干燥、大溫差環境高性能混凝土配合比試驗

侯之瑤,許 俊,孫約瀚,趙 兵,王海波,柯宇慶

(1.西南交通大學土木工程學院橋梁系，四川成都 610000；2.中鐵四局集團有限公司第七工程分公司，安徽合肥 230022)

某西北地區高速鐵路橋的預制拼裝節段箱梁設計采用C60混凝土預制。受該地區干燥、大溫差氣候環境的影響，混凝土運輸、澆筑過程中失水快，增加了泵送困難[1]；受結構尺寸影響，養護難度高，體積穩定性差，極易出現溫度應力裂縫和收縮裂縫[2-3]。因此，混凝土強度和耐久性難以保證。

高性能混凝土具有不易離析、早期強度高、力學性能可靠、體積穩定性好、耐久性高等優點，其應用越來越廣泛。當前，國內外對于高性能混凝土的研究較為成熟,對于配合比在高性能混凝土工作性能的影響上也有較深入的探討[4-7]，但針對干燥、大溫差氣候條件下，高性能混凝土應用于大體積結構的配合比研究還不夠充分。

為解決前述工程問題，本文從高性能混凝土配合比著手進行試驗研究，意在制備出適用于干燥、大溫差環境的高性能混凝土。

1 工程背景

該工程地區晝夜溫差大，夏季高溫、日照強烈，冬季氣溫低至零下。全年干燥少雨，年平均降雨量少，降雨集中在7、8月。當地風大且風期較長，年平均相對濕度較低。是典型的干燥、大溫差氣候環境。該工程為高速鐵路橋梁建設，結構強度和耐久性要求高，施工難度大、周期長，工程質量不易控制。且受環境和工期影響，混凝土必須具有較高早期強度。

在這種工程背景下，為保證混凝土施工質量以及使結構能夠長久的安全使用下去，高性能混凝土除了應達到強度要求外，還應達到如表1所示指標[11-13]。

表1 高性能混凝土性能指標

為了滿足包括表 1在內的各項混凝土指標，本文在現有研究的基礎上[4-7]，基于干燥、大溫差環境問題，通過材料選擇和配合比試驗，探究能夠適用該工程的高性能混凝土配合比。

2 材料選擇

由于受干燥、大溫差氣候影響，混凝土失水快，材料選擇應圍繞提高拌合物性能和避免結構出現裂縫進行。對于材料選取，首先應滿足強度要求，這就要求水泥和骨料的強度達標。此外，水泥還應選擇水化熱低、含堿量低的，粗骨料應選擇含泥量低、級配較好的，這有助于保證混凝土強度和耐久性。選擇內摩擦較小的細骨料則有利于混凝土拌和物的流動性，且能保證混凝土澆筑時不離析、不分層。外加劑和摻合料對提高混凝土性能有很大的作用，合理加入外加劑和摻合料將大大改善混凝土的性能。對于干燥、大溫差環境，加入高效減水劑來降低水膠比，將有效抑制收縮裂縫的產生[8]。合理用量的摻合料粉煤灰，不但能夠降低水化熱，有效抑制大體積結構的早期開裂，還能夠提高混凝土和易性、耐久性[9]。

基于以上討論，水泥選用P.O 52.5 水泥；粗骨料選用5～20 mm粒徑碎石(整形加工)；細骨料選用II區中砂；水采用各項化學指標達標的飲用水；外加劑采用RAWY101高性能減水劑，減水率可達30 %；摻合料選用F類C50以上粉煤灰。

3 配合比試驗設計

配合比設計需要確定的參數為試配強度、水膠比、用水量、砂率、外加劑摻量等。

3.1 適配強度

根據相關規范[11]，經計算混凝土的試配強度為69.9 MPa。

3.2 配合比確定原則

在干燥、大溫差環境下，考慮到水膠比對混凝土早期開裂和強度的影響[5][8]，水膠比不宜過大，應小于0.40[12-13]。

若膠凝材料用量大，則混凝土水化熱大，易與養護環境溫度形成溫差應力，混凝土極易出現溫度應力裂縫，在該工程所處的環境下，最大凝膠材料用量為500 kg/m3[12-13]。

最佳砂率的選取對于混凝土性能有著重要影響，為保證流動性，混凝土砂率應在37 %～43 %選取[7]。

粗骨料采用30 % 5～10 mm碎石與70 % 10～20 mm碎石搭配，此時粗骨料的孔隙率最小[7]。

對于大體積混凝土結構，用粉煤灰取代一定比例水泥可以降低水化熱、減小塑性收縮，從而減少結構裂縫。但粉煤灰會使結構早期強度降低[14]，過量的粉煤灰還會加劇結構碳化[15-16],因此粉煤灰摻量取30 %以內[12-13]。

3.3 試驗方案

基于3.2中原則，結合現有的研究結論和工程經驗，試驗設置了如表2所示的6組配合比參數，主要考慮了粉煤灰用量、水膠比對混凝土的影響。

表2 高性能混凝土試驗配合比參數

1～3號試驗研究粉煤灰用量分別為10 %、20 %、30 %對混凝土的影響。2～6號試驗研究了水膠比對混凝土的影響。其中，2、4、5號試驗利用減水劑的減水效果，在不改變膠體和固體材料用量的前提下,通過改變用水量來調整水膠比。6號試驗水膠比最大，作為對照試驗組。與2號試驗對比，其通過改變凝膠材料用量來調整水膠比。

4 試驗結果

4.1 基本性能測試

分別測試6組試驗中混凝土的性能，測試結果匯總于表3。

由表3測試數據可知，不同配合比下混凝土拌合物的性能基本滿足表1指標，說明在研究的配合比范圍內，拌合物性能較為優良，這表明前文的材料選擇、試驗設置具有合理性。

表3 混凝土拌合物性能及實體力學性能測試

對比1～3號試驗數據可以看出隨著粉煤灰含量的增大，拌合物的坍落度不斷增大，泌水率不斷減小，說明在試驗范圍內，粉煤灰用量的增加對拌合物的流動性、保水性有利。但隨著粉煤灰用量增加，混凝土的強度不斷下降，3號試驗配合比下的混凝土強度已低于適配強度要求。這與現有的研究結論一致。

對比2～6號試驗數據可知，水膠比越小，混凝土強度越高。但水膠比對混凝土的影響來自兩個方面，分別是水和凝膠材料。2、4、5號試驗表明，隨著用水量的增加，混凝土強度逐漸減小，4號試驗混凝土強度已低于試配強度。

2、4、5號試驗結果顯示，用水量每增大5 %，混凝土7 d強度降低10 %。因此，當水膠比在0.31附近時，用水量對于混凝土早期強度影響很敏感。但對于28 d強度，2、5號試驗結果相差不大，這是受材料自身強度限制。2、4號試驗的28 d強度相差約11 MPa，這說明在4號試驗水膠比0.33情況下，加入高效減水劑減少水量，將大大提高混凝土強度。但隨著用水量減小，混凝土坍落度也不斷減小，拌合物的流動性變差。在干燥、大溫差環境下，混凝土水分蒸發快，坍落度小不利于混凝土施工。因此，應在滿足混凝土強度的前提下，保有一定的用水量。

對比2、6號試驗，凝膠材料用量降低15 %，混凝土7 d和28 d強度均下降較多。因此，應使凝膠材料用量充足，以保證混凝土強度滿足要求。

4.2 現場測試

綜合考慮混凝土強度和拌合物性能，可認為2號試驗的配合比適用性最強。

由于工程所處干燥、大溫差氣候環境的特殊性，應在現場對混凝土結構耐久性、力學性能進行測試，測試結果如表4、表5所示。

表4 混凝土耐久性測試結果

表5 現場梁體力學性能測試結果及開裂情況

以上數據顯示，現場混凝土結構強度達標，混凝土各項化學指標、耐久指標滿足要求，說明混凝土力學性能、耐久性能良好。2號試驗配合比下的混凝土能夠適用于干燥、大溫差氣候環境，且能滿足施工技術要求和結構設計要求。

5 結論與建議

(1)在干燥、大溫差氣候條件下，高性能混凝土的工作性、實體質量。應從混凝土原材料選擇、配合比設計方面優化改善。

(2)性能優良、用量合理的混凝土材料有助于提高拌合物性能。應根據材料對混凝土的影響，針對具體工程問題，進行合理選擇應用。

(3)在類似工程中，水膠比建議取值0.31左右。粉煤灰建議摻入10 %～20 %用量。

(4)水膠比在0.31附近時，用水量對混凝土早期強度影響敏感，高效減水劑的使用效果也更加明顯。

(5)應在凝膠材料用量充足的前提下，通過減少用水量，來降低水膠比，提升混凝土強度。

(6)過低的用水量不利于混凝土流動性。應設計合理的用水量，使混凝土在滿足強度的前提下，還有足夠的流動性。

(7)高性能混凝土的質量保證，還應根據現場的條件，采取合理的措施，從混凝土生產、運輸、澆筑、改進養護工藝等方面，不斷優化、改善混凝土性能，從而保證混凝土的設計要求、耐久性和使用性。