重載鐵路高性能混凝土配合比設計思考

摘要：結合鐵路施工中設計重載鐵路高性能配合比的過程，得出對于重載鐵路高性能混凝土配合比的設計不僅要采用優質的原材料，而且要運用添加高效外加劑以及足夠數量的摻和料的方法，從而設計出滿足耐久性及其他工作性能的高性能混凝土。

關鍵詞：重載鐵路；混凝土；配合比；耐久性

引言

新建山西中南部鐵路通道19標（DK1049+400-DK1133+900），為正線雙線，設計速度目標值采用120km/h，世界上第一條按30噸重載鐵路標準建設的鐵路。主要工程為橋涵隧對于高性能混凝土需求量大質量要求嚴，在配合比設計過程中不僅要嚴控原材料質量還要做好配合比選定工作。本文以此重載鐵路中大量用到的C30高性能混凝土配合比設計工作為例進行闡述。

1.配合比設計參數

在《高性能混凝土應用技術規程》（CECS207-2006）對高性能混凝土定義為：采用常規材料和工藝生產，具有混凝土結構所要求各項力學性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性的混凝土。就重載鐵路高性能混凝土配合比的設計來說，主要是以混凝土的耐久性以及結構物的使用期限等作為依據的，本重載鐵路的主體結構混凝土的耐久性設計壽命為100年，C30高性能混凝土使用部位為墩身、臺身、托盤、基礎、承臺、二襯、洞口工程等部位。設計環境作用等級為T1、T2，原材料已檢驗合格此處不再贅述。混凝土配合比設計參數見表1

2.確定試配強度（fcu，0）

2.1根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）和《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》（TB10424-2010）的要求，其中JGJ55-2011自2011年12月1日起實施增加并突出了混凝土耐久性的規定，混凝土試配強度采用下式確定：

fcu，0≥fcu，k+1.645σ

=30+1.645×5.0

=38.2（MPa）

式中：fcu，0——混凝土配制強度（MPa）；

fcu，k——混凝土立方體抗壓強度標準值（MPa）；

σ ——混凝土強度標準差（MPa），取5.0。

2.2混凝土配制強度對生產施工的混凝土強度應具有充分的保證率，對于強度等級小于C60的混凝土，實踐證明傳統的計算公式是合理的。混凝土強度標準差σ的取值與目前實際控制水平比較是偏于安全的，也與國際上提高安全性的總體趨勢是一致的。

3.確定1m3混凝土各項材料的單位用量

3.1執行JGJ55-2011標準后新調整的回歸系數與老規范的規定不一樣，此次調整也是為了使混凝土水膠比計算公式更符合實際情況以及普遍摻加粉煤灰和粒化高爐礦渣等礦物摻和料的技術發展情況下進行的調整。根據《鐵路混凝土工程施工技術指南》（鐵建設[2010]241號）表6.5.2-2的要求，設計使用年限100年最大膠凝材料用量為400kg/m3。按《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）確定水膠比W/B=（αa×fb）/（fcu，0+αa×αb×fb）=（0.53×39.4）/（38.2+0.53×0.20×39.4）=0.49，式中αa、αb回歸系數（碎石采用0.53、0.20）。fb=γf×fce=0.80×42.5×1.16=39.4：本項目采用淄博雙鳳山水普通硅酸鹽水泥等級為42.5，水泥富余系數取1.16，粉煤灰影響系數取0.80。經前期試驗，水膠比取0.434，取較小的水膠比可以提高混凝土的密實性從而使其有較好的強度和抗滲抗凍性能，耐久性也相應提高。

3.2確定單位用水量

采用聚羧酸系高效減水劑可以大幅度提高混凝土的早期、后期強度，具有摻量低，減水率高，收縮小，氯離子含量低、堿含量低的特點，有利于提高混凝土的耐久性，可用更多的礦渣或粉煤灰取代水泥，從而降低成本。根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）表5.2.1-2和試驗確定不摻減水劑時用水量225 kg/m3，摻外加劑用水量經試驗確定為165 kg/m3（外加劑采用山東華偉的NOF-AS標準型聚羧酸系高性能減水劑）。

3.3確定膠凝材料用量

膠凝材料如果用量太少，水膠比大則漿體太稀，黏度不足，混凝土容易離析，水膠比小則漿體不足，混凝土中骨料量相對過多，兩種情況都對混凝土強度和耐久性不利。根據《鐵路混凝土工程施工技術指南 》鐵建設[2010]241號規定，C30混凝土膠凝材料最大用量宜為400 kg/m3。為提高混凝土的耐久性，改善混凝土的施工性能，在混凝土中摻入適宜的粉煤灰、礦渣粉或硅灰等礦物摻合料，粉煤灰摻量取26.3%。本項目粉煤灰為中國華電章丘發電責任有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰，摻加粉煤灰后不僅節約了成本還可以顯著提高混凝土的耐久性，適合本重載鐵路的實際要求。

mb0=mw0/（W/B）=165/0.434=380kg/m3；

mc0=380×（1-26.3%）=280 kg/m3；

mf0=380×26.3%=100kg/m3。

3.4確定砂率

砂率對混凝土拌合物性能影響較大，可調整范圍略寬，也關系到材料成本。在選擇砂率時可以根據規范初步選取，在試配過程中調整以確定合理砂率。根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）表5.4.2和試驗調整，砂率取44%。

3.5確定粗骨料和細骨料用量

采用質量法計算混凝土配合比，粗細骨料按下式計算：

mf0+mc0+mg0+ms0+mw0=mcp

βs=ms0/（mg0+ms0）×100%

mg0—計算配合比每立方米混凝土的粗骨料用量（kg/m3）

ms0—計算配合比每立方米混凝土的細骨料用量（kg/m3）

mcp—每立方米混凝土拌合物的假定質量（kg），可取2350 kg/m3～2450 kg/m3。

假定混凝土拌合物的為2370 kg/m3

280 kg/m3+100 kg/m3+ mg0+ms0+165=2370 kg/m3

ms0/（mg0+ms0）=44%

得：ms0=803kg/m3，mg0=1022 kg/m3（5-16mm：16-31.5mm=715：307）

3.6每立方米混凝土外加劑用量：

外加劑摻量是膠凝總量的1%，故外加劑用量ma0=3.80

3.7根據上述計算，確定試配用理論配合比為：

C：F：S：G：W：WJJ= 280：100：803：1022：165：3.8

3.8混凝土漿體體積：（280+100+165）/2350=0.23≤0.32

4.試配及調整

根據上述試配理論配合比進行配比優化和組合，另外兩個配合比的水膠比分別增加和減少0.05，砂率分別增加或減少1%。確定兩個相近的配合比。

C30-2配合比C：F：S：G：W：WJJ =251：90：839：1025：165：3.41

C30-3配合比C：F：S：G：W：WJJ =317：113：763：1012：165：4.30

根據上述情況，確定C30混凝土初步配合比見表2

5.高性能混凝土試配及拌合物性能

對表1各配合比進行混凝土拌合物性能試驗，經過試驗，相應混凝土配合比的拌合物性能結果見表3

6.高性能混凝土力學性能及耐久性能

按上述配合比進行力學性能試驗（3d、7d、28d、56d）、耐久性能（56d電通量）試驗以及抗裂性，試驗結果見表4

7.混凝土理論配合比確定

根據上述試驗結果，按照工作性能優良、強度和耐久性滿足要求、經濟合理的原則，選用編號C30-1配合比作為試驗室理論配合比。采用工程實際使用原材料和攪拌方式攪拌的混凝土實測表觀密度平均值為2350 kg/m3，計算表觀密度為2370 kg/m3，（2370-2350）/2370=0.8%，因小于計算值表觀密度的2%，所以該配合比不需要校正。

8.混凝土中有害物質含量計算

8.1每方混凝土總堿量計算表：

8.2每方混凝土引入的氯離子總含量計算表：

8.3每方混凝土三氧化硫總含量計算表：

9.結語

采用該配合比的高性能混凝土已生產20多萬方，經過多次自檢、監理及第三方檢測無論外觀還是強度耐久性均滿足設計及規范要求，根據檢測數據分析此次重載鐵路高性能混凝土配合比設計比較成功的，對今后重載鐵路高性能混凝土的配合比設計具有指導意義。重載鐵路高性能混凝土配合比設計的特點：即采用低水膠比，盡量降低混凝土單位用水量，選用高性能減水劑，摻入較多的摻合料，以減少水泥用量，減少混凝土內部孔隙率，減少體積收縮，提高混凝土耐久性。

參考文獻：

[1]CECS207：2006.高性能混凝土應用技術規程.中國計劃出版社.2006

[2]JGJ55-2011.普通混凝土配合比設計規程.中國鐵道出版社.2011

[3]TB10424-2010.鐵路混凝土工程施工質量驗收標準.中國鐵道出版社.2011

[4]鐵建設[2010]241號.鐵路混凝土工程施工技術指南.中國鐵道出版社.2010