高寒高海拔地區高強混凝土配合比設計研究

吳 勇,毛寶地,梁凱軒,魯黨斌,屈有輝,李 闖,張西寧

(1.中國水電建設集團十五工程局有限公司 路橋工程公司, 陜西 西安 710000；2.西安工業大學 建筑工程學院, 陜西 西安 710021)

隨著我國西部大開發戰略的不斷推進，西部地區基礎設施建設不斷加速。很多工程需要在青藏高原建設，由于普遍海拔較高，導致氣壓較低、紫外線強日照時間長、氣溫較低且晝夜溫差較大。這種高海拔高寒地區的極端環境條件對混凝土的各項性能提出了更高的要求，特別是高強混凝土的耐久性。配合比的設計是影響混凝土性能最重要的因素之一，在相同原材料的情況下，調整配合比可有效改善混凝土和易性、物理力學性質和耐久性，因此研究高寒高海拔地區高強混凝土的配合比設計對保障混凝土性能有重要意義。

目前已有國內外學者對高寒高海拔地區環境對混凝土性能的影響做出了相關研究。高海拔地區氣壓較低，使混凝土拌和時氣泡穩定性差，氣泡間距系數增大，因此混凝土含氣量下降，致使和易性變差[1-4]。由于高寒高海拔地區相對濕度小、晝夜溫差大，對高強混凝土的養護有不利影響，使混凝土的抗壓強度、劈裂強度下降，對28 d及其以上齡期的混凝土影響更為顯著，同時，混凝土的耐久性也顯著降低[5-7]。而混凝土在早期長時間處于高寒高海拔地區的環境中，使其在凝結硬化之前受到多次凍融，導致混凝土氣孔結構劣化，產生內部缺陷，也將造成混凝土強度及耐久性下降[8-10]。在混凝土服役過程中，因較大的晝夜溫差引起的凍融循環破壞[11-13]，使混凝土結構產生裂縫，使混凝土耐久性下降，最終導致混凝土結構破壞。同時，由于氣溫低，冰雪天氣較多，高寒高海拔地區冬季會在交通路橋面上使用除冰鹽，致使混凝土極易遭受氯離子侵蝕，加劇混凝土結構的破壞[14-16]。高寒高海拔地區環境嚴重影響著混凝土的力學性能及耐久性能，而配合比的設計及優化可以從根本上改善混凝土的各項性能，以保證結構的正常使用。

本文依托某高寒高海拔山區高速公路建設項目，對箱梁使用的C50混凝土配合比進行研究。采用室內試驗分析海拔高度對混凝土的性能的影響，并通過摻入外加劑、調整水膠比等方式，優化配合比設計，改善混凝土的性能，以滿足施工要求。

1 高寒高海拔地區高強混凝土初步配合比設計

1.1 原材料選取

高強混凝土是指用常規的水泥、砂、碎石為原材料，使用一般的制作工藝，主要依靠高效減水劑或同時摻一定數量的礦物材料，使新拌混凝土具有良好的工作性能，硬化后具有高強性能的水泥混凝土。這種混凝土具有高強度、高耐久性、良好的工作性能以及適應性，在高等級公路建設中有著廣泛的應用。

本項目箱梁使用C50高強混凝土，原材料均就近取材，水泥采用常規P.O52.5硅酸鹽水泥；粗集料采用礦山碎石，粒徑為5 mm～20 mm，級配良好，含石粉率為0.74%；細集料采用河砂，為中粗砂，含泥量為5.94%。

1.2 初步配合比設計

根據《普通混凝土配合比設計規程》[17](JGJ 55—2000)得到C50混凝土配制強度為59.87 MPa，進而確定水膠比為0.36，再選取每立方米混凝土的用水量和水泥用量，確定砂率，計算粗集料和細集料的用量，得到初步配合比見表1。

表1 C50混凝土初步配合比

1.3 高強混凝土性能測試

采用相同的配合比、相同的原材料分別在海拔400 m的西安和海拔2 800 m項目所在地甘肅省夏河縣(青藏高原邊緣)制作試件，編號分別為C-1、C-2、C-3、C-4、C-5、C-6和G-1、G-2、G-3、G-4、G-5、G-6。

混凝土拌和后先測得坍落度和含氣量，其中C組混凝土坍落度為34 mm，含氣量為1.1%；G組混凝土坍落度為20 mm，含氣量為0.8%。

混凝土試件蒸汽養護24 h后脫模，持續蒸汽養護，并測得7 d、14 d的抗壓強度；齡期達到28 d時，測試抗壓強度、動彈性模量、縱波波速、抗折強度等，試驗結果見表2。

表2 初步配合比混凝土性能

由試驗結果可以得出：

(1) 在低海拔區西安拌和的C組混凝土坍落度較大，含氣量適中，和易性、耐久性較高；而高海拔區拌和的G組混凝土坍落度和含氣量明顯下降，導致混凝土和易性和耐久性下降。

(2) 在低海拔區西安制作的C組混凝土試件抗壓強度平均值55.3 MPa，抗折強度平均值為8.1 MPa，動彈性模量平均值為52.93 GPa，均滿足C50混凝土的規范值。而在高海拔區海拔2 800 m的項目所在地制作的G組混凝土試件抗壓強度平均值僅為49.5 MPa，下降了10.49%；動彈性模量平均值為46.38 GPa，降低了12.37%。

(3) 在低海拔區西安制作的C組混凝土試件縱波波速平均值為5.177 km/s，混凝土較密實；而高海拔項目所在地制作的G組混凝土試件縱波平均波速為4.597 km/s。

綜上可得，隨著海拔高度的增加，混凝土坍落度、含氣量、抗壓強度和縱波波速均明顯下降，使得混凝土和易性、力學性質和耐久性能全面下降，甚至在項目所在地，海拔2 800 m處，混凝土強度已經不能滿足使用要求?？梢婋S著海拔高度的增加，大氣壓逐漸降低，加之氣候變得寒冷干燥，使得混凝土水化反應變慢，甚至不能完全反應，導致混凝土密實度和力學性質下降；同時，通過CT和核磁共振掃描發現高寒高海拔地區混凝土內部氣泡數量減少，特別是微小氣泡數量明顯減少，且分布也極不均勻，這使得混凝土和易性和耐久性下降。

2 高寒高海拔地區高強混凝土配合比優化設計

2.1 配合比優化設計

由上述試驗結果可知在高寒高海拔地區，按現有規范得到的高強混凝土配合比配制的混凝土強度未能達到要求，且和易性、耐久性較差，需通過加入外加劑改善混凝土性能。加入高效減水劑可提高強度和改善和易性；考慮加入引氣劑可提高耐久性，但導致強度的降低。所以綜合考慮，提出兩種優化方案，一是在初步配合比的基礎上加入高效減水劑；二是在初步配合比的基礎上降低水膠比的同時加入引氣劑，優化后的配合比見表3。

表3 高強混凝土配合比優化

2.2 高強混凝土性能測試

分別采用兩個配合比優化方案，相同的原材料在海拔2 800 m項目所地甘肅夏河制作試件，編號分別為J-1、J-2、J-3和Y-1、Y-2、Y-3。

混凝土拌和后先測得坍落度和含氣量，其中J組混凝土坍落度為40 mm，含氣量為1.2%；Y組混凝土坍落度為35 mm，含氣量為2.5%。

混凝土試件蒸汽養護24 h后脫模，持續蒸汽養護，并測得7 d、14 d的抗壓強度；達到28 d時測試抗壓強度、動彈性模量、縱波波速、抗折強度等，結果見表4。

表4 混凝土性能

從表4可見，摻加減水劑的J組混凝土坍落度為40 mm，含氣量為1.2%，抗壓強度平均值為54.5 MPa，動彈性模量平均值為46.3 GPa，抗折強度平均值為8.7 MPa，縱波波速平均值為4.556 km/s，滿足C50高強混凝土的性能要求。摻加引氣劑并降低水灰比的Y組混凝土坍落度為35 mm，含氣量為2.5%，抗壓強度平均值為52.0 MPa，動彈性模量平均值為45.6 GPa，抗折強度平均值為8.5 MPa，縱波波速平均值為4.721 km/s，滿足C50高強混凝土的性能要求。

對比分析兩種優化方案可見，Y組混凝土雖較J組混凝土力學性能稍有下降，仍能滿足強度要求。但坍落度、含氣量和縱波波速更大，說明和易性更好、混凝土更密實、抵抗凍脹能力更強，在高海拔高寒地區抗凍耐久性更好。因此，采用摻加引氣劑并降低水灰比的方案更優。

3 結 論

在高寒高海拔地區進行混凝土施工時，由于環境的改變，規范推薦的混凝土配合比無法滿足混凝土的各項使用要求，需要摻入適量的外加劑并調整配合以滿足混凝土的和易性，提高力學性能和耐久性。本文通過試驗分析了海拔對混凝土性能的影響，并通過兩種配合比試驗得到了適合高海高寒地區的混凝土配合比設計方案。主要結論具體如下：

(1) 采用相同的配合比、相同的原材料，在不同海拔高度的試驗室進行混凝土試驗?；炷撂涠取⒑瑲饬俊⒖箟簭姸群涂v波波速隨著海拔高度的增加均明顯下降，使得混凝土和易性、力學性質和耐久性能全面下降。

(2) 在初步配合比的基礎上，提出摻加減水劑和摻加引氣劑并降低水灰比兩種優化方案，試驗結果表明摻加引氣劑并降低水灰比后，混凝土力學性能可以滿足規范要求，且和易性更好、混凝土更密實、抵抗凍脹能力更強，抗凍耐久性更好。因此，在高海拔高寒地區采用摻加引氣劑并降低水灰比的方案更優。