铁路桥梁用混凝土配合比设计

王 辉

（中铁十八局集团有限公司国际公司， 天津市 3000000）

1 引言

作为铁路运输网络的重要组成部分， 桥梁在铁路事业发展中有着重要作用。 但因桥梁用混凝土所处环境较复杂， 耐久性问题常常导致桥梁的部分性能失效， 使其使用寿命大大缩短， 因此对桥梁用混凝土配合比进行研究， 是确保桥梁使用寿命的先决条件［1-2］。 当前， 桥梁梁体用混凝土多为高性能混凝土， 该概念提出于20 世纪， 各国均对其进行了一定的研究并得出相应的认知，如美国Mehta P.K.认为在高性能混凝土的配合比设计中， 耐久性是其重要指标； 欧洲 F.H.WIttmann 认为配制高性能混凝土时应掺入矿物掺合料， 并使用高强度低收缩的水泥； 我国著名专家吴中伟院士则认为高性能混凝土的配合比设计过程中， 应对其用水量和水灰比进行控制， 以确保其各项性能。 在当前社会， 高性能混凝土仍然属于较新范围， 人们对其开展的研究仍较少， 本文将通过对配合比设计的研究分析其与混凝土性能的联系， 以期为后续同类研究提供参考。

2 梁体混凝土配合比设计

2.1 理论配合比计算

对于C60 以上的混凝土， 根据 《普通混凝土配合比设计规程》 进行计算可确定， 配置梁体混凝土时有 69.6Mpa 的强度； 以 P·O 52.5 普通硅酸盐水泥进行混凝土的配制时， 计算可得梁体混凝土有 0.37 的水胶比［3］； 以混凝土的工作性能来选取其单位用水量， 针对5-20mm 的碎石粒径， 有着 240kg·m-3的用水量， 据此可计算得出掺减水剂时需要163kg 的用水量； 以15%胶凝材料总量作为粉煤灰掺量， 根据相关技术规范要求 ， 粉 煤 灰 掺 量 应 在 400kg·m-3以 上 ， 且 在500kg·m-3以下， 基于减水剂性能， 以 1.1%的胶凝材料总量作为粉煤灰掺量； 基于自身经验， 高性能混凝土宜使用35%-45%的砂率， 试验用砂采用2.8 的细度模数， 以及39%的砂率； 以假定表观密度法对骨料用量进行计算， 首先以2400kg·m-3作为混凝土表观密度， 计算可得S0=699kg， G0=1092kg； 基于以上计算可知各材料理论用量为： 水泥 ∶砂 ∶粉煤灰 ∶ （5-20mm） 碎石 ∶减水剂 ∶水=374 ∶698 ∶65 ∶1091 ∶162 ∶4.84。

2.2 理论配合比试拌验算

根据上述计算结果， 通过试拌的方式对混凝土工作性能和力学性能进行测试， 所得结果如表1 所示。

表1 试拌验证结果

从表1 中可知， 以理论计算进行配制的混凝土有着200mm 以上的坍落度， 且28d 抗压强度也在69.5mpa 以下， 无法符合要求。 究其原因可知， 《普通混凝土配合比设计规程》 是基于混凝土约有1%含气量， 且为标准原材料条件下所设计的配合比， 标准原材料需满足干净无杂质的要求， 但具体设计过程中混凝土碎石有1.2%的含泥量、 0.2%的泥块含量以及5%的针片状颗粒含量， 河砂中约有2%的含泥量以及0.4%的泥块含量， 同时， 混凝土中约有3.5%的含气量， 因此按照相关设计规程所设计的配合比无法得到满足要求的混凝土， 需调整理论配合比。

2.3 配合比调整及验证

基于所用原材料品质特征以及混凝土含气量的多少修正所设计基准参数， 对基准参数进行修正时通过所采用的原材料替换标准原材料， 且每次只进行一种原材料的替换， 即一次一因素法。根据反复的替换， 找出最佳的参数， 最终配备出指标满足设计要求的混凝土。 从强度方面考虑时， 配制混凝土时所用的河砂中的泥以及泥块有着 2%和0.4%的含量， 会导致混凝土强度有1Mpa-3Mpa 的下降， 因此若使用该河砂进行混凝土配合比的设计时， 就需要进行水胶比的修正。 理论上可采用在设计规程中基准水胶比经验公式中代入影响系数的方式进行修正， 但实际上该种修正方式的目的在于使水胶比降低， 以对混凝土强度所受影响进行补偿。 因此可在杂质对混凝土强度的影响基础上结合自身经验直接调整水胶比。 水胶比调整后宜为0.36。 同理可知， 含有杂质的碎石同样会对混凝土强度造成一定的影响， 因此还需结合含杂质碎石的影响程度调整水胶比， 再次调整后水胶比宜为0.33。 混凝土的含气量每上升1%， 混凝土强度则会有3Mpa-5Mpa的下降， 结合混凝土含气量再次调整水胶比后宜为0.30。

从工作性能方面考虑时， 结合河砂所含杂质， 及其对工作性能的影响程度， 在自身经验基础上， 直接调整用水量为164Kg， 同理考虑碎石对其产生的影响， 再次调整掺减水剂后用水量为166Kg， 考虑粉煤灰的减水作用以及混凝土含气量， 将掺减水剂后用水量调整为145Kg。

重新调整混凝土各材料用量后的配合比如下表 2 所示， 试拌结果如表3 所示。

表2 混凝土调整后配合比

表3 试验结果

从试验结果可以知道， 混凝土坍落度在用水量降低至144kg 时减小到了184mm， 符合要求。以抗压强度的角度进行考虑可知， 混凝土的7d抗压强度在水胶比降低至0.28 时， 编号1 的试样强度为 49.5Mpa， 编号 2 的试样强度为 54Mpa，编号3 的试样强度为57.2Mpa， 混凝土的28d 抗压强度在水胶比降低至0.28 时， 编号1 的试样强度为 65.4Mpa， 编号 2 的试样强度为 71.2Mpa，编号3 的试样强度为76.3Mpa， 均有所提高。 但混凝土28d 抗压强度在 0.30 的水胶比下仅为69.5Mpa， 无法符合要求。 混凝土 28d 抗压强度在0.28 水灰比时远超配制强度， 缺乏经济性以及合理性。 故以 0.30 作为水胶比设计值， 以145kg·m-3作为掺减水剂后用水量的设计值， 配合比初步确定为∶水泥∶砂∶粉煤灰∶ （5-20mm）碎石 ∶减水剂 ∶水=410 ∶688 ∶71 ∶1077 ∶5.30 ∶144。

3 工作性能及力学性能

3.1 粉煤灰掺量

将粉煤灰掺入混凝土中可降低水泥用量， 使混凝土早期水化放热有所降低［4］。 试验时所用粉煤灰等级为I 级， 使用 0.30 水胶比以及 145kg·m-3用水量。 提高粉煤灰掺量至 18%， 以此分析混凝土工作性能及力学性能与粉煤灰掺量的关系， 试验所用混凝土配合比如表4 所示， 粉煤灰掺量对混凝土工作性能的影响如图1 所示。

图1 粉煤灰掺量对混凝土工作性能的影响

表4 试验配合比 （单位： kg·m-3）

从工作性能上看， 混凝土坍落度与粉煤灰掺量呈正比例关系， 其原因在于粉煤灰存在形态效应。 粉煤灰中大量的玻璃微珠在混凝土中可以起到减水匀质的作用， 以使混凝土流变性质得到改变［5］。 含气量不会跟着粉煤灰掺量出现显著的变化， 基本维持在3.5%左右， 均能符合要求。 从表观密度上看， 混凝土表观密度与粉煤灰的掺量呈反比例关系， 原因在于水泥密度较大， 粉煤灰取代了相同体积的水泥之后， 相当于提高了浆体含量， 使得表观密度有所下降。 同时浆体含量有所上升， 骨料表面有着更为充分的浆体包裹， 使混凝土有着更好的流动性。 从强度上看， 混凝土7d 抗压强度随着不断增加的粉煤灰掺量表现出逐渐降低的趋势， 28d 抗压强度有较小下降， 但程度较小。 混凝土的7d 抗压强度在粉煤灰掺量提升至18%时降低到了51.2Mpa， 原因在于混凝土早期水化导致碱含量不足， 导致粉煤灰活性难以激活， 水化速度较慢， 混凝土强度发展较慢。 越高的粉煤灰掺量条件下， 水泥掺量就越低， 7d 强度也就越低， 而在28d 时， 粉煤灰水化速度仍较慢， 在水化反应时近有较少的粉煤灰对混凝土强度增长做出贡献。 增加粉煤灰掺量至16%时， 强度仅有较小变化， 且有轻微下降的程度， 但在提升到18%时， 混凝土强度就有较大的降低幅度，故应以16%作为粉煤灰的最大掺量。 若继续增加粉煤灰掺量， 虽然能够在一定程度上提升混凝土工作性能， 但其早期水化产物较少， 导致7d 抗压强度较小， 无法符合张拉要求， 且28d 抗压强度在69.6Mpa 以下， 无法满足要求。 故综合工作性能、 强度以及经济性考虑之下， 应以16%作为粉煤灰掺量。

3.2 粗骨料含量

实际施工时原材料质量往往会出现较大波动， 特别是粗骨料含泥量［6］。 在混凝土配合比相同时， 以 1.5%、 1.3%以及 1%作为粗骨料含泥量开展试验。 试验所用配合比为： 405kg·m-3P·O52.5 水泥、 76kg·m-3粉煤灰、 688kg·m-3砂、1077kg·m-3（5-20m） 碎 石 、 144kg·m-3水 、5.30kg·m-3减水剂。 试验结果如下表 5 所示。

表5 试验结果

配合比相同时， 坍落度、 7d 抗压强度以及28d 抗压强度随着粗骨料不断增加的含泥量均表现出较大的降低幅度， 编号2 的混凝土28d 抗压强度在69.6Mpa 以上， 但编号1 的混凝土28d 抗压强度在69.9Mpa 以下， 不符合要求。 故混凝土性能在含泥量增加时会有所降低， 混凝土质量在其含泥量大于某一范围时将会无法满足指标要求。 在最高为1.3%的粗骨料含泥量下， 混凝土性能仍可符合要求， 故具体施工时应对粗骨料含泥量进行控制， 或在使用粗骨料前先进行清洗，控制其含泥量小于1.3%， 以确保质量。

4 结语

从以上试验可知， 梁体的各项性能指标在16%的粉煤灰掺量下能满足指标要求且状态最佳。 在进行混凝土配合比设计时应控制粉煤灰掺量， 以确保混凝土各项指标满足要求。 具体施工时应控制粗骨料含泥量在1.3%以下， 以确保混凝土设计质量。