箱梁高性能混凝土配合比試驗及質量控制研究

楊 帥 鄒艷萍

1 概述

高速鐵路的預制箱梁里程往往占據線路比例較大，箱梁預制施工進度直接影響總工程進度。預制箱梁的預制進度受制梁場資源配置、混凝土達到初張強度要求兩個因素的影響，在資源配置一定情況下，盡可能提高混凝土早期強度是提高施工進度的關鍵。提高混凝土早期強度有兩個關鍵:1)通過選用合適的配合比;2)加強混凝土生產質量控制，本文以高速鐵路工程制梁場預制箱梁生產過程為基礎，闡述預制箱梁混凝土配合比選用原則，以及混凝土質量過程控制的關鍵要點。

2 配合比設計技術要求

依據設計圖紙、相關客運專線標準、規范，高速鐵路預制箱梁混凝土其技術指標主要有以下要求:強度等級C50、彈性模量不小于35．5 GPa、抗(水)滲透等級P20、抗凍性F200、抗氯離子滲透小于1 000 C(庫侖)，抗裂性、護筋性、耐磨性以及抗堿—骨料反應性滿足設計要求。

3 質量、進度控制的目標

預制箱梁工序施工可以簡單的分為模板準備→鋼筋安裝→混凝土灌注→養護(蒸汽)→預初張拉→移梁→終張拉→封端8大工序。其中前6個工序施工均在制梁臺座上完成，如何在有限數量的制梁臺座配置上，縮短工序施工占用的時間，提高混凝土早期強度滿足初張拉強度要求，是預制梁場進度施工的關鍵。

《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》對預制箱梁張拉工序施工明確規定:對C50預制箱梁進行初張拉時，各部位同條件養護試件強度應大于設計強度的80%+3．5 MPa的標準差(也即43．5 MPa);進行終張拉時，各部位同條件養護試件強度應大于設計強度+3．5 MPa的標準差(也即53．5 MPa)。

因而作為C50預制箱梁混凝土設計及質量控制有兩個關鍵:1)混凝土設計齡期強度及耐久性指標滿足混凝土強度設計技術要求。2)混凝土達到初張拉要求的80%設計強度，同條件養護齡期滿足工程施工進度提出的齡期要求。如何選用合適的配合比是既滿足混凝土質量要求，又滿足進度要求的關鍵。

4 進度要求

由于《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》對預制箱梁張拉工序施工已明確規定:對預制箱梁進行初張拉時，箱梁底、腹、頂板3個部位同條件養護試件強度應大于設計強度的80%+3．5 MPa(也即43．5 MPa)，在制梁臺座資源配置一定的情況下，盡量縮短混凝土早期達到43．5 MPa的時間，是加快制梁臺座周轉速度、提高進度的關鍵。

某高鐵制梁場其最高月箱梁灌注完成量為56榀，按每月30 d計，其日澆筑完成量為1．87榀。按10個制梁臺座，每個臺座周轉的時間為5 d 8 h。其中初張拉提梁→模板準備→鋼筋安裝→混凝土灌注約占用22 h，實際混凝土達到初張的有效齡期是4 d 10 h;也即要求混凝土灌注完成后4 d 10 h內(或更短的時間內)必須達到43．5 MPa的強度。

進度對配合比要求:C50混凝土，其配制強度 Fcu，k=50+1．645×σ=58．2 MPa(σ取5．0 MPa)，為使 C50混凝土在生產質量滿足95%保證率要求，在5．0 MPa標準差一定的情況下，其混凝土28 d標準養護抗壓強度平均值應不低于其配制強度。

根據進度提出的混凝土強度達到43．5 MPa的要求齡期為4 d 10 h，當混凝土的28 d強度以58．2 MPa控制時，則要求混凝土強度發展系數在4 d 10 h的應大于0．75(43．5/58．2)。通過典型混凝土強度發展系數曲線圖1插值得3 d齡期強度發展系數應在0．67以上。

圖1 試驗混凝土強度發展系數

圖2 C50混凝土強度發展系數與時間的關系曲線

當C50混凝土強度發展曲線如圖2所示時，其3 d強度發展系數為0．61，4 d 10 h強度發展系數為0．71，則要求混凝土生產時其28 d混凝土強度至少控制在61．3 MPa(43．5/0．71)以上，混凝土強度才能滿足箱梁預制進度的要求，否則箱梁混凝土強度將制約箱梁預制進度。

由此可知，作為C50預制箱梁配合比，應優先選擇具有較大的早期強度發展系數的配合比，從而可適當降低混凝土28 d控制強度，控制混凝土強度的富裕。

5 施工配合比的選用

根據生產需要，本制梁場分別進行以下7個C50預制箱梁混凝土配合比設計試驗，試驗水膠比分別采用0．31，0．30;摻合料采用20%FMH+20%KZF，15%FMH+15%KZF，20%FMH，30%FMH以及10%FMH+15%KZF 5個組合比例進行。根據表1，表2可知:1)7套配合比28 d標準混凝土抗壓強度最小值62．3 MPa滿足不小于58．2 MPa配合比設計配制強度的要求;2)不同的摻合料摻配比例對混凝土強度產生不同的影響。其中第2，3，5，7套均具有較高的3 d強度發展系數。

配合比統計結果見表1，配合比強度及各齡期發展系數見表2。

表2 配合比強度發展關系統計表

據表2可知，第2，3，4套配合比混凝土具有較高的早期強度發展系數，適用于本工程預制箱梁灌注施工;第7套配合比其3 d強度發展系數0．65稍低，但其具有富裕后期強度，生產時應按富裕的28 d強度控制，才能保證早期強度滿足箱梁預制的進度要求。

6 混凝土質量過程控制

混凝土配合比經過合理選用后，在理論上滿足箱梁的進度施工，但施工因素、原材料質量的變化，也直接影響箱梁混凝土強度質量。根據經驗證明，地材質量、外加劑摻量的波動是混凝土強度質量主要影響因素。

6． 1 地材質量的控制

《客運專線預應力預制梁暫行技術條件》明確提出了各原材料的質量控制標準。《技術條件》規定，預制箱梁砂含泥量、泥塊含量分別不大于2．0%，0．1%;碎石含泥量、泥塊含量分別不大于0．5%，0．1%。有試驗數據說明，天然砂的含泥量對外加劑的減水率、混凝土的保坍性能有較大的影響，當砂含泥量超過3．0%時，混凝土將相對標準增加10%的拌合用水，30 min混凝土坍落度損失50%。因而作為預制箱梁用細骨料，其含泥量應嚴格控制在不大于2．0%的范圍內，不能滿足的原料砂可通過螺旋洗砂機進行水洗處理，經過水洗后的細骨料可有效保障混凝土生產質量。

6． 2 外加劑摻量的控制

混凝土外加劑減水率質量的波動，是直接影響箱梁混凝土強度質量的重要因素。在外加劑滿足標準質量要求但仍不滿足配合比施工的情況下，允許對外加劑摻量進行合理調整。由于箱梁鋼筋結構密集、預應力管道分布復雜。要求箱梁入倉混凝土具有良好的流動性，一般要求，混凝土坍落度控制在18 cm～22 cm時，比較適合預制箱梁混凝土施工。因而就外加劑和質量的波動等原因，要求每批外加劑進場時必須進行施工配合比驗證，通過合理調整外加劑摻量，使施工配合比出機坍落度、含氣量滿足設計要求，確保箱梁混凝土施工質量。

以上兩個控制要點是箱梁混凝土施工中質量控制的關鍵。控制骨料中含泥量可減少外加劑摻量成本的增加，另通過調整外加劑摻量，可滿足由于原材料含泥質量變動情況下，保證混凝土工作性滿足施工要求，同時保證水膠比不變動，進而確保混凝土強度質量。

7 混凝土質量控制成果

7． 1 強度控制成果

根據556榀箱梁2 462組28 d標準養護抗壓強度結果說明:制梁場混凝土質量控制取得較好的控制成果，混凝土平均值59．0 MPa、最小值 52．3 MPa、最大值 71．5 MPa、標準差 3．4 MPa。混凝土強度滿足設計強度等級要求、控制水平達到優良。

7． 2 耐久性指標質量控制

由于配合比在設計過程中，已進行堿—骨料反應篩選，因而混凝土不存在堿—骨料反應的可能，多次混凝土耐久性取樣，抗(水)滲透等級均大于P20，200次抗凍融重量損失率最大值為1．28%、相對動彈性模量最小值為90．7%，電通量最大值為551 C，耐久性檢測結果均滿足設計提出的P20，F200均小于1 000 C(庫侖)的技術要求。

7． 3 彈性模量控制成果

混凝土軸心靜力抗壓彈性模量主要取決于混凝土的強度及骨料的剛度，配合比參數差異對之影響不大，本工程骨料主要采用碳酸質石灰巖碎石骨料，混凝土彈性模量檢測結果居中。本工程556榀箱梁1 667組彈性模量試驗結果最大值45．3 GPa，最小值 37．6 GPa，平均值 41．4 GPa，標準差 1．1 GPa，均滿足設計提出的大于35．5 GPa的技術要求。

7． 4 張拉強度控制成果

混凝土張拉工序施工一般由試驗室進行強度試驗合格后，通知制梁場進行相應的張拉工序施工，除終張拉有大于10 d的齡期要求外，張拉工序施工一般在強度滿足設計張拉強度要求即可。通過統計結果可知:制梁場混凝土達到初張拉的平均齡期為3 d 18 h，滿足高峰期提出的小于4 d 10 h的進度要求。

8 結語

本工程實踐結果說明:作為預制箱梁混凝土配合比，應選擇具有較高的早期強度發展系數的配合比，且28 d混凝土強度應控制在不低于配制強度的水平;當配合比不能獲得較高的早期強度發展系數時，應提高混凝土28 d強度，強度控制在高于配制強度的水平上，或者更富裕的強度。

在水電工程混凝土施工配合比設計時，可通過大幅度提高活性摻合料摻量，在保障強度滿足設計要求情況下，以達到改善混凝土和易性、節約成本，從而達到比較好的經濟效果。同樣在鐵路預制箱梁混凝土配合比設計時，為了具有良好的耐久性能，改善混凝土和易性，在混凝土配合比設計時要求必須摻入適量的活性摻合料;但由于摻入過多活性摻合料后，混凝土早期強度低、后期強度高，不適應工期進度要求下箱梁混凝土工序施工。鐵路工程預制箱梁混凝土有其工程領域的特殊性，工期短、進度快。根據工程總體進度要求，各制梁場箱梁混凝土2 d～3 d強度必須達到設計強度的60%+3．5 MPa，3 d～4 d強度必須達到設計強度的80%+3．5 MPa，必要時可通過蒸汽養護提高混凝土成熟度。另外，箱梁混凝土相對富裕28 d強度不應作為我們成本控制考慮的關鍵因素;相反，盡量提高配合比早期強度，縮短工程施工周期，降低運營成本，才是控制工程總體成本的關鍵。

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