采用37%～42%。
（4）高效减水剂的掺量根据坍落度要求确定，其最佳掺量一般占胶凝材料质量的1%～2%。
（5）当骨料的碱—硅酸反应砂浆棒膨胀率在0.10～0.20%时，混凝土的总碱含量应≤3.0 kg/m3 的规定，还应在混凝土中掺加具有明显抑制效能的矿物掺合料和复合外加剂，并应通过试验证明抑制有效。预应力混凝土的氯离子总含量（包括水泥、矿物掺合料、粗骨料、细骨料、水、外加剂等所含氯离子含量之和）不应超过胶凝材料总量的0.06％。
（6）配合比选定应检验的项目有坍落度、泌水率、含气量、抗裂性、抗压强度、电通量、弹性模量、抗冻性、抗渗性、抗蚀系数。
3.3 配合比设计及选用
（1）确定混凝土配制强度(Mpa)，
fcu,o=fcu,k+1.645σ，式中
fcu,o—混凝土强度标准值(Mpa)
σ—混凝土强度标准差,当无统计资料时,混凝土强度标准差σ可取5. 5MPa。
（2）水胶比的选定
水胶比根据哈大环境类别为碳化环境，作用等级T2选用，本工程水胶比为0.31
（3）胶凝材料用量的选定
胶凝材料用量通过选用原材料的实际情况和技客专梁术条件要求确定，选用胶凝材料用量为490Kg/m3,其中水泥为350Kg/m3, 粉煤灰为60Kg/m3, 矿粉为80Kg/m3。
（4）外加剂掺量的确定
通过外加剂厂家提供的掺量和减水率实测结果,经室内进行试拌,确定减水剂掺量为1.0%。
（5）用水量的确定
高性能混凝土的单方用水量不宜大于175Kg/m3,根据混凝土的强度和高效减水剂的效果确定用水量为153Kg/m3.
（6） 砂率及砂石用量的确定
高性能泵送混凝土砂率范围一般为0.38～0.42，考虑到哈尔滨地区拉林河砂场砂子细度模数偏细，砂率选择为0.39.假定该混凝土容重为2400Kg/m3,
则砂、石总量为2400-340-70-80-153=1757Kg/m3
砂用量为1757×0.39=685Kg/m3
石子用量为1757-685=1072Kg/m3
（7）试拌调整配合比参数
计算混凝土总碱含量和氯离子含量是否满足规范要求，如满足可将以上初步确定的材料用量进行试拌，采用3个不同的配合比进行试验，其中一个应是基准配合比，另两个分别为增加或减少水泥用量20kg，并同时减少或增加20kg矿物掺和料，所有配合比的用水量，砂石用量均保持不变。测试拌和物坍落度、含气量、扩展度，根据测试结果对配合比参数进行调整，直至拌和物性能符合要求为止。
（8）混凝土参数测试及确定
a、按要求制作抗压强度、弹模、抗裂性能和耐久性试件，抗压强度试件每种配合比宜制作5组试件， 3天、7天、10天强度各1组，28天强度2组，养护至规定龄期时进行试压 。抗裂性能和电通量、抗冻性、抗渗性试件标准养护56天时进行试验。
b、根据上述3个不同配合比对应混凝土拌和物的性能、抗压强度、弹模、抗裂性、电通量、抗冻性、抗渗性试验结果，按照工作性能优良、强度和耐久性满足要求、经济合理的原则，从3个不同配合比中选择一个最适合的配合比作为理论配合比。三组混凝土配合比试验用料及配合比设计见表1，部分试验结果如表2
表1混凝土配合比试验用料及配合比设计
名称 水泥 粉煤灰 矿渣粉 细骨料 粗骨料 水 外加剂 配制强度MPa 水胶比
产地
规格 宾州低碱
P.O42.5 哈热电 I级 辽源 S95 拉林河
五常 阿城5-20mm 地下
水 菏泽联强LQ-II
Ⅰ组 330 70 90 662 1081 153 4.9 0.31 0.31
Ⅱ组 350 60 80 662 1081 153 4.9 0.31 0.31
Ⅲ组 370 55 65 662 1081 153 4.9 0.31 0.31
表2　混凝土配合比试验结果
试验组 碱含量
(kg•m-3) 氯离子
总含量% 含气量
% 抗裂性 电通量/C 抗压强度
MPa 弹性模量MPa
Ⅰ组 2.748 0.0276 3.5 无裂纹 872 61.4 4.21
Ⅱ组 2.810 0.0278 3.1 无裂纹 835 65.3 4.05
Ⅲ组 2.791 0.0281 2.8 无裂纹 814 67.0 3.87
对三组配比进行筛选,试配Ⅱ组最优。混凝土拌和物性能均能满足施工要求,强度、弹性模量及耐久性也满足预制箱梁高性能混凝土要求。高性能混凝土设计配合比确定后, 采用工程实际使用的原材料用该配合比拌合混凝土，重复试验进行验证拌合物的和易性、可泵性、坍落度的经时性及强度增长值、耐久性等均满足相关要求。
4、施工过程控制
4.1 施工准备
制定全过程的质量控制与保证措施，培训专门从事混凝土关键工序施工的操作人员和试验检验人员，制定严密的施工技术方案和作业书，建立完善的质量保证体系和健全的质量检验制度，加强工序的检验，发现问题及时纠正。
4.2 原材料
4.2.1 对原材料的品种、规格、数量以及质保书等进行验收核查，按有关规定取样和复验，经检验合格的原材料方可使用，不合格的原材料按有关规定清除出场。
4.2.2不同的原材料设有固定的堆放地点和明确的标识，骨料堆放场地事先进行硬化处理，并设置必要的排水设施，粗骨料按要求分级采购、分级运输、分级堆放、分级计量。
4.2.3为确保骨料的质量，现场用彩钢板对储料仓进行了封闭，并派专人对地面进行清理并洒水降尘，防止扬尘对骨料造成二次污染。根据环境温度的变化进行热工计算，冬期增设加温设施，夏(热)期必要时洒水降温，保证混凝土的出机温度和入模温度。
4.2.4 外加剂搭设遮阳棚，防止在阳光下长时间暴晒而影响其性能。
4.3搅拌
4.3.1采用强制搅拌机搅拌混凝土电子自动计量系统计量原材料。计量系统除按规定要求请当地技术监督部门进行标定外，每周在监理的见证下用专用砝码进行自检，使用过程出现异常随时检查，确保原材料计量准确。
4.3.2 原材料严格按施工配合比进行准确称量，称量允许偏差：胶凝材料±1%外加剂±1%，骨料±2%，拌合用水±1%。
4.3.3 试验人员在开盘前严格测定粗细骨料含水率，每班抽测2次，雨天随时抽测。按照理论配合比换算为施工配合比，经试验负责人批准后实施,未经试验人员同意不得随意加减用水量。
4.3.4 搅拌时先投细骨料、水泥、矿物掺和料，搅拌均匀后再加水，待砂浆充分搅拌后再投入粗骨料，充分搅拌后再投入外加剂，并搅拌均匀，搅拌时间不宜少于2min，不宜超过3min。
4.3.5 拌合站搅拌机、配料机、输送带全部封闭，避免冬期热量散失，夏季阳光照晒，影响混凝土出机温度。冬季施工搅拌机环境温度不低于1 0℃。
4.4 运输
4.4.1按确保浇筑工作连续进行，根据运输能力配备运输设备。采用混凝土搅拌运输车运送已搅拌好的混凝土，运输过程中以(2～4r)/min的转速搅动，防止运输过程中混凝土离析和水分过多散失；当搅拌运输车到达浇灌现场时，高速旋转(20～30)s后再将混凝土拌和物喂入泵车受料斗或混凝土料斗中；运输车每天使用完后应清洗干净。
4.4.2 混凝土运输车罐体夏季用凉水喷淋降温，冬季用毡布包裹保温，保证混凝土的入模温度。
4.5浇筑
4.5.1 根据工程特点、施工环境与施工条件设计浇筑方案，并做好技术交底工作。
4.5.2 浇筑前，仔细检查钢筋保护层垫块的位置、数量及紧固程度，并指定专人检查，以提高钢筋保护层厚度尺寸的质量保证率。
4.5.3 混凝土入模前，试验人员采用专用设备测定混凝土的温度、坍落度、含气量、水胶比及泌水率等工作性能;只有拌合物性能符合设计或配合比要求的混凝土才能入模浇筑并将测定结果及时反馈给拌合站，保证浇筑现场混凝土的质量。测定结果符合要求后方可入模浇筑。入模温度冬季不低于5℃，夏季不高于3 0℃。
4.5.4梁体混凝土应连续灌筑、一次成型,浇筑应分层连续推移进行，每层振捣后的厚度控制在（250～300）mm不得随意留置施工逢。
4.5.5新浇筑混凝土与邻接的已硬化混凝土或岩土介质间浇筑时的温度不得大于15℃。
4.5.6 箱梁在浇筑混凝土过程中，按规定随机从箱梁底板、腹板及顶板同时取样，制作混凝土强度试件、弹性模量试件，试件随梁体或在同样条件下振动成型；施工试件随梁养护，以实现各部位混凝土质量的可追溯性。
4.6 振捣
加强混凝土的振捣工艺控制，改善混凝土密实性。施工技术员要及时向所有操作人员做好技术交底,预防因振捣方式不当而造成混凝土分层、离析、表面浮浆、麻面等质量问题。至顶部时宜采用二次振捣及二次抹面,刮去浮浆,确保混凝土的密实性,从而保证混凝土的耐久性。
4.7 养护
4.7.1 养护对确保高性能混凝土的质量非常关键,对于混凝土浇筑完成后,采取防止水分散失或保湿的方法进行及时养护是关键。特别是在环境气温较高的情况下,箱梁养护更需引起高度重视。
4.7.2 梁体养护期间，派专人进行洒水保湿养生，定时测定混凝土芯部温度、表面温度以及环境气温、相对湿度、风速等参数，根据参数的变化调整养护制度，严格控制混凝土的内外温差，保证梁体混凝土芯部与表层、表层与环境温差不应超过15℃。养护时间不少于14天。
4.8拆模
当混凝土强度达到拆模强度时，方可拆模。拆模时混凝土芯部与表层、表层与环境之间的温差不得大于15℃。混凝土内部开始降温前不宜拆模。
4.9耐久性试验
高性能混凝土6个主要耐久性指标是指混凝土的抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性、抗碱骨料反应性。预制箱梁在批量生产过程中,每2万m3混凝土抽取抗冻融循环、抗渗性、抗氯离子渗透性、碱-骨料反应的耐久性试件各一组,进行耐久性试验,测试结果均符合《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》中对箱梁混凝土的耐久性要求。
通过在哈大客运专线采用的高性能混凝土配合比及生产施工过程控制，梁场所预制的630孔箱梁，经检测均达到高性能混凝土的各项内在质量指标要求,取得了较好的效果。
5、结束语
本文通过高性能混凝土在哈大铁路客运专线的应用，介绍了高性能混凝土原材料的选择、配合比优化设计及施工质量控制，为充分发挥高性能混凝土的性能,应在配制高性能混凝土原材料选择上加以重视,并加强高性能混凝土施工质量控制,从而保证工程质量要求。
参考文献
《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》铁科技【2004】120号
《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》科技基[2005]101号
《客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准》铁建设【2005】160号
 

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