铁路高性能混凝土配合比设计

铁路高性能混凝土配合比设计巩宁峰1 张伟2 何彩云3（中国水利水电第十一工程局有限公司，三门峡 河南 472000；）【摘要】本文阐述了高性能混凝土的定义，介绍了高性能混凝土的国内外的研究与发展现状及高性能混凝土配合比设计注意事项，并以C50高性能混凝土配合比为例介绍了高性能混凝土设计思路。【关键词】高性能混凝土；定义；耐久性；高性能混凝土的定义我国著名的混凝土科学家吴中伟教授对高性能混凝土的定义为：高性能混凝土为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，是以耐久性作为设计的主要指标，使用优质的原材料，掺加足够数量的矿物活性细掺料和高性能外加剂，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性的混凝土。1高性能混凝土的发展与现状20世纪80年代，美国国家材料委员会提出：要为新世纪的基础设施建设开发高性能的建筑材料，包括钢材、混凝土、塑料等。但直到1990年5月，才在第一次关于HPC的国际研讨会上，首次启用了高性能混凝土的说法。而后各国专家和学者以及建设者们历经多年努力，使得高性能混凝土技术日新月异。自从20世纪90年代初清华大学向国内介绍高性能混凝土以来，高性能混凝土的研究与应用在我国得到了足够的重视。1993年国家自然科学基金会、建设部、铁道部和国家建材局联合资助了重点科研项目高强与高性能混凝土材料的结构力学性态研究，随后许多省、市科委和建委也资助了高强、高性能混凝土方面的研究课题。1999年中国土木工程学会高强与高性能混凝土委员会(HSCC)编写了高强混凝土结构设计与施工技术规程(中国工程建设协会标准CECS104：99)。我国“九五”重点科技攻关项目重点工程混凝土安全性研究，由中国建筑材料科学研究院牵头，跨部门、跨行业地协作攻关，取得了许多重大成果。四航局主持制定的海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范(JTJ2752000)中，规定用于海港工程的高性能混凝土，磨细矿渣的掺量可达到5080，同时要求水胶比035，坍落度120mm，强度等级C45，这也是我国首个对高性能混凝土技术要求进行具体规定的规范。目前高性能混凝土在我国的建筑领域以广泛应用，如海洋工程、大型水利工程等，特别是伴随着我国高速铁路大面积的修建，高性能混凝土的应用得到了进一步的提升。在建的京沪高速铁路所用的高性能混凝土要求实际就是高工作度、高密实度、高耐久性、可泵送、有掺合料的强度不低于C30的混凝土。 水电建设集团参与了京沪高铁的项目建设，作为京沪高铁项目的建设者，想就京沪高速铁路济南段高性能混凝土配合比设计谈谈自己的体会和看法。2工程概况京沪高速铁路地处我国经济最为发达、综合经济实力最强、最具发展活力的东部地区，纵贯北京、天津、上海三大直辖市和河北、山东、安徽、江苏四省，直接联结16个超过100万人的大城市，正线运营长度1308.598km。中国水电集团公司所承担的项目标段线路位于山东省境内，起点为黄河特大桥南引桥，正线起点里程DIK412+062.274，终点正线里程为DK667+026.73（距徐州站8.411km）。本公司属于集团公司的一个子公司，承建的起点正线起点里程DIK412+062.274，终点里程为DIK428+723.78，正线全长16.661 km（不含济南站工程）。本公司负责施工的主要工程为：四座特大桥、两段正线路基、一座隧道以及动车走形线和动车运用所。另包含里程DIK412+062.27DIK417+800段全长5737.73米的CRTS无砟轨道板铺设和DIK417+800DIK428+723.78段全长10.92378公里的CRTS型板无砟轨道板铺设。四座特大桥分别为黄河南引特大桥、跨济兖公路特大桥、跨济兖公路1#特大桥、跨济兖公路2#特大桥。桩基施工摩擦桩采用旋挖机钻孔施工、柱桩采用冲击钻钻孔施工；承台有水部位采用钢板桩支护后开挖施工、无水部位采用放坡开挖施工；墩台采用无拉杆式定型钢模整体浇注；现浇简支箱梁根据现场情况采用移动模架、支架法浇注；连续梁根据设计采用挂蓝悬灌法和支架法施工；钢箱系杆拱桥采用原位支架拼装法施工。四座特大桥主要工程量如下：11孔20m现浇双线简支箱梁；25孔24m现浇双线简支箱梁； 319孔32m现浇双线简支箱梁；1孔25.62m现浇异形双线简支箱梁；1孔25.89m现浇异形双线简支箱梁；在DIK421+594.50处上跨济兖公路辅道,设计采用2-96m的四线下承式简支钢箱系杆拱桥；一联40+56+40m、两联40+64+40m双线连续箱梁；两联40+64+40m、一联48+80+48m单线连续箱梁。罗而庄隧道为双线隧道，起讫里程为DIK427+965DIK428+560，全长595m。 本工程施工的C30、C35灌注桩；C30承台；C30、C35墩身；C40支承垫石的及C50、C55现浇箱梁、连续梁等均属于高性能混凝土。3高性能混凝土配合比设计注意事项3.1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。3.1.1粗细骨料粗骨料宜选用级配合理，粒形好，针片状颗粒含量少，松散堆积密度大于1500kg/m3，表观密度不小于2650kg/m3的洁净碎石,最大粒径不宜超过钢筋混凝土保护层厚度的2/3，且不得超过钢筋最小间距的3/4。配制强度等级C50及以上预应力混凝土时，粗骨料最大粒径不应大于25。细骨料宜选用级配良好，吸水率低，孔隙率小洁净中粗砂，宜选细度模数在2.6-3.0的河砂。配制自密实混凝土时宜选细度模数在2.2-2.6的河砂。3.1.2掺合料掺合料是高性能混凝土不可缺少的组成材料之一，掺用的目的是利用其物理效应、填充效应和火山灰效应来提高混凝土施工性，增强硬化混凝土耐久性，降低混凝土早期水化温升。常用的掺合料-粉煤灰、磨细矿渣粉等。优质的粉煤灰由于其颗粒比水泥还小，且表面呈现玻璃体球形状态，作为混凝土的掺合料，不但可以降低混凝土用水量、增加混凝土拌合物的和易性，而且可以降低混凝土早期水化热，增加混凝土的后期强度。磨细矿渣粉的活性要比粉煤灰高，具有很高的火山灰效应，掺入后可改善混凝土硬化后的孔结构和强度，其细度要比粉煤灰还小，有着很大的比表面积，可以填充粉煤灰间的空隙，改变混凝土的流变性能，增加混凝土密实度，提高自密实混凝土强度和耐久性，尤其是提高混凝土的抗化学侵蚀得到了很大的提高。3.1.3减水剂目前我们在客专上线使用的聚羧酸高性能减水剂，其减水率在25以上。聚羧酸高性能减水剂是一种复合性减水剂，具有减水、引气、缓凝和保坍的作用。因此聚羧酸高性能减水剂是配置高性能混凝土成功与否的关键。3.2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，C35C40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。4.高性能混凝土配合比设计实例及应用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。4.1混凝土技术要求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3.55104MPa，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。4.2依据规范客运专线高性能混凝土暂行技术条件 科技基2005101号铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 铁建设2005157号铁路混凝土与砌体工程施工规范 TB10210-2001铁路混凝土工程施工质量验收补充标准 铁建设2005160号普通混凝土配合比设计规程 JGJ55-2000普通混凝土拌和物性能试验方法标准 GB/T50080-2002普通混凝土力学性能试验方法标准 GB/T50081-2002混凝土泵送施工技术规范 JGJ/T10-95客运专线预应力混凝土铁路预制梁暂行技术条件科技基2004120号4.3混凝土配合比计算4.3.1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，混凝土强度标准差取5.5则fcu，0= fcu，k+1.645=50+1.6455.5=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）混凝土强度标准差（MPa）4.3.2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 =1.042.5=42.5（MPa）则W/C=（Afce）/（fcu，0+ABfce）=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）。4.3.3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510mm和1020mm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%。4.3.4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 s= 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；s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23502450 kg。本配合比碎石最大粒径为31.5mm，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。4.3.5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）A348653106614474744.96B397653106614450505.467C447653106614425256.958表2配合比编号坍落度（mm）扩展度（mm）含气量（%）泌水A2155503.8无B2105003.8无C2055003.6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3d7d28d7d28d56d质量损失率（%）相对动弹性模量（%）56d56dA40.057.765.440.244.85851.582.3无裂纹P20B43.058.869.742.644.05071.287.6无裂纹P20C46.158.065.038.043.85411.389.9无裂纹P204.3.6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2005160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%。4.3.7C50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结束语 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、