梧柳高速橋隧用高性能混凝土配合比設計

李 軍，青志剛，雷 猛

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530003)

高性能混凝土(HPC)是近年來的研究熱點。它的特點是低水灰比，選用優質的原材料，大摻量礦物細摻料和使用高效外加劑。與普通混凝土相比，HPC具有較高的氯離子抗滲性能，適用于海洋、沿海、海灣等具有較嚴重氯離子侵蝕環境的混凝土施工，至今已在不少重要工程中被采用，所以研究與應用高性能混凝土勢在必行。

1 工程概況及技術難點分析

梧州至柳州高速公路橋梁及隧道主體工程設計為高性能混凝土施工，主要工程部位為橋梁樁基、樁系梁、墩柱、蓋梁、梁板預制、橋面鋪裝及隧道二次襯砌、仰拱等。本文主要依托該工程對高性能混凝土所使用材料的選擇和配合比計算及混凝土配制進行深入分析，最終配制出具有高流動性、高體積穩定性、高耐久性等優質性能的混凝土，為梧柳項目橋梁及隧道工程施工提供有力的技術支持。由于該地高溫季節時間長，通過大摻量使用煤灰和礦粉以降低水化熱及加入高性能外加劑以減少坍損；同時，由于配筋密集、某些部位鋼筋保護層厚度較薄，需嚴格控制骨料最大粒徑和較大的混凝土流動性。

2 試驗方案及原材料

2.1 試驗方案的選擇

通過查閱大量相關文獻并在借鑒以往施工經驗的基礎上，本次試驗準備了多種優質原材料。首先根據所準備材料的質量及各項性能指標參數，通過對比篩選出最適合本項目高性能混凝土的優質水泥、礦物摻合料及外加劑的種類，找出各項原材料的最佳摻配比例，進而得到基準配合比，并通過測定混凝土拌合物的坍落度及擴展度經時損失等試驗數據來考察其工作性能，同時保證其強度，最后分析混凝土的抗滲性能，確定出一種最佳配合比例應用到工程實踐中。

2.2 原材料

根據設計規范和前期試驗結果，選用華潤P·Ⅱ42.5水泥，其相關各項物理性能指標如表1所示。細骨料選用藤縣象棋鎮河砂，性能為Ⅱ區中砂，級配良好。粗集料應采用三級配的方式組合形成連續級配，即4.75～9.5 mm、9.5～16 mm、16～26.5 mm。粉煤灰選用珠海市粵珠環保技術開發有限公司生產的Ⅰ級灰；選用廣西梧州市建華新建材有限公司S95級礦渣粉，比表面積>400 m2/kg，28 d活性指數>95%；粉煤灰和礦粉的各項性能結構見表2、表3。減水劑選擇了江蘇超力建材有限公司CPA聚羧酸系高性能減水劑，固含量14%、減水率為26%。其摻量為膠凝材料質量的0.9%～1.0%，具體檢測指標見表4；拌合用水采用自來水，符合國家標準。

表1 華潤P·Ⅱ42.5水泥的物理性質表

表2 Ⅰ級粉煤灰的各項性能檢測結果表

表3 S95級礦粉的各項性能檢測結果表

表4 CPA聚羧酸系高性能減水劑各項性能檢測結果表

2.3 配合比設計

在水泥強度一定的條件下，水膠比是影響混凝土強度最主要的因素，并對混凝土的耐久性能也極為重要。本次試驗水膠比選定為0.30，同時采用大摻量的礦粉和粉煤灰，并加入高性能減水劑，使混凝土的這些組分充分、綜合地發揮組合效應。根據前期試驗結果，摻合料摻量選定為30%，砂率確定為38%；具體配合比各項原材料用量如下頁表5所示。

表5 C50高性能混凝土配合比表

3 試驗結果與分析

3.1 試拌混凝土工作性能和力學性能分析

高性能混凝土也即代表著高流動性，本次試驗主要考察了新拌混凝土的坍落度、坍落擴展度和坍落度損失等主要性能指標，以滿足混凝土的施工性能，并考察標準養護條件下硬化后混凝土各齡期抗壓強度。混凝土基本物理力學性能見表6。

表6 混凝土基本物理力學性能表

從表6中可知，6個配比均滿足大流動度混凝土的工作性能要求，1 h后混凝土拌合物基本無坍損；除H4外，其余五組配比均滿足強度設計要求。在水膠比0.30、摻合料摻量30%條件下，隨礦粉摻量的增多，早期強度有所提高，后期強度提高更明顯。

3.2 耐久性能分析

強度和耐久性是混凝土結構的兩個重要指標，在以往工程實踐中我們常常習慣性忽略耐久性而只重視強度。根據本課題組的長期研究總結出影響混凝土耐久性的因素有多種，如材料因素、環境因素、設計因素、混凝土的密實度以及施工因素等，只有克服這些不利因素才能滿足耐久性設計要求。

3.2.1 體積穩定性能分析

高性能混凝土應具有較好的體積穩定性，一方面通過降低用水量和水膠比來減少塑性收縮，另一方面可以使用高性能外加劑、降低水泥用量并使用大摻量摻合料來降低水化熱，減少溫縮。根據前期試驗優化，推薦配合比混凝土90 d齡期干縮試驗結果見圖1。由圖1可知，各配比混凝土干縮率較小，說明體積收縮較小，抗裂性較強。從圖1還可以看出，各配比混凝土的干縮率隨著齡期的增長而變大，其中早期收縮較大，但超過28 d后收縮率趨勢變緩；各配比混凝土隨粉煤灰摻量的減少，礦粉摻量的增多，混凝土的收縮呈增大趨勢，特別是早期更為明顯。這說明煤灰收縮小，抗裂性好。

圖1 混凝土的干縮性能實驗結果圖

3.2.2 抗氯離子滲透性能分析

混凝土的抗滲等級和電通量都能反映混凝土抗滲性能的優劣。本課題組主要通過電通量測試混凝土的抗氯離子滲透性能指標來考察混凝土的耐久性能。試驗結果見表7。

表7 混凝土的電通量表

從表7中可知，配合比H1、H2、H3電通量均<1 000 C，滿足設計要求；電通量與水膠比密切相關，水膠比越低，電通量也越低。對比H4、H3、H2、H1、H5、H6六組配合比試件可知，隨礦粉摻量的提高，電通量逐漸降低，說明礦粉替代了部分水泥用量，從而降低混凝土的氯離子含量。同時在礦粉和粉煤灰的雙摻作用下，極大改善了混凝土的微觀孔結構、降低孔隙率，從而增強混凝土致密性，提高其抗滲性能，有效改善并提高混凝土的綜合性能。

綜合以上強度和耐久性分析，并考慮成本因素，選擇H2配合比作為指導本項目C50箱梁及T梁的混凝土施工。

4 結語

本課題組通過對高性能混凝土的研究分析得到如下結論：

(1)混凝土的耐久性與強度都與水膠比直接相關，較低的水膠比能增強混凝土的強度和耐久性；但礦物摻料對二者的影響卻相反，因而需在其中找到一個平衡點。

(2)粉煤灰和礦粉的摻入，改善了混凝土的孔結構，增強其致密性，且降低水化熱，有利于混凝土的抗滲和抗裂性，提高了混凝土的耐久性。

(3)摻入合適比例的礦粉可以降低混凝土的氯離子含量，同時也可以降低電通量數值。

(4)配比優化后的混凝土應用到本項目工程中，成功地完成了項目箱梁及T梁的施工，為該地區高性能混凝土的應用提供了很好的范例。

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