抗冻融耐久性混凝土配合比研究

王会杰 张博 李威

摘 要：在对混凝土的冻融破坏原理与因素的认识的基础上，通过改进原料配合比来增强混凝土的密实性、抗裂性，以提高其在冻融环境下的耐久性能。

关键词：抗冻融；耐久性；配合比

中图分类号：TU37文献标识码： A

我公司正在进军铁路支柱产品，铁路支柱产品横穿神州大地，从南方到北方，气候、环境差别非常大。所以配制抗冻融耐久性混凝土就是目前面临的重要工作。

1 抗冻融原理

在混凝土冻融破坏的各种分析原理中，公认程度较高的是由美国学者提出的膨胀压和渗透压的理论，即吸水饱和的混凝土在其冻融的过程中，遭受的破坏应力主要由两部分组成：一是混凝土毛细孔中的水在负温下由水转变成冰，体积膨胀，但由于受到毛细孔壁约束，因而在孔周围的微观结构中产生拉应力；二是当毛细孔水结成冰时，由于表面张力的作用，混凝土毛细孔隙中水的冰点随着孔径的减小而降低。凝胶孔水形成冰核的温度在－78℃以下，因而，由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。当混凝土受冻时，这两种压力会损坏混凝土的内部微观结构，当经过多次反复的冻融循环以后，损坏逐步积累不断扩大，最终发展成互相连通的裂缝，使混凝土的强度逐步降低，直至完全丧失。因此，饱水状态是混凝土发生冻融破坏的必要条件。

2 抗冻融的影响因素 影响混凝土冻融破坏的因素是多方面的。

2.1水灰比

水灰比越大，混凝土中游离状态的水含量就越多，混凝土的结冰速度就越快；气泡结构越差，平均气泡间距越大；混凝土强度越低，抵抗冻融的能力越差。

2.2含气量

非引气剂外加剂引入的气泡大小、分布都不均匀，也不稳定，对混凝土的性能不会产生积极影响。引气剂引入的气泡是稳定的、细小的、均匀分布的，混凝土的抗冻性就会提高。在一定范围内，含气量越多，混凝土的抗冻性越好。

2.3水泥的品种

混凝土的抗冻性随水泥活性增高而提高。另外碱含量应≤0.6%，以提高其抗冻性。

2.4骨料质量

混凝土骨料对混凝土抗冻性影响主要体现在骨料吸水率、骨料本身的抗冻性、骨料的含泥量。吸水率大的骨料对抗冻不利。含泥量大的骨料其混凝土强度、抗冻性都会降低。另外控制碱含量是预防碱集料反应，提高抗冻性的有效措施。

2.5外加剂及掺合料

矿渣粉、粉煤灰、高效减水剂、引气剂及引气减水剂等外加剂均能提高混凝土的抗冻性。矿渣粉能够减少水泥和混凝土的用水量， 引气剂能增加混凝土的含气量，并使气泡均匀，而这些气泡可以切断部分毛细管通路，使混凝土结冰时产生的膨胀压力得到缓解。因而，不仅使混凝土不会遭到破坏，还能起到缓冲减压的作用。再加上气泡可以阻断混凝土内部毛细管与外界的通路，使外界水分不易浸入，减少了混凝土的渗透性，同时 还能起到润滑作用， 改善混凝土的和易性；而减水剂则能降低混凝土的水灰比，从而减少孔隙率，最终都能提高混凝土的抗冻性。

3 设计要求

3.1 混凝土设计使用年限不低于60年。

3.2 混凝土设计强度C60，坍落度40±10mm。

3.3 混凝土胶凝材料不小于500kg/m³。—TB 10005-2010 表5.2.1

3.4 处于冻融破坏环境时，粉煤灰的掺量应≤30%，磨细矿渣粉的掺量≤40%。

—TB 10005-2010 表5.2.2

3.5混凝土抗冻融环境D1级，抗冻融循环次数为， ≥F300次。

3.6 混凝土含气量最低限值要求冻融破坏环境D1 级 ，含气量≥4.0

3.7 不同强度等级混凝土的电通量要求（C）。 混凝土强度等级≥C50，电通量 ＜1000C。

3.8 抗冻融混凝土碱含量，干燥环境≤3.5。

4原材料实测值

4.1 水泥采用鹤壁同力42.5级，普通硅酸盐水泥。技术指标见表1。

表1水泥实测数据

执行标准 强度等级 抗压强度（Mpa） 抗折强度（Mpa） 细度(%)

3d 28d 3d 28d

GB175-2007 42.5 19.5 49.8 3.95 7.35 0.6

4.2 细骨料采用信阳明港，中砂，具体指标见表2。

执行标准 规格 细度模数 含泥量（%） 压碎指标（%） 堆积密度 （kg/m3）

GB/T14684-2011 中砂 2.94 1.9 19 1620

表2 细骨料实测数据

4.3 粗骨料采用确山马沟5-20连续级配碎石，具体指标见表3。

表3 粗骨料实测数据

执行标准 规格 针片状含量

（%） 含泥量（%） 压碎指标（%）

GB/T14685-2011 5-20 0 0.1 6.65

4.4 混凝土外加剂采用山西黄腾聚羧酸减水剂，减水率为30 %,3d抗压强度比176%（≥130%），28天抗压强度比151%（≥140%）。

4.5 引气剂采用北京慕湖混凝土引气剂（粉剂）。引气剂掺量为减水剂的1.0%。

4.6 矿物掺合料采用北京慕湖S105级磨细矿渣和一级粉煤灰。矿渣粉28天活性指标为：98%，粉煤灰28天活性指标为：80.6%。

5 配合比计算

5.1 确定混凝土试配强度：

—JGJ/T 281-2012 (6.0.2)

5.2 确定单方混凝土胶凝材料用量

5.2.1胶凝材料最大用量为500 kg，取单方胶凝材料490 kg，粉煤灰≤30%，磨细矿渣粉掺量≤40%（TB/T3275-2011）。根据经验值取矿物掺合物的总量为14%，

=69 kg

取粉煤灰为40 kg，矿渣为30 kg

5.2.2 确定单方混凝土水泥用量（mc0）：

490-70=420kg/m³

5.3确定单方混凝土用水量，及水胶比

5.3.1确定用水量

表4混凝土用水量 —JGJ 55-2011表5.2.1-2

拌合物稠度 碎石最大粒径

项目 指标 16 20 31.5 40

坍落度

（mm） 10-30 200 185 175 165

35-50 210 195 185 175

55-70 220 205 195 185

按照我公司规定的C60混凝土坍落度40±10mm，碎石最大粒径20mm；单方用水量m＇w0为195 kg。减剂减水率为30%，则

mw0 = m＇w0(1-β)=195×（1-0.3）=137 kg

mw0——计算配合比每立方米混凝土的用水量

m＇w0——未掺外加剂时推定的满足实际坍落度要求的每立方米混凝土用水量kg/m3。

β——外加剂的减水率

5.3.2确定水胶比

W/B=137/490= 0.28

5.4 确定单方混凝土粗细骨料用量

5.4.1质量法：—JGJ 55-2011式5.5.1-1/2

×100%

根据表5和经验值选取砂率为35%，根据经验假定mcp为2500kg/m3

通过上式得出： =1873kg/m³

=656kg/m³

=1217kg/m³

表5砂率选取参数—TB/T3275-2011

骨料最大粒径mm 水胶比

0.30 0.40 0.50 0.60

10 38%～42% 40%～44% 42%～46% 46%～50%

20 34%～38% 36%～40% 38%～42% 43%～46%

40 — 34%～38% 36%～40% 40%～44%

砂的细度模数每增减0.1，砂率相应增减0.5%～1.0%。

5.5确定外加剂

减水剂根据经验及厂家推荐掺量为胶凝材料的0.7%，采用后掺法。引气剂掺量为减水剂的1.0%。

5.6 计算配合比

单方胶凝材料用量490kg。

比例为：420：656：1217：137：40:30：0.7%:0.007%

1：1.56：2.90：0.33：0.095：0.071：0.7%:0.007%，水胶比为：0.28。

5.7 砂率分别减少和增加1%配合比

5.7.1当砂率为34%时各材料用量为：

比例为：420：637：1236：137：40:30：0.7%：0.007%

1: 1.52：2.94：0.33：0.095：0.071：0.7%：0.007%，水胶比为：0.28。

5.7.2 当砂率为36%时各种材料用量为：

比例为：420：674：1199：137：40:30：0.7%：0.007%

1：1.48:2.53:0.294:0.075:0.7%：0.007%，水胶比为：0.28。

砂率 3天抗压 28天抗压 56天抗冻融 56天电通量 坍落度mm

35% 43.7 67.2 280 982 85

36% 45.2 62.5 270 975 97

34% 46.6 75.2 300 952 49

5.7.3三种配比实测情况如表6，图

表6三种配比实测情况

图1 强度抗冻融曲线图

图2 工作性圆柱图

从表6及图1图2可以看出砂率为34%抗冻融混凝土的配合比的工作性，抗冻性，抗压强度都较高。

6 结束语

6.1在混凝土的基本组成材料中，水泥是重要的胶凝材料，但是单方水泥用量超过500kg时，由于水泥硬化过程中水化热过高，混凝土会产生裂纹，降低其抗压抗冻性，因此， 用一些具有活性的掺合料，如矿渣粉来替代一部分水泥，正在被广泛地应用。

6.2使用减水剂可以大幅度降低混凝土的水灰比（水胶比）， 提高混凝土的强度和致密性，使混凝土抵抗冻融破坏的能力提高，从而提高混凝土的抗冻耐久性。

6.3掺用引气剂，使混凝土达到足够的含气量要求， 可改善混凝土的孔结构性质，并明显改善混凝土的抗冻耐久性。

6.4骨料的压碎指标，含泥量，碱含量是重点控制的对象，这些含 量的增加都会降低混凝土的抗冻性。

6.5抗冻融耐久性混凝土除了正确进行配合比设计、合理选用原材料，还要严格按施工规范技术要求施工，加强蒸汽低温养护。所以，在施工中要落实配合比的应用，加强控制，使此配合比能够更好地应用在实际工程中。

参考文献：

［1］朱清江，《高性能混凝土研制及应用》，中国建材出版社

[2] TB/T3275-2011 《铁路混凝土》，中国铁道出版社出版发行

[3] TB10005-2010 《铁路混凝土结构耐久性设计规范》，中国铁道出版社出版发行

[4] 马清浩，《混凝土外加剂及建筑防水材料》，中国建材工业出版社

[5] JGJ/T281-2012《高强混凝土应用技术规程》

[6]JGJ5－2000普通混凝土配合比设计规程［S］.北京：中国建 筑工业出版社

作者简介：

1王会杰，河南鼎力杆塔股份有限公司，建材工程师，工业与民用建筑专业

2 张博，河南鼎力杆塔股份有限公司，助理工程师，工业与民用建筑专业

3 李威 ， 河南鼎力杆塔股份有限公司，技术员