高原高寒地區混凝土防開裂技術研究

姚偉

（中國中鐵八局集團有限公司，四川 成都 610000）

1 研究內容和意義

高原高寒山區的氣候環境具有特殊性，其環境干燥，晝夜溫差大，這些環境因素將給混凝土工程的施工帶來巨大的影響，所以保證混凝土工程的施工質量，則成為高寒山區混凝土施工中需要重點關注且必須解決的問題。

高原高寒山區混凝土施工配合比相比其他條件下的配合比有較大的不同點：①因高原高寒山區特殊環境的影響，對混凝土澆筑設備、人員、時間要求較高。②高寒環境對原材料及成品混凝土的考驗，混凝土質量難以保證。本研究項目將從原材的選取，包括外摻料的用量、種類、外加劑的使用、環境條件的模擬、配合比的優化來設計優化施工配合比，使選定的配合比在高原高寒環境條件下具有良好的工作性能，強度能夠達到設計要求，凍融循環指標滿足設計要求，各項耐久性指標達到設計要求，最終達到技術可靠，經濟合理的目的，在此基礎上實現成本最小化，利益最大化。

2 研究方法

試驗在不同惡劣環境條件下，通過正交設計研究不同膠凝材料總量、不同外加劑摻量、不同礦物摻合料、不同砂石料含量等拌和物的性能結果對比，從而選擇不同水膠比、外加劑、不同品質指標礦物摻合料之間的最佳配比；對混凝土各項性能指標的影響程度。模擬現場的地質環境條件、氣候條件對混凝土劣化情況進行研究，以獲得技術可行，經濟合理的混凝土配合比[1]。

2.1 環境分析

2.1.1 低溫環境

影響混凝土土的耐久性和強度，同時也容易導致混凝土構件出現早期凍害[2]；混凝土水化反應會大幅度減緩，澆筑完成后，混凝土的強度上升緩慢，出現水化熱，很容易受到低溫的影響而產生凍害；在低溫下進行混凝土拌和，易導致外加劑的活性降低，影響混凝土的工作性能，增大澆筑難度，而且容易出現質量問題；混凝土想要拌和均勻非常困難，其密實性會受到一定的影響，進而導致耐久性變差；在混凝土養護過程中，過低的溫度會導致水分固結，熱脹冷縮，引發混凝土內部裂縫[3]。

2.1.2 干燥環境

混凝土水分散失，容易引起開裂。

2.1.3 大風環境

使混凝土表面迅速脫水，嚴重影響混凝土的實體質量和強度。

2.2 技術參數及設計依據

混凝土設計信息如表1 所示，混凝土技術要求如表2 所示，混凝土最大水膠比限值如表3 所示，混凝土電通量設計依據如表4 所示，混凝土抗凍性設計依據如表5 所示。

表1 混凝土設計信息

表2 混凝土技術要求

表3 混凝土最大水膠比限值

表4 混凝土電通量設計依據

表5 混凝土抗凍性設計依據

2.3 配合比設計

2.3.1 正交設計方法

配合比設計采用正交設計方法進行試驗來處理混凝土拌和過程中的多種因素，通過利用正交表，合理安排不同條件試驗，選取較少的試驗次數得到預期的且準確率較高的試驗結論，在進行對試驗結果的總結及統計分析時，可以更加清晰明了的掌握全面、系統的試驗結果，得出正確結論[4]。

2.3.2 正交設計

在試驗前，根據高原高寒地區外部條件的特殊性，通過理論分析及模擬外部條件試驗來確定各個影響因素，并把主要因素的各影響水平定在合適的范圍內。根據試驗結果確定水膠比和粉煤灰摻量為高原高寒地區混凝土質量控制的主要因素。對這兩個主要因素進行試驗，因素1（水膠比）：分別為0.33、0.35、0.37（以C40為例），因素2（粉煤灰摻量）：分別為30%、20%、10%。

2.3.3 試拌參數選擇

試拌參數主要考慮水泥、砂含量、用水量、骨料、外加劑。

2.4 配合比試拌及其試驗結果

針對所選配合比對其進行抗凍、抗滲、抗硫酸鹽侵蝕[5]、氣泡間距系數等性能進行試驗分析，結果如下。混凝土試拌配合比如表6 所示，配合比強度試驗結果如表7 所示，粉煤灰摻量與強度關系如圖1 所示，抗凍性能如表8 所示，抗滲性能如表9 所示，抗硫酸鹽侵蝕如表10 所示，氣泡間距系數如表11 所示。

圖1 粉煤灰摻量與強度關系

表6 混凝土試拌配合比

表7 配合比試件強度試驗結果

表8 抗凍性能

表9 抗滲性能

表10 抗硫酸鹽侵蝕

表11 氣泡間距系數

2.5 對混凝土性能的影響分析

2.5.1 引氣劑摻量對混凝土性能的影響

增加引氣劑的摻量，相對而言混凝土內部氣泡也會增多，這些氣泡會對混凝土的強度產生負面影響，進而導致混凝土抗凍性下降。因此在不加其他外加劑的情況下，引氣劑的摻量不宜過高。

2.5.2 粉煤灰摻量對混凝土性能的影響

粉煤灰的適量摻入會改善混凝土的和易性并降低水化熱，保證工程質量，并且減少投資。推薦混凝土施工配合比如表12 所示。

表12 推薦混凝土施工配合比

3 結論

基于以上分析，本研究提出了高原高寒山區混凝土配合比設計的具體步驟，包括原材料的選擇和性能測試，配合比設計方法和步驟。在原材料的選擇上，建議選擇性能穩定的材料，并通過試驗來確定其性能。對于配合比的設計，提出了混凝土三要素配比法，即按照最大骨料粒徑選定配合比，確定不同骨料級配系數和水膠比，以達到理想的強度和耐久性指標。通過對高原高寒山區某工程現場進行混凝土配合比實際應用效果分析，研究發現，采用該混凝土配合比設計方法，可以滿足工程強度和耐久性指標的要求，并且在施工過程中具有很好的可操作性。

混凝土抗凍性能也就是混凝土抵御凍融破壞的能力，是混凝土耐久性尤其是高原高寒地區最重要的指標之一。混凝土在后續暴露過程中因凍融環境破壞結構與混凝土本身性能相關，在長時間暴露過程中多次凍融循環的作用下，結構損傷會逐步加劇，最終導致混凝土開裂和散裂。通過降低水膠比，增加水化產物，改善孔結構，都將使混凝土的密實性增加，從而提高混凝土的抗凍性能。