高速鐵路C50預應力混凝土配合比設計和質量控制

黃國福

(重慶渝浦交通工程質量檢測有限公司，重慶 404020)

1 引 言

2019年9月中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》，明確從2021年到本世紀中葉，我國將分階段推進交通強國建設。到2035年，基本全面建成人民滿意、保證有力、世界前列的交通強國，形成“三張交通網”、“兩個交通圈”。高速鐵路城市群一體化交通網是交通強國建設的重要組成部分，五縱六橫七連線的高速鐵路網的建設任重而道遠。

高速鐵路橋梁施工作為高速鐵路建設的重要組成部分，配合比設計是施工前期準備的關鍵工作尤為重要，本文結合目高速鐵路C50預應力混凝土的配合比實例，詳細的介紹了配合比設計的方法和步驟，并對混凝土質量控制關鍵點進行了闡述。

2 C50配合比設計實例

2.1 設計原理及思路

根據《鐵路混凝土》第7條配合比章節的規定，采用最小漿骨體積比設計的原則，內摻法摻加15%的粉煤灰，保證膠凝材料總量不變的情況下降低水泥用量，降低了混凝土早期水化熱，改善混凝土的工作性，使混凝土易于泵送、澆筑成型，保證了早期強度的同時提高后期強度和耐久性，外摻法摻加1.0%的聚羧酸系高性能緩凝型減水劑，減少了用水量和膠凝材料的用量，降低了混凝土早期水化熱，提高混凝土工作性的同時避免混凝土早期開裂。

2.2 設計依據及技術要求

(1)設計規范

①《鐵路混凝土》TB/T 3275-2009；②《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55-2011；③《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》TB10424-2019；④《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》TB10005-2010；⑤《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》TB10752-2010；⑥《普通混凝土力學性能試驗方法標準》GB/T50081-2019；⑦《普通混凝土拌合物性能試驗方法》GB/T50080-2002；⑧《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》GB/T 50082-2009；⑨設計文件。

(2)技術要求

①設計強度等級：C50；②工作性能要求：180～220 mm，凝結時間：大于8 h，入模含氣量3.0%，1 h坍落度損失不超過30 mm；③使用環境及要求：T1、T2環境，設計使用年限100年；④耐久性能要求：電通量<1 000C、抗滲等級不小于P12；⑤膠凝材料及水膠比要求：最大膠凝材料用量不宜超過480 kg/m3，最小膠凝材料用量不應小于330 kg/m3，最大水膠比不應超過0.35；⑥使用部位：預應力現澆梁。

2.3 試驗用原材料

水泥：葛洲壩松滋水泥有限公司P·O52.5;細集料：岳陽洞庭湖砂/中砂；粗集料：重慶涪陵區烏江路5～20 mm碎石(二級配5～10 mm20%，10～20 mm80%)；粉煤灰：重慶華珞F類C50及以上粉煤灰；外加劑：湖北撫州工業聚羧酸系高性能緩凝型減水劑。

2.4 配合比計算過程

(1)計算配置強度

采用fcu，o=fcu，k+1.645σ計算配制強度，根據施工水平，確定標準差為6.0，配制強度計算如下

fcu，o=50+1.645×6.0=59.9 MPa

(2)配合比計算

①水膠比

水膠比采用下式確定：W/B=αafb/(fcu，0+αaαbfb)

式中：W/B—混凝土水膠比；αa、αb—回歸系數，根據本工程所用的粗集料為碎石，按規程第5.1.2條分別取值為αa=0.53、αb=0.20；fb—膠凝材料28 d膠砂抗壓強度為0.85×1.00×1.10×52.5=49.1 MPa。

帶入已知相關數據，計算水膠比為：

W/B=0.53×49.1/(59.9+0.53×0.20×49.1)=0.39

根據《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》、《鐵路混凝土》的規定，結合經驗并考慮施工諸多因素及混凝土耐久性，確定水膠比為0.32。

②單位用水量和減水劑用量

根據坍落度要求，結合JGJ55-2011中5.2條的規定及相關經驗，擬定不摻減水劑是的單位用水量為215 kg，聚羧酸減水劑的減水率為28%，則摻外加劑時，單位用水量mwo=215×(1-28%)=155 kg/m3，最終用量以試拌調整后調整的為準。

③膠凝材料用量及減水劑用量

粉煤灰摻量為膠凝材料15%，減水劑按照推薦摻量1.2%

膠凝材料用量計算：

mb0=155/0.32=484 kg/m3

粉煤灰用量計算：mf=484×15%=73 kg/m3

水泥用量計算：mc=484-73=411 kg/m3

外加劑用量計算：ma=484×1.2%=5.81 kg/m3

④砂率選擇

根據《鐵路混凝土》中7.2.5條的規定，結合經驗并考慮施工工藝及集料的實際情況，砂率βs取38%。

⑤粗、細集料用量

Va，g=1-[(mw/ρw+mc/ρc+mf/ρf+mg/ρg+ms/ρs+ma/ρa)+α]

(1)

ms=Va，g×βs×ρs

(2)

mg=Va，g×(1-βs)×ρg

(3)

采用體積法，按照式(1)式(2)式(3)，帶入水泥的密度ρc=3 100 kg/m3，粉煤灰的密度ρf=2 690 kg/m3，細集的料密度ρg=2 690 kg/m3，粗集料的密度ρs= 2 710 kg/m3，減水劑的密度ρa=1 070 kg/m3，水的密度ρw=1 000 kg/m3，βs=38%，混凝土含氣量α=1%，求得mg=675 kg/m3，ms=1 073 kg/m3。

2.5 計算初步配合比

水泥∶粉煤灰∶細骨料∶粗骨料∶水∶減水劑=411∶73∶675∶1 110∶155∶5.810(kg/m3)

2.6 配合比設計及試驗項目檢測

(1)基準配合比設計

首先核算計算配合比的總堿含量、氯離子含量、三氧化硫含量和漿體比，堿含量=1.90 kg/m3≤3.0 kg/m3，氯離子含量占膠凝材料總量=0.012%≤0.10%，三氧化硫含量占膠凝材料總量=2.58%≤4.0%，漿體比=0.32≤0.35，結果均滿足《鐵路混凝土》中7.1條，表39的規定。

按初步配合比試拌0.025 m3的混凝土，拌合用量見表1。

表1 拌合用量

將混凝土拌合均勻后，檢測混凝土的坍落度、泌水率、凝結時間、含氣量，如拌合物性能不滿足設計要求，調整砂率、減水劑摻量和同水灰比的水泥漿對計算配合比進行修正，如調整不滿足要求，需要從新計算初步配合比。拌和物性能試驗結果見表2。

表2 拌和物性能試驗

(2)試驗室配合比設計

以基準配合比分別增減水灰比0.02，砂率保持不變，計算的2個混凝土配合比，詳見表3。

表3 混凝土配合比

首先核算22個配合比的總堿含量、氯離子含量、三氧化硫含量和漿體比，詳見表4。

表4 核算配合比

根據每個配合比分別拌制混凝土，拌合均勻后，檢測其的坍落度、泌水率、凝結時間、含氣量，如果拌合物性能不滿足要求，調整砂率、減水劑摻量和同水灰比的水泥漿對每個配合比進行修正。拌和物性能試驗結果見表5。

根據每個配合比分別拌制混凝，制作試件，進行標準養護，達到規定齡期后進行力學性能及電通量試驗，試驗結果見表6。

表5 拌和物性能試驗結果

表6 力學性能及電通量試驗結果

(3)設計配合比的調整和確定

根據力學性能和耐久性結果，在滿足設計和施工要求的條件下，本著經濟合理的原則，確定C50-1號配合比為理論配合比，根據實測拌合物表觀密度、確定的理論配合比的計算表觀密度計算校正系數，通過校正系數的修正最終確定每方混凝土材料用量如下

水泥∶粉煤灰∶細骨料∶粗骨料∶水∶減水劑=411∶73∶675∶1 110∶155∶5.810(kg/m3)。

3 新拌混凝土的質量控制

3.1 原材料控制

水泥要嚴把質量關，水泥進場后及時取樣，進行比表面積、凝結時間、安定性和抗折抗壓強度檢測、打入儲存罐之前要進行溫度測試，在儲存使用過程中要對溫度進行監控，并采取降低水泥溫度或者防止水泥升溫的必要措施，在澆筑拌制前應避免水泥溫度偏高混凝土出現假凝現象。

粉煤灰進場首先要觀察顏色，跟留樣的粉煤灰進行比對，其次用150倍以上顯微鏡進行微觀觀察，呈圓珠相的為原灰，呈類似石子的多棱柱狀的為假粉煤灰。做好燒失量、流動度比以及活性指標的檢測。

細骨料中泥粉中一方面要考慮蒙脫土有遇水膨脹分層的有害性，另一方面小于0.075 mm的顆粒是光滑的巖石顆粒，要檢測細骨料的吸水率。

減水劑的選擇要充分考慮我國的泥粉分布情況，從西北向東南由堿性的過渡，且呈電泳效應。進場時要驗證與水泥的適應性，在常規檢測中做好減水率、含固量、含氣量、抗壓強度比的檢測工作，保證減水劑的質量。

3.2 施工配合比控制

冬季和夏季應對粉煤灰摻量、減水劑成份摻量進行、粗細集料比例和砂率調整，并選用不同的配合比以適應現場施工。在施工前根據氣溫變化、原材料質量變化情況，確定配合比調整作業指導書。

混凝土拌制之前，根據粗細集料的實際含水量與設計配合比的差值調整用水量，確定混凝土的施工配合比。

3.3 新拌混凝土拌合物性能檢測

(1)開盤鑒定

在混凝土結構部位澆筑之前進行混凝土的試拌制，首先對施工配合比和攪拌機適應性能進行檢驗。其次檢測施工配合比的工作性能。當不符合施工要求時，配合比要根據作業指導書進行調整。

(2)出站檢測

每車混凝土出站之前，試驗人員應按照規范規定對混凝土拌和物性能進行檢測，當混凝土出現異常應及時與攪拌司機進行溝通。當檢測結果不滿足施工要求時，應根據作業指導書調整混凝土配合比，確保混凝土出站工作性能滿足施工需要。

(3)現場檢測

在混凝土澆筑之時，罐車卸料之前，必須快速轉動罐車一分鐘以上，避免粗細骨料分離的現象。試驗人員對每車混凝土工作性能進行檢測，工作性能合格的混凝土應予以澆筑。

4 結 論

(1)根據《鐵路混凝土》的規定，高速鐵路混凝土配合比設計應采用最小漿骨體積比的原則，配合比參數要根據原材料情況、設計使用年限、環境條件和強度等級確定。

(2)預應力混凝土配合比設計中，要選用優質的摻和料和外加劑，在滿足設計要求的前提下，盡量減少用水量和水泥的用量，降低混凝土水化熱，以免造成混凝土早期開裂。

(3)新拌混凝土質量管理人員應做好原材料控制、施工配合比控制和拌合物性能檢測等幾個方面工作，才能充分保證混凝土的質量。