高性能混凝土配合比設計

劉保坤

(石家莊市公路橋梁建設集團第五工程處)

1 混凝土的控制指標

混凝土的收縮是造成箱梁早期開裂的主要原因。若混凝土中水泥含量過大，使得混凝土收縮變形大，當這種變形受到約束時將在混凝土內產生拉應力。拉應力超過了混凝土抗拉強度就會導致混凝土的開裂。因此，配制高強度、低收縮的混凝土是防治箱梁收縮裂縫的關鍵。

主橋采用C60高強混凝土。為滿足強度、工作性和收縮量小的要求，配制混凝土時其控制指標如下。

(1)通過現場觀測和調查，確定施工泵送高度20 m，泵車能夠泵送混凝土最小坍落度為150 mm，同時考慮橋梁施工時，坍落度超過230 mm則箱梁承托附近無法成型，因此確定混凝土坍落度范圍為180～200 mm。

(2)混凝土拌和至澆筑完成需1 h左右的時間，因此確定混凝土1.5 h經時坍落度損失不大于30 mm，初凝時間不低于2 h，以保證整個澆注過程順利進行。

(3)連續梁懸臂施工要求3～5 d張拉預應力鋼絞線，7～10 d為一工作周期。因此要求混凝土3 d強度達到90%設計強度，7 d強度達到100%設計強度。

(4)要達到盡量少出裂縫或不出裂縫的目標，要求混凝土具有較小的收縮值。為此，應盡量減小凝膠材料的用量，控制混凝土的收縮量。

2 原材料選擇

(1)水泥:高標號混凝土所用水泥應為425#及以上水泥，以降低單位水泥用量，減少收縮徐變。設計采用525普通硅酸鹽水泥，具體性能指標見表1。

表1 水泥物理性能

(2)骨料:高標號泵送混凝土接近于均質體，破壞時裂縫往往是貫穿粗骨料、水泥砂漿基體，斷裂面較平滑。因此應選擇優質，表面無雜質、粉塵的反擊式碎石，粒徑為5～20 mm。細集料的好壞直接影響混凝土拌合物的和易性，應選擇干凈、含泥少、優質、級配良好的河砂，細度模數為2.6～2.8。所選集料具體性能指標見表2。

(3)粉煤灰:主要起到以下三個作用。①粉煤灰較細能填充集料及水泥之間的空隙，使顆粒級配更合理，達到較佳密實狀態，同時需水較少，等量取代水泥，能夠降低水灰比。②粉煤灰顆粒形狀大多為球狀，在集料間起著軸承作用，從而改善混凝土流動性。③有部分活性SiO2、Al2O3在水泥堿性環境下，受到激發，出現膠凝性能。能夠提高混凝土強度，降低水化熱，坍落度損失小，增長后期強度，起到改性作用。

由于施工現場附近沒有I級灰，因此本設計采用II級灰，細度(45μm篩余)15%，燒失量6%。

表2 碎石、砂子的物理性能

(4)硅粉:能夠填充水泥顆粒間的孔隙，同時與水化產物生成凝膠體，與堿性材料氧化鎂反應生成凝膠體。具有保水、防止離析、泌水、大幅降低混凝土泵送阻力的作用，能夠提高混凝土早期強度。

(5)聚羧酸超高效減水劑:可以減小水灰比，提高強度，減少混凝土自身收縮。本設計采用北京奧通JFL-1型聚羧酸高效減水劑，含固量20%，減水20% ～30%。

3 正交試驗設計

(1)因素—水平表:根據選用材料的物理性能以及以往的配合比設計方案進行混凝土試拌，確定因素—水平表如表3。

表3 因素-水平表

(2)正交試驗:根據水平—因素表確定選用L18(36)正交表，共18組配合比。每組配合比的坍落度及坍落度經時損失都能滿足施工要求。將其在標準養生室養護，并測其3 d、7 d、28 d抗壓強度及其收縮量。

(3)試驗結果分析:對3個強度指標及28 d收縮量指標進行極差分析，得到如下結論。

水膠比是影響混凝土強度的最主要因素，其次為砂率，此兩項應優先選擇。由此確定水灰比為0.28，砂率為0.34%，減水劑為2.3%。

影響28 d收縮量的因素大小依次為水泥用量、水膠比、減水劑、硅粉、粉煤灰、砂率。水泥用量、硅粉用量及水膠比越大，收縮量越大;粉煤灰及減水劑用量越大則收縮量越小，但粉煤灰用量大影響其早期強度。

水泥、粉煤灰、硅粉三者之和為凝膠料的總量，應綜合考慮決定各自用量。本次設計考慮到選用粉煤灰為II級灰，結合實驗數據選擇15%摻量。由試驗分析可知硅粉摻量越多早期強度越大，后期強度越低，同時考慮到硅粉的造價較高，因此硅粉的摻量定為4%。

由于粉煤灰和硅粉選用參量較少，因此水泥用量比數據分析最優用量略多，為420 kg/m3，膠凝材料總量為499.8 kg/m3。最后確定的最優配合比見表6。其3 d、7 d及28 d的強度分別達到了57.5 MPa、69.2 MPa、89.8 MPa，完全滿足設計和施工的要求。

表4 最優配合比(1 m3混凝土各組分，單位:kg)

采用最后確定的最優混凝土配合比，對齊泰公路嫩江橋箱梁混凝土進行了澆筑。現場澆筑情況表明，混凝土和易性、粘聚性良好，無離析、泌水現象;混凝土強度及彈性模量穩定;成型后結構表面無浮漿、空洞現象，滿足內實外光的設計要求。