高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計及施工

潘本金，王蒙蒙

(陜西路橋集團有限公司，陜西 西安 710068)

0 引言

隨著我國高速公路建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁施工由平原區(qū)轉(zhuǎn)入山區(qū)，高墩、大跨橋梁設(shè)計不斷涌現(xiàn)，施工質(zhì)量要求不斷提高，對橋梁混凝土施工性能提出了更高要求[1]，高性能混凝土是指強度等級不小于C60的混凝土，作為一種新的建筑材料，其抗壓強度高、抗變形能力強、密度大、空隙率低、易于泵送的高性能優(yōu)越性，在高墩、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。決定高性能混凝土的主要因素有：一是選擇質(zhì)地好、強度高的集料；二是選用高強水泥，活性高，已水化水泥所產(chǎn)生的水泥凝膠體積對該體積與毛細(xì)管空腔體積總和之比大；三是選擇摻入高性能減水劑、添加摻合料方法取得較好的泵送性。隨著施工科技的進(jìn)步，高強混凝土的流態(tài)化是目前混凝土發(fā)展的方向，制取高性能混凝土主要從改善混凝土的膠結(jié)材料、硬化體、增強材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)入手，使各種材料間作用滿足設(shè)計強度形成較高的工作性、泵送性。由于混凝土的強度取決于水泥漿的強度、水泥漿與集料的黏結(jié)強度、集料的強度，因此選擇優(yōu)質(zhì)的原材料、選取較低水膠比、使用高效減水劑探索添加摻合料來優(yōu)化設(shè)計配合比是高性能泵送混凝土設(shè)計與施工的首要任務(wù)[2-4]。

1 工程概況

旬邑至陜甘界高速公路梁渠溝大橋坐落旬邑縣湫坡頭鎮(zhèn)車門村南，路線自北向南設(shè)置梁渠溝大橋跨越該溝，橋梁起點樁號K305+161,終點樁號K305+919,全長758 m，橋?qū)?5.5 m，最大橋高118.5 m。主橋為(75+2×140+75)m波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,分雙幅修建，主梁結(jié)構(gòu)形式為腹板采用耐候鋼鋼腹板，頂、底板采用C60混凝土的單箱單室截面，設(shè)計鋼腹板總重1 530.6 t，C60混凝土12 680 m3。是整個旬邑至陜甘界高速公路的關(guān)鍵控制性工程之一，為省內(nèi)在建首座鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，墩位所處地形起伏較大，地勢險要，施工難度大。主橋波形鋼腹板懸臂箱梁為高墩、大跨橋梁，梁體采用掛籃懸灌澆筑施工，混凝土集中拌合，罐車運輸，采用拖式泵從溝底向墩頂泵送C60混凝土施工。

2 高性能混凝土配合比設(shè)計原則

高性能混凝土設(shè)計是在高強度混凝土施工過程中反復(fù)試驗，不斷總結(jié)和探索，添加優(yōu)質(zhì)摻合料等方法，才能掌握的混凝土配合比試驗方法，需要按照以下原則進(jìn)行。

2.1 最小水泥用量原則

混凝土配合比設(shè)計，按照《橋規(guī)》要求，既要滿足最大水泥用量不宜超過500 kg/m3,又要滿足混凝土強度要求，在選擇滿足試配強度符合要求的情況下，選取最小水泥用量，控制混凝土凝結(jié)升溫效果。

2.2 水膠比原則

根據(jù)《橋規(guī)》規(guī)定，結(jié)合混凝土強度等級和現(xiàn)場材料，選擇合理的水膠比，水膠比過小不利于泵送，水膠比過大會影響混凝土強度。

2.3 密實體積原則

在混凝土配置過程中，是以粗集料為骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)集料作為填充空間，水泥比表面積較大，用來包裹集料表面形成膠結(jié)體，再以優(yōu)質(zhì)摻合料、高性能減水劑提高混凝土的工作性能。

2.4 最小用水量原則

在使用了高效減水劑的情況下，配合比計算時，在滿足泵送混凝土坍落度技術(shù)要求的同時，要減掉因高效減水劑作用而替代的部分用水量，扣除集料天然含水量，在滿足工作性能上控制最小用水量。

2.5 最佳工作性原則

高性能混凝土需要有良好的泵送性和工作性，通過添加摻合料，在混凝土完成拌合后，混凝土料質(zhì)地均勻，不得有離析、泌水現(xiàn)象，在混凝土運輸、泵送、澆筑過程中，坍落度損失較小，混凝土澆筑開始到結(jié)束時間的終凝時間確定。泵送性能良好，不易產(chǎn)生堵管現(xiàn)象。

3 C60高性能混凝土配合比設(shè)計

3.1 原材料選用

1)水泥：水泥是影響混凝土強度的主要因素。應(yīng)使用礦物結(jié)構(gòu)合理、細(xì)度合格的高強度水泥。本工程采用海螺水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥P.O52.5，其各項指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥指標(biāo)檢測一覽表

2)中砂：中砂對C60以上混凝土和易性的影響比粗集料要大。一般應(yīng)選用級配較好、含泥量小、石英顆粒含量較多的江砂或河砂。本工程采用產(chǎn)地楊凌梅花砂場河砂，其各項指標(biāo)如表2所示。

表2 細(xì)集料各項指標(biāo)檢測結(jié)果一覽表

3)粗集料：粗集料主要起骨架作用，骨料的性能對于高強度混凝土的抗壓強度起到?jīng)Q定性作用。粗集料的抗壓強度、外表特征、粒徑、雜質(zhì)含量等對強度有重要的影響。本工程采用銀川永康石料廠碎石，采用5 mm～10 mm，10 mm～20 mm兩種級配碎石組合成的5 mm～20 mm連續(xù)級配。其組成比例為：5 mm～10 mm占15%，10 mm～20 mm占85%，其各項指標(biāo)如表3所示。

表3 粗集料指標(biāo)檢測一覽表

4)水：采用飲用水，水質(zhì)滿足使用要求。

5)外加劑：選用山西黃騰的聚羧酸高性能減水劑(HT-HPC)，摻量為膠凝材料用量的1.3%(減水率為27.3%)。

6)摻合料：根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，廣泛汲取現(xiàn)有經(jīng)驗，擬采用陜西正元的F類Ⅰ級粉煤灰，采用韓城大唐盛龍的粒化高爐(S95)礦渣粉進(jìn)行試配。

3.2 配合比設(shè)計

1)確定混凝土配制強度：設(shè)計要求混凝土強度fcu，k=60 MPa，混凝土配制強度fcu，o=1.15fcu，k=1.15×60=69.0 MPa。

2)確定水膠比(W/B)：(W/B)=(αa·fb)/(fcu,o+αa·αb·fb)

(1)

其中，αa取0.53；αb取0.20；fcu,o為混凝土配制強度，取69.0；fb為水泥強度實測值，取59.7。

代入式(1)得：(0.53×59.7)/(69.0+0.53×0.20×59.7)=0.42。

依據(jù)JTG/T F50—2011公路工程橋涵施工技術(shù)規(guī)范，查表6.15.9-1最大水膠比為0.32，考慮混凝土耐久性和原材料特性故選用基準(zhǔn)配合比水膠比為0.29。

3)選定單位用水量：根據(jù)施工設(shè)計泵送混凝土拌合物坍落度180 mm～220 mm,碎石最大粒徑26.5 mm。依據(jù)配合比設(shè)計規(guī)程確定混凝土單位用水量248 kg,聚羧酸高性能減水劑(HT-HPC)，摻量為膠凝材料用量的1.3%，減水率為27.3%。故用水量為248×(1-27.3%)=180 kg,采用180 kg用水量進(jìn)行試拌，坍落度不能滿足設(shè)計要求，故對單位用水量進(jìn)行調(diào)整，最終調(diào)整單位用水量為156 kg時，混凝土和易性滿足設(shè)計及施工要求。

4)計算單位水泥用量：混凝土單位用水量mwo=156 kg/m3，水膠比W/B=0.29。

混凝土單位膠凝材料用量為：mbo=mwo/(W/B)=156÷0.29=538 kg/m3，按耐久性校核單位膠凝材料用量，按橋規(guī)JTG/T F50—2011要求，其水泥用量和水膠比均符合要求，因此確定水膠比為0.29，膠凝材料用量調(diào)整為538 kg。計算摻合料(粉煤灰+礦渣粉)用量mfo=mboβf=538×0.20=108 kg，粉煤灰∶礦渣粉=6∶4，粉煤灰：108×0.6=65，礦粉：108×0.4=43。計算單位水泥用量mco=mbo-mfo=538-108=430 kg。

5)選定砂率：選用砂率βs=40%。

6)外加劑用量mad=mbo，βa=538×1.3%=6.994 kg，采用重量法計算粗、細(xì)集料的單位用量mco+mgo+mso+mwo+mfo=mcp=2 500，βs=mso/(mso+mgo)×100%=40%，求得mso=722 kg，mgo=1 084 kg，根據(jù)質(zhì)量法計算的初步配合比為：

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994=1∶0.36∶1.68∶2.52∶0.15∶0.10∶0.016。

3.3 基準(zhǔn)配合比確定

實測混凝土拌合物單位質(zhì)量mcp=2 510 kg/m3(如表4所示)，試驗配合比表觀密度計算值ρcc=430+722+1 084+156+65+43=2 500 kg/m3，校正系數(shù)ò=ρct/ρcc=1.01，因混凝土表觀密度實測值與計算值之差的絕對值為0.4%，小于2%，所以確定C60泵送混凝土基準(zhǔn)配合比為：

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994。

表4 混凝土拌合物試驗結(jié)果表

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)配合比(見表5，表6)，在其單位用水量不動的情況下，按基準(zhǔn)配合比的水膠比±0.02、砂率±1%，三種配合比即為：

表5 混凝土7 d，28 d力學(xué)性能試驗檢測表

表6 混凝土工作性能檢測表

1)水膠比為0.27、砂率39%。

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=462∶156∶689∶1 077∶70∶46∶7.514。

2)水膠比為0.29、砂率40%。

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994。

3)水膠比為0.31、砂率41%。

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=402∶156∶755∶1 086∶61∶40∶6.539。

根據(jù)試驗混凝土拌合物工作性7 d,28 d的力學(xué)及工作性能，擬采用水膠比為0.29、砂率40%的配合比，配合比為水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994(見表7)。

表7 混凝土配合比選定結(jié)果表 kg/m3

4 高性能混凝土施工質(zhì)量控制

在整個施工期內(nèi)，碎石、中砂的供應(yīng)受市場需求、料源等因素影響，質(zhì)量經(jīng)常變動，這些問題給高性能混凝土施工配合比管理提出了更高的要求，在試驗室配置符合要求的高強混凝土比較容易，而在整個施工過程中，穩(wěn)定質(zhì)量水平較為困難，一些在普通情況下不太敏感的因素，在低水灰比情況下會變得相當(dāng)敏感，這就要求在整個施工過程中必須注意各種條件、因素的變化，并且要根據(jù)變化，隨時調(diào)整配合比和各種工藝參數(shù)。在實際施工過程中，從以下方面加強管理。

4.1 施工配合比管理

1)堅持配合比調(diào)整由試驗室專人專管、實施試驗室主任嚴(yán)格把關(guān)，項目總工批準(zhǔn)的原則。

2)嚴(yán)格控制水灰比,骨料的含水量應(yīng)在用水量中扣除，每天需測定骨料含水量，每次配料時連續(xù)測定砂子含水量。

3)材料部門將原材料供應(yīng)的變化、波動及時通知試驗室，試驗室根據(jù)材料進(jìn)場抽檢結(jié)果，適時調(diào)整。

4)由試驗室將配合比調(diào)整的原因、方法、注意事項給各部門交底，定期檢定混凝土攪拌機的計量系統(tǒng)。

4.2 高性能混凝土泵送施工要求

4.2.1 泵機及泵管的選擇

根據(jù)本工程的現(xiàn)實情況，依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)程對泵送高度119 m以上的懸臂箱梁澆筑選用中聯(lián)HBT90.21.22OSU地泵，最大輸出壓力28 MPa。高墩懸臂箱梁施工輸送管道拆裝不便，因此輸送管采用特制耐磨超高壓管道，厚度為6 mm，由于管徑過大的輸送管抗爆能力差，管徑過小，輸送阻力大，而且混凝土在管道內(nèi)流動較慢、滯留時間長，影響混凝土的性能。本工程采用的是125 mm的輸送管。

4.2.2 泵管的使用沖洗

每次混凝土澆筑前，檢查平管內(nèi)部是否存在沉淀殘渣進(jìn)行清理，后打水充分濕潤管道并檢查是否存在漏水現(xiàn)象，檢修完成后用與混凝土相同強度的砂漿，再次濕潤管道正常澆筑混凝土。混凝土澆筑完成后，在泵車料斗內(nèi)放水，用水混凝土壓至澆筑部位，然后再次使用水徹底清洗管道。

4.2.3 泵送施工過程注意事項

每次輸送混凝土前用適量的與混凝土成分相同的水泥漿或水泥砂漿潤滑輸送管內(nèi)壁，由試驗人員檢測每車混凝土的工作性能，在罐車內(nèi)反轉(zhuǎn)罐體使其攪拌均勻后入泵。混凝土必須保證連續(xù)不間斷。泵送混凝土?xí)r，收料斗內(nèi)要有足夠的混凝土，防止吸入空氣形成阻塞。

4.2.4 施工質(zhì)量驗證

2019年5月15日C60高性能混凝土正式投入生產(chǎn)，到2020年7月持續(xù)施工，混凝土保水性、流動性、保塑性良好，提高了一次性泵送率，入模后無離析、泌水現(xiàn)象，拆模后混凝土表面色澤一致，無砂帶且氣泡明顯減少，設(shè)計圖紙要求混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度的90%，且混凝土彈性模量不小于85%(3.6×104MPa)，方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉施工，前期混凝土強度增長快，5 d滿足設(shè)計圖紙要求，既滿足了工程質(zhì)量，又加快施工速度。經(jīng)優(yōu)化后的高強度C60混凝土提高了泵送率，同時降低了施工現(xiàn)場因堵管造成混凝土的浪費及管道拆裝費(見表8)。

表8 混凝土強度及彈性模量實測表 MPa

5 結(jié)語

優(yōu)化設(shè)計的C60高強混凝土配合比施工，添加了優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣粉摻合料，具有較好的工作性、可泵送性、抗壓強度和耐久性。成功的實施了在高墩、大跨橋梁條件下混凝土的施工，實踐證明高性能混凝土應(yīng)用于梁渠溝大橋施工是十分有利和合理的。高性能混凝土配合比的應(yīng)用，有效地加快了施工速度，節(jié)約了費用，促進(jìn)了混凝土方面的技術(shù)進(jìn)步，為我公司橋梁后續(xù)施工積累了豐富的經(jīng)驗。