混凝土用材料選優方案

宮展蒙

(中鐵十二局集團第四工程公司，陜西 西安 710021)

1 概述

鐵路客運專線與普通鐵路相比，具有運行速度高、設計使用年限久等特點，某鐵路客運專線設計時速為250 km/h，設計使用年限為100年，因此對于建設過程中各個環節都是從高從嚴要求，尤其對于結構方面起主要作用的混凝土更是特別嚴格，從選材、配合比的設計及施工質量控制都相當苛刻。

針對橋梁工程配筋密、間距小、外觀質量要求高的特點，經討論決定，采用粉煤灰及磨細礦渣粉雙摻的方法，配合使用高效聚羧酸減水劑，配置高耐久性，大流動度，高坍落度保持的高性能混凝土[1-3]。

2 原材料

2.1 水泥

試驗所用的水泥為強度等級42.5的硅酸鹽水泥，水泥主要性能指標見表1。

表1 42.5型普通硅酸鹽水泥主要性能指標

2.2 細骨料

配制砂漿用砂采用GB 178規定的標準砂。配制混凝土用砂為河砂，細度模數為 Mx=2.6，堆積密度為1.56 g/cm3，表觀密度為 2.60 g/cm3。

2.3 粗骨料

最大公稱粒徑為20 mm～40 mm，連續級配，表觀密度為2.66 g/cm3，堆積密度為 1.60 g/cm3。經過人工沖洗，篩分為兩檔:細檔(≤10 mm)，粗檔(＞10 mm)。試驗搭配分析研究，細檔與粗檔的比例為3∶7時，粗骨料的堆積密度最大。因此，試驗中采用此搭配的粗骨料。

2.4 水

配制時采用自來水。

2.5 摻合料

試驗中采用的摻合料主要有粉煤灰、磨細礦渣粉、硅粉，具體化學成分見表2。

2.6 外加劑

外加劑品種有:萘系減水劑JM8;某建材公司聚羧酸高效減水劑SP8，某建材公司生產的聚羧酸類高效減水劑SX-C，SR3。

3 混凝土材料的選優及配合比的設計

表2 摻合料的化學成分

3.1 配合比的對比分析

鐵道部于2005年頒布了《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》，依此作為本項目的技術準則。文件中對混凝土結構耐久性指標作了具體規定，對混凝土碳化指標、電通量指標、抗凍融及耐磨等指標進行了細化。遵照《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》和本工程的地理條件，對于本工程中所要求的高性能混凝土配合比，我們咨詢過多位專家，專家們進行過詳盡的分析，提出解決方案。通過增加混凝土的密實度提高其抗滲性能，減少拌和物中的堿含量和金屬鹽含量來降低其通電能力，在合理的范圍內降低混凝土用水量來減少其毛細孔隙等。并推薦幾種方案，具體如下:

第一方案:應用聚羧酸系列減水劑來提高混凝土性能。

第二方案:應用萘系減水劑并摻加硅灰以提高混凝土性能。

第三方案:摻加應用萘系減水劑并摻加專用防腐劑以提高混凝土耐腐蝕性能。

以上三種方案在鐵路客運專線都有所應用，表3列出了三種方案的配合比(以水下混凝土C30為例，單位:kg/m3)。

表3 三種方案配合比

3.2 混凝土試配情況

A0為不摻礦物摻合料的基準混凝土，用以對比礦物摻合料對混凝土性能的影響。

從表4中可以看出，各組混凝土的初始坍落度基本都在16 cm～22 cm之間，但使用聚羧酸類減水劑拌制的混凝土初始坍落度在20 cm以上，而且表現出良好的坍落度保持性能。

A1，A2，A3，A4與A1對比可以看出，對于新拌混凝土摻合料的加入，對水泥顆粒起到潤滑分散作用，更多的漿體游離出來，使骨料得到潤滑并改善混凝土的和易性，最直觀的表現即混凝土坍落度的增加以及保水性和抗離析能力的增強。且摻入摻合料后，混凝土密實度得以提高，后期強度都比不摻摻合料的混凝土要大。

A0，A1，A2與A3，A4對比可以看出聚羧酸減水劑比傳統萘系減水劑具有更高的減水效果，膠材總量大大降低，并且對于坍落度的保持效果更好，A3，A4兩組1 h后混凝土的施工性能明顯下降，已經不能滿足泵送要求，配合比單方用水量較多，它們的后期強度也比較低，會大大提高混凝土的電通量，對耐久性能影響較大。

表4 試配情況表

對比A1與A2可以看出聚羧酸減水劑配制的混凝土，1 h混凝土坍落度仍保持在20 cm左右，而后期強度比其他組高。在保證混凝土密實的條件下，膠材的減少不僅節約了混凝土的成本，更有助于混凝土整體耐久性的提高。

對A1，A2，A3，A4進行耐久性試驗研究。

3.3 混凝土耐久性研究

3.3.1 抗滲性

根據規定，成型了的混凝土抗滲試件，標準養護56 d后進行了抗滲性試驗。在試驗水壓從0.1 MPa開始，每隔8 h增加水壓0.1 MPa，加壓到3.0 MPa，并恒壓8 h后，發現四組配合比的混凝土均無透水現象，表明各組的混凝土抗滲壓力大于3 MPa。劈開后，測量各配比混凝土的滲水高度，結果見圖1。

從圖1中可以看出，4組的滲水高度都小于30 mm，A3，A4滲水高度在18 mm～26 mm之間，而A1，A2都在15 mm以下，這是因為聚羧酸減水劑減水率高，用水量少，混凝土更加密實。A1較A2具有更好的抗滲性能，A1的滲水高度在12 mm以下，能夠滿足特殊環境下抗滲混凝土的配制。

3.3.2 干燥收縮

混凝土的干燥收縮試件采用100 mm×100 mm×515 mm標準試件，按標準條件下養護及檢測。但在1 d脫模后，測試其初始長度。收縮率為同組三個試件的平均值。結果見表5和圖2。

表5 各組混凝土的干縮性能

圖2 不同配合比的干縮曲線

表5和圖2給出了不同齡期下不同配合比的混凝土的干燥收縮率。從中可以看到，采用萘系減水劑的混凝土收縮率較大，這是因為膠材用量大，單方用水量大都會使混凝土的收縮性能變大，A1較A2具有更好的抗收縮性能。

3.3.3 抗硫酸鹽侵蝕

配制濃度為10%的硫酸鈉溶液，將測試試件在標準養護28 d后取出，浸入清水以及上述溶液中，要求液面高出試件上表面20 mm，溶液溫度保持在(20±3)℃。90 d后取出試件，用清水沖洗其表面，然后放入標準養護室中2 d，取出測定強度值。不同配合比混凝土抗硫酸鹽侵蝕結果見表6。

表6 混凝土在不同介質中浸泡3個月后的強度變化

從表6的數據中可以看出，各組混凝土在硫酸鈉溶液中浸泡后，強度均比在清水中浸泡的混凝土強度低，但使用聚羧酸減水劑的A1，A2兩組，混凝土強度損失率更小，僅為0.5%和2.6%。膠凝材料用量的降低，以及活性摻合料的使用，都降低了C3A相對于硅酸鹽水泥的含量，同時混凝土密實度的提高控制了硫酸鹽離子往混凝土中的侵入，因而A1混凝土表現出更好的抗硫酸鹽侵蝕能力。

3.3.4 抗凍融能力

根據規定，采用快凍法對混凝土進行了抗凍性試驗，凍融循環300次后的試件重量及動彈性模量結果見表7，表8。

表7 各組混凝土經300次凍融循環后試件平均重量的變化 kg

表8 各組混凝土經300次凍融循環后動彈性模量的變化 GPa

從表8可以看出，不同配合比的混凝土都表現出良好的抗凍融循環能力，活性摻合料的加入細化了混凝土的孔結構，使水分難以滲入混凝土試件內部。A1仍然表現出了最好的抗凍融性能。

綜合以上實驗結果看出按A1配合比配制的混凝土表現出了最好的混凝土新拌性能、可施工性能、力學性能和耐久性能，并且在C35，C40，C45，C50混凝土中優越性更大。因此選擇摻加礦物摻合料和某建筑材料有限公司生產的高效聚羧酸減水劑配制高性能混凝土。

4 綜合性價比分析

根據工地所在地的材料，對三種方案進行造價分析:

水泥350元/t、粉煤灰180元/t、礦粉260元/t、硅粉500元/t、砂30元/t、碎石 45元/t、JM8減水劑 3 800元/t、SP8減水劑7 800元/t、聚羧酸減水劑7 500元/t、防腐劑3 000元/t。

以上述C30混凝土每立方米為例對三種方案造價列表9。

表9 三種方案造價比較

5 結語

1)使用聚羧酸減水劑拌制的混凝土，具有更好的坍落度保持能力;摻合料的使用提高了混凝土的和易性并增強了混凝土后期強度。2)使用聚羧酸減水劑，降低了膠凝材料總量，混凝土仍具有較大的坍落度及強度和高耐久性。3)使用方案1和聚羧酸減水劑獲得了最大的經濟效益，大大降低了總造價。

[1] 吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵路出版社，1998.

[2] 陳肇元，朱金銓，吳佩剛.高強混凝土及其應用[M].北京:清華大學出版社，1992.

[3] 孫振平，蔣正武，金慧忠，等.聚羧酸系減水劑在鋼管混凝土橋拱施工中的應用[J].建筑技術，2009(2):31-35.

[4] 郭延輝，郭京育.聚羧酸系高性能減水劑及其應用技術[M].北京:機械工業出版社，2005:216-222.