嚴寒地區C50混凝土配合比設計及施工質量控制的研究

萬惠文，董群喜，王 銀，戴 鵬

（武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070）

嚴寒地區C50混凝土配合比設計及施工質量控制的研究

萬惠文，董群喜，王 銀，戴 鵬

（武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070）

結合內蒙古二連浩特疏港互通立交橋實際工程，根據當地氣候特點，利用當地原材料，在實驗室采用正交實驗方案進行大量試驗。結果表明，采用P·O52.5R水泥及當地粗細集料所配制C50混凝土的28d抗壓強度可達63.9MPa，且新拌混凝土性能滿足施工要求，硬化混凝土抗凍性達到F250以上。此外，文章還討論了嚴寒地區高強混凝土的施工質量控制措施。

配合比設計； 正交試驗； 質量控制

我國幅員遼闊，地理環境錯綜復雜，在嚴寒地區工程建設中對混凝土的性能要求較高。混凝土的抗凍耐久性設計是嚴寒地區混凝土配合比設計的關鍵。近些年人們從混凝土的破壞機理和提高其耐久性對高強度、高抗凍混凝土的性能及其配制過程的技術參數進行了研究和探討，提供了許多寶貴資料。但混凝土結構耐久性設計的科學基礎、理論背景和設計方法仍將是今后研制高強度高耐久性混凝土的支持與依靠［1］。

內蒙古屬于我國北部嚴寒和風沙較大的地區，研究高強混凝土的性能和工程應用對該地區交通基礎建設和經濟發展有重要的意義。結合內蒙古二連浩特疏港互通立交工程及環境特點，開展了C50箱梁混凝土配合比設計和影響混凝土性能的施工因素的試驗研究，并成功配制適用于該工程的箱梁混凝土，對類似嚴寒地區混凝土工程建設具有參考意義。

1 工程背景及混凝土性能要求

二連浩特南互通立交橋位于二連浩特疏港公路與二廣公路相交處，為該地區在建的第一座橋梁工程。立交橋預制主梁、端橫梁、中橫梁、橋面現澆層等上部結構均采用C50混凝土。由于該地區資源缺乏，荒漠化嚴重，氣候環境惡劣，春秋季節風沙較大，夏季短暫炎熱，冬季漫長寒冷，最低氣溫可達－46.2℃，年平均氣溫3.4℃左右，每年正常施工時間為5～9月份，因此對混凝土配合比設計和高抗凍耐久性要求較高。結合工程施工技術與具體規范要求，根據當地氣候特點和原材料資源狀況，C50箱梁混凝土設計的技術指標如表1所示。

表1 混凝土性能要求

其中混凝土試配強度的計算公式為

式中：fcu，o為混凝土的試配強度，MPa；fcu，k為混凝土立方體抗壓強度標準值，MPa；σ為混凝土強度標準差，取6MPa。

2 原材料選擇及技術指標要求

2.1 水泥

水泥是混凝土的重要膠凝組成材料，它直接影響混凝土的強度、溫度徐變和干縮等性能。本地區內可供選用的水泥有唐山市冀東水泥有限責任公司生產的P·O52.5R水泥和內蒙古冀東水泥有限責任公司生產的P·O52.5水泥。在實驗室分別采用以上兩種水泥進行混凝土試配，結果發現，采用P·O52.5水泥配制的混凝土早期強度偏低，而且28d抗壓強度一直在56～58MPa范圍內，無法滿足當地施工要求。另外，由于當地沒有礦物摻合料，在混凝土組成材料中沒有摻粉煤灰、礦渣粉、硅灰等材料，因此混凝土后期抗壓強度增長緩慢甚至沒有增長。經反復試配，決定采用唐山市冀東水泥有限責任公司生產的P·O52.5R水泥。該水泥的物理性能技術指標如表2所示。

表2 P·O52.5R水泥物理性能技術指標

2.2 粗集料

由于混凝土的試配強度較高，粗集料應選取質地堅硬、潔凈、級配較好的碎石。碎石級配對混凝土的和易性和強度有很大影響［2］，箱梁端部鋼筋分布較密，碎石粒徑較大不利于混凝土澆筑與振搗，該箱梁混凝土采用公稱最大粒徑不超過20mm的二級配碎石，其中4.75～9.5mm 占40%，9.5～19mm占60%。試驗選用二連浩特市趙永明碎石場碎石，其主要技術指標如表3所示。

表3 碎石技術指標

2.3 細集料

細集料優先選用級配良好的河砂或江砂，河砂和江砂相對比較干凈，含泥量小，且砂中石英顆粒含量較多，質地較為堅硬。試驗采用細度模數為2.80的二連浩特市查干沙場生產的河砂，經檢測，該河砂的各項指標均滿足規范要求，其篩分級配圖如圖1所示。

2.4 外加劑

外加劑采用鄭州冠達建筑材料有限公司生產的GD－聚羧酸引氣減水劑，液態，固含量27.0%，減水率28.0%，含氣量達2.8%，對膠凝材料摻量為1.4%，其它技術指標符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》規范要求。

2.5 水

試驗中所用水為二連浩特市當地飲用水。

3 混凝土配合比優化設計

3.1 正交試驗表設計

在混凝土配合比設計試驗中采用正交試驗設計法。由于正交表設計的試驗具有很強的代表性，各試驗方案對比明顯，對試驗結果進行統計分析，能夠快速的選取有代表性的試驗方案［3］。通過分析，本試驗方案中選取三因素三水平進行正交表設計。其因素水平表如表4示。

該試驗是一個三水平試驗，選用正交表L9（33）較合適。將各因素水平按正交表組合后的試驗方案如表5所示。

表4 正交試驗因素水平表

表5 正交試驗方案表

3.2 正交試驗結果及其分析

混凝土試拌時采用60L強制式混凝土攪拌機進行拌合，攪拌時間共為3min。按規范要求對新拌混凝土進行坍落度和含氣量測定，其中含氣量使用直讀式含氣量測定儀測定。然后將混凝土裝模放入標準養護室進行養護，測定其7d、28d的抗壓強度。上述正交試驗組合的新拌混凝土的測試結果如表6所示。

表6 正交試驗測試結果

從表中可以看出，7＃、9＃配合比試驗中混凝土測試結果較為接近理想狀況，對兩組配合比進行優化設計，把兩組配合比的水灰比、砂率進行微調，然后對調整后的混凝土配合比進行試拌、性能測試，最終得到各項性能均滿足規范和施工要求的C50混凝土的配合比如表7所示，新拌和硬化混凝土的性能檢測數據如圖8所示。

表7 施工混凝土配合比

表8 新拌及硬化混凝土性能

4 混凝土施工質量控制

混凝土的質量與施工工藝和技術有很大關系，僅有好的配合比設計是遠遠不夠的，在施工過程中需加強混凝土原材料質量及施工工藝和技術控制。結合橋梁實際工程，混凝土施工中注意以下幾點：

1）混凝土所用原材料的質量要經嚴格檢測，各項指標需符合規范要求。

2）混凝土拌合樓需經過計量檢定，降低原材料的稱量誤差。

3）在箱梁混凝土澆筑期間，該地區白天氣溫較高、風沙較大，新拌混凝土坍落度損失較大，不利于澆筑和振搗，因此混凝土的澆筑時間選擇在晚間進行，降低其入模溫度。

4）箱梁澆筑時采用逐步推進法依次灌注底板、腹板、翼緣板、頂板，用插入式振搗棒進行搗固［4］，為使底板混凝土密實人工進入箱室內進行振搗、抹面。

5）混凝土在澆筑中，確保混凝土無離析現象發生，振搗到位，避免出現過振和漏振現象。

6）梁體混凝土澆筑完以后對頂板混凝土表面進行二次趕光、抹面，當混凝土快達到終凝時，表面先覆蓋一層濕麻袋，然后用特制棉被對箱梁進行完全覆蓋養生，同時注意定時灑水，使棉被內外處于潤濕狀態。

7）箱梁拆模以后，腹板表面粘貼一層塑料薄膜，防止腹板混凝土水分蒸發而出現干縮裂紋，白天溫度較高時使用空壓機向箱室內鼓風以及在箱室內蓄水，降低混凝土的溫度應力避免溫度集中［5］。

5 結 論

a.配制嚴寒地區C50混凝土，根據當地實際情況和施工性能要求，選用P·O52.5R水泥，質地堅硬、潔凈、級配較好的集料和具有引氣效果的聚羧酸高效減水劑。

b.混凝土施工配合比中，水泥用量493kg／m3，水灰比0.32，砂率0.35，減水劑摻量1.4%，該配合比能夠滿足新拌混凝土施工性能及硬化混凝土力學性能。

c.根據實際施工環境，混凝土澆筑完成后應采取必要養護措施，加強防風、保濕等系列控制措施。

［1］杜天玲，孟云芳，王治虎.提高混凝土抗凍耐久性技術的研究綜述［J］.寧夏農學院學報，2002，23（2）：80－83.

［2］徐 琦.水泥混凝土中集料級配的試驗研究［J］.公路工程與運輸，2005，12：120－122.

［3］吳 翊，李永樂，胡慶軍.應用數理統計［M］.長沙：國防科技大學出版社，2005.

［4］吳 銜.高寒干旱地區鋼筋混凝土簡支箱梁翼板裂縫病害分析與防治［J］.科學技術與工程，2010，10（24）：60844－6087.

［5］Young Hoon Parka，Cheolwoo Parkb，Yong Gul Parke.The Behavior of an In－service Plategirder Bridge Strengthened with External Prestressing Tendons［J］.International Journal of Engineering Structures，2005，10（6）：379－386.

Study on the Mixture Ratio Design and Quality Control of C50 Concrete in Cold Region

WAN Hui－wen，DONG Qun－xi，WANG Yin，DAI Peng
（State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecturres，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

A large number of tests have done in the laboratory，combining with the Erenhot port interchange overpass project in Mongolia，according to the local climate characteristic and using local raw materials.The results show that，with P·O52.5Rcement and local aggregates the C50concrete’s compressive strength of 28dcan reach 63.9 MPa.The fresh concrete performance can meet the construction requirements and hardened concrete frost resistance reach more than F250.In addition，the paper also discusses the quality control measures of high－strength concrete in cold regions.

mixture ratio design； orthogonal test； qualitycontrol

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.004

2013－12－26.

萬惠文（1963－），博士，教授.E－mail：wanhw＠whut.edu.cn