单大江

规划设计 Planning and design

大跨连续刚构高性能混凝土配合比设计与应用

单大江

（中铁二局第三工程有限公司）

某高速公路特大桥主桥采用预应力混凝土连续刚构，主梁为分幅式单箱双室截面，梁体钢筋密集且预应力管道多。本文结合工程实际，介绍强度等级为C60的泵送施工高性能混凝土配合比设计及其实际应用与性能状况。

高性能混凝土；配合比设计；应用

1 工程概况及施工特点

沱江特大桥是在建成资渝高速公路全线唯一控制性工程，主桥为连续刚构，预应力混凝土结构，主梁为分幅式单箱双室截面。箱梁0号梁段长13米，纵桥向划分20个梁段，采用挂篮悬臂浇筑施工，混凝土强度等级C60。梁体钢筋密集且预应力管道多,主筋规格为φ25，钢筋最小间隙为100mm。混凝土浇筑采用泵送施工，水平距离最大85m，垂直高度45m，要求混凝土可泵性好、坍落度经时损失小。梁段混凝土一次浇筑成型，混凝土连续浇筑时间较长，要求混凝土应具有较长的初凝时间。主梁施工工期紧，要求混凝土强度达到要求后及时张拉预应力束。

结合工程设计及实际情况，根据梁体混凝土所要求的强度、耐久性及施工中所要求的工作性能，最终决定采用缓凝、早强、高流动性、可泵性好的高性能混凝土，同时要求满足就近取材、常规施工工艺以及节约成本的总体原则下，充分考虑混凝土的耐久性及早期抗裂性等指标。

2 高性能混凝土的配合比设计

2.1 混凝土技术参数

根据行业规范《公路桥涵施工技术规范》JTG F50-2011及设计文件要求，结合实际施工需要，拟设计混凝土工艺性能，具体应满足或控制在：

（1）和易性好，可泵性好，出机坍落度160～200mm，泵送入模时的坍落度140～180mm；

（2）胶凝材料总量不大于530kg,水胶比0.28～0.34；

（3）7天强度达到设计强度的90%；

（4）混凝土抗渗等级P12，含气量2～4%。

2.2 原材料的选择

本项目的原材料除地材外均采用“集中招标、统一供应”模式，由项目物资公司进行招标，确定材料供应厂家名单，集中统一供应各标段。

该模式的优点是通过公开招标并以整个项目较大规模的集中采购量，可以最大限度的降低原材料的供应单价，从而达到节约投资的目的。缺点是在市场竞争下，一些用量较少但作用大的原材料如外加剂、矿物掺合料等，质量仅能达到合格标准，距优良品有一定的差距。这类原材料如片面追求单价低，反而会引起混凝土综合成本的增加。

在材料供应厂家中应选择优质水泥和级配良好的优质集料，同时掺加与水泥适应性良好的高性能减水剂及掺合料。

经与建设单位、项目物资公司及施工方等共同协商，决定对于大跨连续刚构高性能混凝土所使用材料，经过“货比三家”的广泛选择，最终确定的技术要求或供应商如下：

2.2.1水泥

选择四川峨胜P.052.5普通硅酸盐水泥，主要指标实测结果：比表面积346m2/kg、游离氧化钙含量0.39%、氯离子含量0.02%、碱含量0.34%、28天抗折、抗压强度分别为8.1MPa、57.4 MPa；其它指标均满足要求。

2.2.2细集料

经过严格过程监督控制的当地产河砂，主要指标实测结果：细度模数2.71、含泥量0.8%、氯化物（以氯离子质量计）0.006%，经碱活性试验（快速法）检测为非活性骨料，满足相关要求。

2.2.3粗集料

经过严格过程监督控制的当地产5～20mm连续级配碎石，由粒径为5～16mm和10～20mm两种规格按质量75%：25%掺配而成。

掺配后的指标实测结果：含泥量0.3%、压碎值11.4%、氯化物（以氯离子质量计）0.006%，经碱活性试验（快速法）检测为非活性骨料，满足相关要求。

2.2.4矿物掺合料

（1）选用成都产F类I级粉煤灰，主要指标实测结果：烧失量2.78%、需水量比94%、细度6.8%、氯离子含量0.032%、碱含量0.51%。

（2）选用四川产S95矿粉，主要指标实测结果：比表面积为422m2/kg、7天活性指数77%、28天活性指数96%、流动度比97%、烧失量2.14%、氯离子0.017%、碱含量0.73%。

2.2.5外加剂

选用重庆产聚羧酸高性能缓凝型减水剂，为确保均匀性、稳定性，经多次试验，最终决定掺量为1.7%。

该掺量下外加剂主要指标实测结果：减水率26%、含气量3.2%、凝结时间之差（初凝）+155min、7天及28天抗压强度比分别为145%和133%、28天收缩率比104%、坍落度1h经时变化量30mm、含固量21.2%、氯离子含量0.16%、总碱量5.18%。

2.2.6拌合用水

使用工地的饮用水，pH值7.7、氯化物含量75mg/L、碱含量632mg/L，其它指标均满足要求。

2.3 原材料质量分析

对本项目拟用原材料实测指标的试验结果进行分析，可得出如下结果：

(1)水泥的质量较好，有一定的富余强度；碱含量较低，为低碱水泥；水泥细度合适，比表面积低于350m2/kg。

需要注意的是如果水泥磨的过细，比表面积达400m2/kg以上，会使水化反应加快，水化热较高，混凝土坍落度损失较大；水泥含碱量偏高，超过0.6%，易导致碱—骨料反应，致使混凝土开裂。

(2)粗、细集料的质量较好。

粗集料采用两种单粒级掺配而成，掺配后级配合理，粒径合适；压碎值较低，材质均匀坚固；影响强度的有害物质含量较少且为非活性骨料。

细集料的级配合理、质地坚固，为洁净天然中砂且为非活性骨料。

(3)矿物掺合料的质量一般，但满足相关规范要求。

F类I级粉煤灰的烧失量，技术标准要求≤3.0%，实测2.78%；S95矿粉的活性指数，技术标准要求28天≥95%，实测96%；这些关键指标由于本项目的物资供应模式，仅能达到合格标准。

矿物掺合料是配置高性能混凝土的关键，在混凝土中可以起到填充骨料的间隙及形成润滑膜；可以对水泥起到分散作用，改善水泥在低水胶比下的水化环境；可以延缓初期水化速率，形成较低水胶比、较大水灰比的有利环境；可以降低温升，改善徐变能力，减小早期形成热裂缝的危险。

本项目拟用的粉煤灰虽达到I级标准，但烧失量较大，粉煤灰中碳元素含量较多，对外加剂的吸附性大，影响混凝土的工作性。

矿物掺合料的实际质量情况，在配合比设计中应考虑适当的减少掺量。

经大量试验，最终按试验结果确定实际掺量。

（4）聚羧酸高性能减水剂的质量一般，但达到合格标准。

减水剂的掺量较大，固含量较低，减水率仅比技术标准高了1%～2%；实测抗压强度比仅比技术标准高了3%～5%。

减水剂的这些性能均是厂家低价中标，节约成本所导致，在配合比设计中应予以充分考虑。通常应注意：减水剂与水泥的适应性问题，适应性较好时减水剂能充分发挥减水效果；混凝土没有离析和泌水现象；坍落度随时间变化损失较小。

减水剂影响混凝土工作性的敏感程度，当减水剂在推荐掺量增减0.1%～0.2%时，混凝土不应出现板结、泌水现象或坍落度不足等。

经过与项目物资公司确定的供应商技术人员的联合攻关，最终配制出了适合本工程需要的高性能混凝土外加剂。

2.4 配合比设计方案及参数确定

结合项目特点，充分考虑拟用原材料的质量特性，在就近取材、常规施工工艺以及节约成本的原则下，采用低水胶比、同时掺入粉煤灰和矿粉、掺入适当的聚羧酸高性减水剂配制高性能混凝土。

2.4.1水胶比

水胶比是影响混凝土强度的关键性因素，高性能混凝土的配制特点之一就是采用低水胶比。根据水胶比要求及经验，初步确定W/B=0.29。

2.4.2粉煤灰和矿粉双掺

配制混凝土时采用粉煤灰和矿粉“双掺”，可以充分发挥二者的“优势互补”，使混凝土的坍落度增加，和易性好，泌水得到改善，还可使混凝土成本得到降低。在等量取代的前提下，粉煤灰和矿粉的总掺量宜为25%～40%，粉煤灰和矿粉比例宜为2:1～1:1。

采用相同配合比，调整粉煤灰和矿粉的掺量，经过多次试拌，观察混凝土的坍落度、黏聚性和保水性等，结合矿物掺合料的实际质量情况，初步选定粉煤灰和矿粉的总掺量为25%，其中粉煤灰掺量为15%，矿粉掺量为10%。

2.4.3聚羧酸高性能减水剂

聚羧酸系高性能减水剂通常具有高减水率、坍落度损失小、含碱量低、对混凝土塑性收缩影响小等特点，是配置高性能混凝土的关键性原材料。

通常厂家给的推荐掺量是针对C30混凝土，配置高标号混凝土时，往往需要适当的增加0.1%～0.2%掺量，配置低于C30混凝土时则需减少掺量。结合外加剂的质量，经试拌初步选定减水剂掺量1.7%。

2.5 混凝土配合比试配、调整与确定

按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）的规定计算混凝土配合比中各原材料用量，并核算混凝土中总碱含量和氯离子含量是否满足《公路桥涵施工技术规范》要求，如不满足则应考虑重新选择原材料或调整计算的配合比。

计算配合比经试拌，适当调整混凝土用水量、砂率或外加剂掺量，调配出工作性能符合要求的混凝土配合比作为基准配合比。拌制基准配合比时，应注意要采用实际进场的原材料，搅拌方法应与施工生产相匹配。每盘混凝土试配的搅拌量应在30升左右。

经试拌调整后确定的基准配合比见表1。

表1 C60高性能混凝土基准配合比

在试拌混凝土的基础上，应至少采用三个不同的配合比进行混凝土强度试验，另外两个配合比的水胶比较试拌配合比分别增加和减少0.01，见表2。

表2 C60高性能混凝土试拌配合比

三个水胶比试拌配合比室内实测拌合物工作性能及力学性能结果，见表3。

表3 试拌配合比拌合物工作性能及力学性能

从试拌配合比拌合物工作性能及力学性能结果中可以看出：

⑴该配合比初始坍落度、1h后坍落度保留值均满足泵送要求，混凝土和易性好，含气量适中。

⑵聚羧酸减水剂与水泥、粉煤灰和矿渣粉等胶凝材料的适应性较好，混凝土的流动性好且未出现泌水。

⑶混凝土7天强度均大于设计强度的90%，可满足施工张拉要求，但28天强度增长较缓慢。

⑷混凝土拌合物表观密度实测值与计算值未超差，配合比可维持不变。

根据试拌配合比强度试验结果，采用插值法，按稍大于配置强度的值70.0MPa对应的水胶比0.287为试验室理论配合比，见表4。

表4 C60高性能混凝土试验室理论配合比

3 高性能混凝土配合比验证

3.1 混凝土试验室理论配合比验证

试验室理论配合比确定后，应采用该配合比进行不少于三盘的重复试验，验证混凝土的工作性变化情况和强度的波动情况，见表5。

表5 理论配合比室内验证试验

从室内验证试验结果可以看出，水胶比为0.287的C60高性能混凝土工作性稳定，抗压强度值波动较小且满足设计要求，可以用于指导现场施工。

3.2 混凝土配合比施工过程中的验证

高性能混凝土在施工过程中，当原材料发生波动或施工环境变化可能会导致混凝土质量发生变化，需要制作同条件养护试件来掌握混凝土的强度变化情况，便于及时调整施工配合比，同时可准确的指导梁段预应力束张拉施工。

通过连续制作5个梁段的同条件试件，进行抗压强度试验和弹性模量试验来验证配合比，见表6。

表6 高性能混凝土同条件试件试验结果

从同条件试件试验结果可以得出：

⑴施工过程中，混凝土抗压强度波动值在可接受的范围中，但当原材料、施工环境温度发生较大变化时，应及时调整配合比；

⑵混凝土7天抗压强度和7天抗压弹性模量均达到要求的90%以上，该混凝土配合比能满足梁段在混凝土龄期达到7天张拉预应力束的施工要求。

3.3 混凝土配合比耐久性验证

混凝土耐久性与自身各组成材料所含的有害物质有关，如氯离子、碱含量等，有害物质含量越少，混凝土越耐久。混凝土的耐久性还与混凝土的密实度有关，混凝土越密实，抵抗外部环境中的有害物质侵入的能力就越强。

结合本工程的特点，将混凝土的总碱含量、氯离子总含量、混凝土抗水渗透性能和混凝土电通量作为混凝土耐久性质量控制指标。

3.3.1混凝土总碱含量及总氯离子计算

依据公路行业规范，分别计算出混凝土配合比各组成材料的碱含量和氯离子含量，汇总后得出C60高性能混凝土总碱含量为1.755kg/m3，氯离子总含量占胶凝材料总量的0.047%，均满足相关要求。

当选定的配合比混凝土总碱含量和氯离子含量不满足要求时，则应重新选择原材料或调整配合比。

3.3.2混凝土抗水渗透试验

采用逐级施加水压力来测定以抗渗等级来表示混凝土的抗水渗透性能，混凝土抗渗等级越高，说明混凝土抗渗性能越好。

经实测，该配合比混凝土抗渗试件达到设计抗渗等级P12时，6个试件均未渗水。试件劈裂开后，6个试件的渗水高度值在20mm～50mm。

实测结果表明，混凝土密实度较好，抗水渗透性能良好。

3.3.3混凝土电通量试验

通过混凝土试件的电通量指标来确定混凝土抗氯离子渗透性能，混凝土电通量越小，说明混凝土抗氯离子渗透性能越好。

经实测，该配合比混凝土56天龄期电通量为559C，满足行业规范≤1000C的要求。

4 结论

（1）配置高性能混凝土应结合工程实际情况，充分考虑原材料的质量特性，在就近取材、常规施工工艺以及节约成本的原则下，通过采用低水胶比、粉煤灰和矿粉双掺并掺加适量的高效减水剂来实现。

（2）优质的矿物掺合料和高效减水剂是高性能混凝土节约成本的关键，不可以追求低廉的价格而损害质量，如此反而提高了控制成本。

（3）高性能混凝土具有较好的密实性，抵抗外部环境中有害物质侵入的能力强，是工程耐久性的保证。通过本工程高性能混凝土配合比的设计、试验、施工验证，最终结果表明，利用优质的胶材和特配的外加剂，以及经过严格质控的当地粗细骨料，最终得到的混凝土，无论在施工工艺性能还是其结构性能方面，都是能够满足设计要求的。

[1]JTG/F50-2011,公路桥涵施工技术规范[S]

[2]JGJ 55-2011,普通混凝土配合比设计规程[S]

[3]张利平,李志刚.广珠客运专线C60高性能混凝土制备及性能研究[J]. 江苏建筑,2009,(5):80-83.

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1007-6344（2021）01-0286-03