橋涵結構物水泥混凝土配合比設計及其性能優化的探討

（四川川交道橋試驗檢測有限責任公司， 四川 廣漢 618300）

在路橋工程施工中，依然面臨著十分嚴峻的問題，尤其是在西南地區等地質、氣候環境極為惡劣的外部環境下施工，混凝土耐久性會受諸多不可控因素影響，不僅使工程設計難度大大增加，也對路橋工程運營周期也造成了巨大挑戰[1]。本文結合工程實施經驗，對橋涵結構物水泥混凝土配合比設計相關要點展開論述。

1 配合比設計

1.1 配制強度計算

在對橋涵結構物水泥混凝土配制強度進行計算時，可參照以下公式[2]：

fcu,o=fcu,k+t·σ

式中：

① fcu,o—橋涵結構物水泥混凝土配制強度(MPa)；

② fcu,k—橋涵結構物水泥混凝土設計強度(MPa)；

③ t—概率度系數；

④ σ—橋涵結構物水泥混凝土強度標準差(MPa）。

在一般情況下施工，橋涵結構物水泥混凝土強度等級所對應的強度標準差如下：

① 當水泥混凝土強度＜20MPa時，其所對應的強度標準差=4.0MPa；

② 當水泥混凝土強度在20-35Pa之間時，其所對應的強度標準差=5.0MPa；

③ 當水泥混凝土強度在35Pa以上時，其所對應的強度標準差=6.0MPa。

按照我國現行《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55－2011），高強度混凝土的配合比設計應滿足以下要求：

(1)應選擇普通硅酸鹽水泥；

(2)粗骨料宜采用連續級配，其泥塊含量應≤0%、針片狀顆粒含量應≤5%，含泥量應≤0.5%；

(3)細骨料含泥量應≤2.0%、泥塊含量應≤0.5%，細度模數應保持在 2.3～3.0之間；

(4)采用高性能減水劑，宜≥25%(減水率)；

(5)宜采用≥Ⅱ級的粉煤灰，同時復合摻用硅灰、粉煤灰和粒化高爐礦渣粉等礦物摻合料；若混凝土強度等級在C80以上，則應摻用硅灰。

其中，粉煤灰有三種等級，其化學成分主要包括：

表1 粉煤灰主要化學成分

上述指標值會影響混凝土的和易性，強度值及熱血性能，抗碳化性能和抗滲性。

（1）在施工中，使用粉煤灰代替部分細骨料或水泥，可防止混凝土離析；

（2）若不斷增加粉煤灰摻量，則會降低高性能混凝土的強度值；

（3）若在拌合混凝土過程中，加入適量粉煤灰，可降低膠凝材料水化熱，以防混凝土開裂；

（4）常溫下粉煤灰化學反應慢，其在一定程度上可改善混凝土的孔隙結構；

（5）粉煤灰代替部分細骨料后，可減少用水量，降低混凝土的水灰比。

“減水劑”作為當前混凝土外加劑中應用最廣、品種最多的一種，其包括普通、高效引氣、緩凝和早強減水劑幾種。而減水劑的主要化學成分為糖鈣、木質素磺酸鹽系、水溶性樹脂磺酸鹽系和多環芳香族磺酸鹽系。以上幾種減水劑雖然成分不同，但其作用機理相似，當表面活性劑加入水溶液中后，其分子中的親水基團可指向溶液并作定向排列，以此形成定向吸附膜，減小二相間的界面張力，從而可顯著改善水泥的和易性，同時也可增強混凝土結構的耐久性性。

1.2 水灰比

橋涵結構物水泥混凝土強度與水灰比有密切關系。若水泥漿過稠，水灰比太小，則會使集料與膠凝材料無法充分、均勻在骨料顆粒表面裹覆，由此會降低水泥混凝土強度。若在配合比設計時，橋涵結構物水泥混凝土水灰比太大，則會導致水泥漿過薄，從而會使水泥漿從粗骨料顆粒表面滑落，由此會降低水泥混凝土強度。

若橋涵結構物水泥混凝土的水泥漿流動性太大，則會使漿體從水泥混凝土結構上部流失，然后全部淤積至下部，最終會降低整個橋涵結構物水泥混凝土的強度。

因此，在橋涵結構物水泥混凝土配制時，要對水灰比進行控制，不宜＞0.5，以提高整個水泥混凝土結構密實性，增強其可塑性與抗壓能力。

1.3 單位用水量與水泥用量

確定橋涵結構物水泥混凝土的水灰比后，要合理確定單位用水量。這一指標決定了水泥混凝土中水泥漿的數量及集料與水泥漿的質量比例關系。在實際確定過程中，要結合粗集料的坍塌度及最大粒徑、品種等因素進行分析?；谕饧觿┑臏p水率計算確定橋涵結構物水泥混凝土的單位用水量。

若采用的配合物為粗砂或細砂，則可適當減少或增加用水量。一般保持在5-10kg之間為宜。若是在較為寒冷的區域施工，水泥混凝土配合比設計時的單位水泥用量(mC0)應按公式mc0=mw0/W/C≤410kg／m3計算[3]。

1.4 砂率確定

為了提高橋涵結構物水泥混凝土的力學性能，需在配制水泥混凝土過程中，加入適量砂，以保證集料能夠被膠凝材料全面包裹。在確定砂率時，一般需綜合考慮粗集料級配、最大粒徑及混凝土澆筑方式、水灰比等因素。

1.5 確定其它參數指標

結合橋涵結構物水泥混凝土設計強度確定單位水泥、用水量及砂率和水灰比后，還要以體積為單位，通過密度換算，對混凝土中每種材料的具體用量進行計算，以此對混合物配合比精度進行嚴格控制，提高水泥混凝土結構性能。在此基礎上，根據得到的初步配合比參數，對橋涵結構物水泥混凝土進行初步配合試驗。試配滿足要求后，根據基準配合比對橋涵結構物標準試件進行制作，以采用三種不同的水灰比驗證其強度性能。

2 案例工程橋涵結構物水泥混凝土性能優化分析

2.1 工程實例概述

本工程為某大橋工程項目，路線全長 1km，大橋起點與終點樁號分別為 K0+ 000和 K1+080.707。此橋梁上部與下部結構分別為裝配式預應力砼連續箱梁和柱式臺，橋梁基礎為鉆孔灌注樁基礎，橋梁樁基混凝土設計強度等級為 C30。該區域地處地殼活躍地區，氣候異常，降水多，冬季寒冷，夏季炎熱，極端天氣較多。施工時，墩身結構較大，受自然環境影響嚴重。

2.2 橋涵結構物水泥混凝土性能優化

為了提高水泥混凝土結構強度，避免由于溫差過大導致橋梁產生裂縫，施工前對水泥混凝土配合比進行嚴格設計?，F將施工時水泥混凝土配合比設計及性能優化相關經驗總結如下：

(1) 該橋梁在施工時，采用的水泥、水、石料、砂分別為42.5普通硅酸鹽水泥，當地符合飲用水標準的自來水，材料質地堅硬的碎石(5-20mm)；砂的細度模數為2.83，減水劑為緩凝型FDN高效減水劑。

(2) 在對該橋梁的橋涵結構物水泥混凝土強度進行計算時，嚴格參照公式

fcu,o=fcu,k+t·σ進行計算，即fcu,o==(30+1.645·5 ) = 38.2M Pa。

(3) 水灰比確定：通過多次試拌調整，增減0.04，最終得到0.388、0.346、0．308三種不同的水灰比。

(4) 水泥混凝土用水量確定：

嚴格按照我國現行《普通水泥混凝土配合比設計規程》(JGJ 55-2011)將水泥混凝土用水量控制在152-161kg/m3之間。

(5) 砂率嚴格控制在38%-45%之間。

(6) 其它各種原材料用量控制標準：

① 水泥、砂及碎石表觀密度分別為3100kg/m3、2650kg/m3，2710 kg/m3。

② 對幾種配合比優化后選定的水泥混凝土配合比強度、含氣量檢測結果如下：

抗壓強度：7d（36.2MPa）、28d(44.8MPa),含氣量：5.1

經優化，本工程最終選定的砂率與水灰比分別為43%和0.37。結果表明，該橋梁橋涵結構物水泥混凝土配合比強度、含氣量與抗凍性等指標均滿足我國現行《公路橋涵施工技術規范》(JTG TF50-2011)規范要求。經連續兩年多運營驗證，結果證明，該橋梁水泥混凝土結構抗凍、防裂及耐腐蝕性較強，取得了良好的施工效果。

結束語

橋涵結構施工時需采用高性能水泥混凝土進行作業，在配合水泥混凝土材料時，需考慮其耐久性、經濟性及施工強度等因素，按相應技術標準及公式，確定水泥混凝土配置強度、水灰比及單位用水量、水泥用量、砂率等，以提高橋涵結構物水泥混凝土性能，減少施工病害。

[1]雷博.橋梁伸縮縫 C50鋼纖維混凝土配合比計算[J].住宅與房地產,2015,No.404 19:164.

[2]肖笛.公路橋涵高性能混凝土的配合比設計[J].科技經濟導刊,2017,No.605 15:81.

[3]劉春軍.橋涵鋼筋水泥混凝土澆筑施工質量影響因素[J].交通世界(建養.機械),2013,No.295 07:218-219.