高原環境下混凝土配合比優化設計研究

陳紅偉，胡玉兵，張云必

(1.青海地方鐵路建設投資有限公司，西寧 810000；2.蘇交科集團股份有限公司,在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，南京 211112)

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高原環境下混凝土配合比優化設計研究

陳紅偉1，胡玉兵2，張云必2

(1.青海地方鐵路建設投資有限公司，西寧 810000；2.蘇交科集團股份有限公司,在役長大橋梁安全與健康國家重點實驗室，南京 211112)

本文針高原環境特征，主要研究水膠比、膠凝材料、粉煤灰摻量、砂率等關鍵指標對混凝土工作性能、力學性能、抗裂性能和抗凍性能等性能的影響規律。研究結果表明，在高海拔低溫大溫差環境下，C30混凝土水膠比以0.45左右為宜，C40混凝土以0.40左右為宜，而C50則以0.34左右為宜；C30混凝土膠凝材料控制在380 kg/m3以內，C40控制在420 kg/m3以內，C50不超過500 kg/m3；C50混凝土砂率而言，建議選擇0.39左右；在選擇合適的養生制度和質量穩定的粉煤灰前提條件下，建議在混凝土中摻入適量粉煤灰，摻量建議控制在15%以內。

低溫大溫差； 配合比設計； 抗裂性能； 抗凍性能

1 引 言

青海省屬于青藏高原，自然有著青藏高原地區典型的氣候環境特征。青海省為典型的高原大陸性氣候，以四季不分明、低溫多變、干燥多風、蒸發量大、日照長、輻射強為其特點。全省年平均氣溫在-4 ～8 ℃之間，1月份平均氣溫為-8～-18 ℃(華北平原1月平均氣溫高于-8 ℃)，而且持續時間長。青海省氣溫的年較差為20～30 ℃，比東部沿海平原地區高出一倍以上。最大日較差可達25～34 ℃。低溫大溫差環境使得混凝土材料的耐久性和使用壽命大大降低。近年來我國西部的建設力度不斷加大，大量的公路橋梁在建設之中，為保證橋梁工程的安全性，混凝土質量的重要性不言而喻。

低溫大溫差環境下混凝土的性能要求主要體現在混凝土強度、抗裂性、抗凍性等方面，其中混凝土配合比是確保混凝土質量和耐久性最關鍵的環節。目前國內外專家學者也做了相關研究工作，取得大量有價值的成果，但現有研究成果中混凝土配合比關鍵指標的選擇及其控制要求不夠明確。因此，根據低溫大溫差環境下混凝土性能要求，開展混凝土配合比優化設計研究有著極其重要的意義，對環境類似工程有著重要的指導性。

本文結合青海地區低溫大溫差環境下混凝土實際情況，主要研究水膠比(0.31～0.48)、膠凝材料(350～530 kg/m3)、粉煤灰摻量(0～30%)、砂率(36%～42%)等關鍵指標對混凝土工作性能、力學性能、抗裂性能和抗凍性能等性能的影響。

2 試 驗

2.1 工作性能

按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080-2002)進行混凝土工作性試驗。坍落度是利用坍落度筒進行測試，并觀察混凝土黏聚性和保水性。

2.2 力學性能

按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)進行混凝土力學性能試驗。

2.3 抗裂性能

采用平板開裂試驗方法評價混凝土(或砂漿)早期塑性開裂性能，根據建材行業標準《水泥砂漿抗裂性能試驗方法》(JC/T 951-2005)進行試驗。采用抗裂指數和裂縫開裂總面積兩個試驗結果評估混凝土抗裂性能。

(1)開裂指數

開裂指數以 mm計，按下式計算:

W=∑(Ai×li)

式中：W-開裂指數，單位毫米(mm)；Ai-權重值；li-裂縫長度。

(2)裂縫開裂總面積

裂縫開裂總面積以mm2計，按下式計算：

Acr=∑(ωi×li)

式中：Acr-開裂面積，單位平方毫米(mm2)；wi-裂縫寬度；li-裂縫長度。

2.4 抗凍性能

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行抗凍性能試驗研究，采用快凍法，用混凝土試件凍融循環300次后相對動彈性模量來表征混凝土抗凍性能。

3 結果與討論

3.1 水膠比對混凝土性能的影響

主要試驗研究了0.48、0.45、0.40、0.37和0.34不同水膠比對混凝土性能的影響。

(1)水膠比對工作性能的影響

不同水膠比混凝土的坍落度如圖1所示。由圖可看出，各組混凝土坍落度均大于170 mm以上，可見不同強度等級混凝土的工作性能均滿足施工要求。另外，從圖中還可看出，混凝土坍落度隨著水膠比的增加而有所增加，這主要是混凝土中自由水的增加而使得混凝土流動性能增加。

(2)水膠比對力學性能的影響

水膠比對混凝土力學性能的影響如圖2所示，由圖還可看出，在相同齡期條件下，混凝土抗壓強度隨著水膠比的增加而降低，這主要是由于水膠比增加會增加硬化后混凝土的孔隙率，從而降低混凝土密實性，從而混凝土強度呈現下降的規律。其中C30混凝土水灰比以0.45左右為宜，C40混凝土以0.40左右為宜，而C50則以0.34左右為宜。

圖1 水膠比對混凝土工作性能的影響 Fig.1 Effect of water-cement ratio on the concrete work performance

圖2 水膠比對混凝土力學性能的影響Fig.2 Effect of water-cement ratio on the mechanical properties of concrete

(3)水膠比對抗裂性能的影響

水膠比對混凝土抗裂性能的影響如圖3所示。從圖可看出，開裂指數和開裂面積這兩種評價指標有很好的相關性，開裂指數和開裂面積均隨著水灰比的增加而增加，即混凝土的抗裂性隨著水膠比的增加而呈現降低的趨勢。另外，由圖還可看出，隨著水灰比的減小，開裂指數和開裂面積評價指標降低幅度減小。

圖3 水膠比對混凝土抗裂性能的影響Fig.3 Effect of water-cement ratio on the crack resistance of concrete

(4)水膠比對抗凍性能的影響

采用不同水膠比的混凝土經300次凍融循環后，各相對動彈性模量如圖4所示。由圖可知，隨著水膠比的增加，混凝土凍融循環后相對動彈性模量呈現顯著降低趨勢，這是由于水膠比的增加降低混凝土密實性，從而有更多自由水進入混凝土內部，從而在凍融循環下，隨著自由水的結晶膨脹，使得混凝土在反復的膨脹應力作用而劣化。因此，在青藏高原地區，經常與水接觸的結構需采用低水膠比的混凝土。

圖4 水膠比對混凝土抗凍性能的影響 Fig.4 Effect of water-cement ratio on concrete frost resistance

圖5 膠凝材料用量對混凝土抗壓強度的影響Fig.5 Effect of cementitious material consumption on compressive strength of concrete

3.2 膠凝材料用量對混凝土性能的影響

使用粉煤灰作為礦物摻和料，粉煤灰等量取代20%水泥，控制水膠比為0.34固定不變，通過膠凝材料用量從350～500 kg/m3變化對混凝土性能的影響。

(1)膠凝材料用量對混凝土力學性能影響

膠凝材料用量對混凝土力學性能影響如圖5所示，隨著養護齡期增加，水化程度逐漸加大，不同膠凝材料用量混凝土抗壓強度逐漸增加，相同養護齡期里隨著單方混凝土膠凝材料總用量增加混凝土抗壓強度減少。

(2)膠凝材料用量對混凝土抗裂性能影響

膠凝材料用量對混凝土抗裂性能影響如圖6所示。由圖可知，從開裂指數和開裂面積兩個評價指標都可以，明顯看出，當膠凝材料為460 kg/m3時，混凝土抗裂性能最佳，這主要是由于膠凝材料用量增加時，一方面混凝土中自由水量減少，這對混凝土抗裂性能是正效應；另一方面，膠凝材料增加混凝土材料化學收縮，這對混凝土抗裂性能是負效應，兩方面綜合下就出現最佳膠凝材料用量。因此，對于C50混凝土膠凝材料用量最好控制在500 kg/m3以內，可降低混凝土早期開裂的風險。

圖6 膠凝材料用量對混凝土抗裂性能的影響Fig.6 Effect of cementitious material consumption on crack resistance of concrete

(3)膠凝材料用量對混凝土抗凍性能影響

圖7 膠凝材料用量對混凝土抗凍性能的影響Fig.7 Effect of cementitious material consumption on concrete frost resistance

膠凝材料用量對混凝土抗凍性能影響如圖7所示。從圖可明顯看出，隨著膠凝材料用量的降低，混凝土經300次凍融循環后相對動彈性模量降低，當膠凝材料用量分別為500 kg/m3、460 kg/m3、400 kg/m3和350 kg/m3時，相對動彈性模量分別為95%、92%、86%和82%，即隨著膠凝材料用量的增加，混凝土抗凍性增加。這主要是膠凝材料水化后形成水化產物對混凝土填充密實作用的結果。

綜合膠凝材料用量對混凝土性能的影響的研究，從膠凝材料用量來看，在設計混凝土配合比時嚴格按照高性能混凝土的設計方法進行，嚴格控制水膠比以及膠凝材料用量，C30強度等級混凝土膠凝材料控制在380 kg/m3以內，C40強度等級混凝土膠凝材料控制在420 kg/m3以內，而C50混凝土膠凝材料用量則不超過500 kg/m3。

3.3 粉煤灰對混凝土性能的影響

(1)粉煤灰摻量對混凝土抗裂性能的影響

為了粉煤灰摻量對混凝土抗裂性能的影響，本試驗選擇水膠比為0.33，粉煤灰摻量分別為0%、10%、15%和30%。具體配合比如表1所示，其中33KB、33F10、33F15和33F20分別表示粉煤灰摻量分別為0%、10%、15%和30%，33F10S10表示粉煤灰和磨細礦渣各取代10%進行復摻。

不同粉煤灰摻量對混凝土抗裂性能的影響如圖8所示。粉煤灰和磨細礦渣摻入后，能大幅提高混凝土的抗裂性能，但是隨著粉煤灰摻量進一步增加，從15%增加到20%時，對混凝土抗裂性能的提升效果不明顯。

表1 粉煤灰對混凝土抗裂性能的影響配合比Tab.1 Effect mix proportion of fly ash on crack resistance of concrete

圖8 粉煤灰對混凝土抗裂性能的影響 Fig.8 Effect of fly ash on crack resistance of concrete

圖9 粉煤灰對混凝土抗凍性能的影響Fig.9 Effect of fly ash on frost resistance of concrete

(2)粉煤灰摻量對混凝土抗凍性能的影響

混凝土抗凍性能進行試驗研究結果如圖9所示。從圖可見，混凝土經300次凍融循環后，相對動彈性模量隨著粉煤灰摻量的增加呈現先增加后減小的趨勢，其中粉煤灰摻量為15%最佳。這是由于粉煤灰摻量小于15%時，粉煤灰摻量的增加在二次水化的作用下，使得混凝土密實性增加；當粉煤灰摻量大于15%時，由于膠凝材料中水泥用量減少，混凝土早期水化產物減小，使得混凝土孔隙率增加，從而降低混凝土的抗凍性。因此，在溫度低、氣候干燥的高原地區，考慮到混凝土早期強度有效發展，再結合考慮粉煤灰對混凝土抗裂和抗凍性能的影響規律，在選擇合適的養生制度和質量穩定的粉煤灰前提下，建議C50等級混凝土中粉煤灰摻量為15%左右。

3.4 砂率對混凝土性能的影響

表2 C50混凝土配合比Tab.2 C50 concrete mix

針對C50強度等級混凝土，固定水膠比為0.35，考慮采用33%、36%、39%和42%研究砂率對混凝土性能的影響。具體配合比如表2所示。

圖10 砂率對混凝土抗壓強度的影響 Fig.10 Effect of sand ratio on compressive strength of concrete

(1)砂率對混凝土工作性能和力學性能的影響

砂率對混凝土工作性能見表2所示，砂率對混凝土力學性能的影響如圖10所示。由表2可見，隨砂率增大混凝土拌合物坍落度減少，混凝土拌和物和易性變好。隨著養護齡期增加，不同砂率用量混凝土抗壓強度增加，相同養護齡期里隨著砂率增大混凝土抗壓強度先增大后減小變化趨勢，存在一個最佳砂率值。

(2)砂率對混凝土抗裂性能的影響

砂率對混凝土抗裂性能的影響如圖11所示。由圖可見，開裂指數和開裂面積兩個抗裂評價指標均隨著砂率增加呈現先降低后增加趨勢，其中砂率為0.39最佳。存在一個最佳砂率使混凝土抗裂性能最優。

圖11 砂率對混凝土抗裂性能的影響 Fig.11 Effect of sand ratio on cracking resistance of concrete

(3)砂率對混凝土抗凍性能的影響

圖12 砂率對混凝土抗凍性能的影響Fig.12 Effect of sand ratio on frost resistance of concrete

砂率對混凝土抗凍性能的影響如圖12所示。由圖可明顯看出，混凝土相對動彈性模量隨著砂率增加出現先增加后降低的趨勢，當砂率為0.39時，混凝土經300次凍融循環后相對動彈性模量最大，即抗凍性能最佳。

綜合砂率對混凝土工作性能、力學性能、抗裂性能和抗凍性能的影響規律的試驗研究分析，砂率過小或過大對混凝土性能均有不利的影響，存在最佳砂率。因此，在混凝土配合比設計時，要能夠選擇最佳砂率。對低溫大溫差環境下C50混凝土砂率而言，建議選擇0.39左右，若采用粗砂，則砂率可取到0.41，若采用細砂，則砂率不宜超過0.40。

4 結 論

針對高海拔低溫大溫差的環境特征，混凝土配合比的關鍵參數選擇如下：

(1)C30混凝土水膠比以0.45左右為宜，C40混凝土以0.40左右為宜，而C50則以0.34左右為宜；

(2)C30強度等級混凝土膠凝材料控制在380 kg/m3以內，C40強度等級混凝土膠凝材料控制在420 kg/m3以內，而C50混凝土膠凝材料用量則不超過500 kg/m3；

(3)C50混凝土砂率而言，建議選擇0.39左右，若工程中采用粗砂，則砂率可取到0.41，若采用細砂，則砂率不宜超過0.40；

(4)在高海拔低溫大溫差環境下，在選擇合適的養生制度和質量穩定的粉煤灰前提條件下，建議在混凝土中摻入適量粉煤灰，摻量建議控制在15%以內。

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Mixture Optimization Design of Concrete in the Environment of Plateau

CHENHong-wei1,HUYu-bing2,ZHANGYun-bi2

(1.Local Railway Construction Investment Co.,Ltd.,Xining 810000,China;2.State Key Laboratory of In-service Bridge Safety and Health Grew,Su Post Branch Group Co.,Ltd.,Nanjing 211112,China)

The influence of key indicators of concrete mixture design that includes water-binder ratio, binder content, fly ash content and sand ratio to properties of concrete in the environment of plateau. The results show that the water-binder ratio of C30 concrete was 0.45 in the environment of low temperature and large temperature difference, while the water-binder ratios of C40 and C50 concrete were 0.40 and 0.34 respectively. The binder contents of C30, C40 and C50 concrete were controlled in 380, 420 and 500 kg/m3respectively. The sand ratio of C50 concrete was controlled in 0.39. The content of fly ash was controlled 15% of binder, when appropriate curing condition and fly ash with stable quality were selected.

low temperature and large temperature difference；mixture design；crack resistance；frost resistance

陳紅偉(1976-)，男，高級工程師.主要從事工程地質與水文地質方面的研究.

胡玉兵，研究生，助理工程師.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2681-07