高原凍土地區(qū)樁基混凝土配合比設(shè)計研究

摘 要：為加強高原凍土地區(qū)樁基混凝土抗壓強度、抗凍性能，保證工程應用的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固安全。分析混凝土原材料性能、配合比設(shè)計試驗、性能影響分析。其中，性能影響分析包括膠凝材料用量、水膠比、礦物摻合料。確定高原凍土地區(qū)下的C35混凝土配合設(shè)計比。水膠比為0.39，粉煤灰摻量為18%，外加劑摻量為3.97%，碎石粒徑為5～20mm。比值為水泥（254）∶礦渣粉（111）∶粉煤灰（81）∶硅灰（76）∶水（173）∶砂（778）。C35混凝土配制中，水膠比和礦物摻合料比例均會影響結(jié)構(gòu)抗壓強度和抗凍性能，必須根據(jù)實際情況調(diào)整配比，根據(jù)試驗，建議C35混凝土水膠比為0.39；礦物摻合料∶粉煤灰摻量為0.2時，硅灰摻量從5%增加為10%。

關(guān)鍵詞：高原凍土地區(qū)；樁基混凝土配合比；應用要點

中圖分類號：TU502" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2024）10-0004-03

0 引言

低溫條件影響下，高原凍土地區(qū)樁基混凝土制備相對更為緩慢，其強度形成時間長，常導致結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性存在一定隱患。如樁基混凝土配合比設(shè)計不合理，則會出現(xiàn)融沉、凍脹等問題，導致工程質(zhì)量下降。因此在開展工程之前，必須根據(jù)工程建設(shè)需求，配制相應強度的樁基混凝土，通過試驗確定構(gòu)件的穩(wěn)定性，達到驗收標準后，才可投入具體工程中應用。

1 原材料性能分析

1.1 高原凍土地區(qū)環(huán)境特點

配制樁基混凝土原材料之前，應根據(jù)高原凍土地區(qū)的環(huán)境特點，選擇合適的原材料。該種類型的地區(qū)通常具有氣候寒冷、溫差變化大的特點，由于海拔較高，因此含氧量更低，且空氣稀薄。其地質(zhì)結(jié)構(gòu)常呈現(xiàn)松散狀態(tài)，容易出現(xiàn)地質(zhì)災害。

1.2 原材料選擇準則

高原凍土地區(qū)樁基混凝土原材料類型應具備高抗凍性能，可保證在溫差變化大的環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)強度，具有高早強性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、耐久性。

1.3 混凝土類型

基于具體環(huán)境，可選擇抗凍混凝土、高性能混凝土、硫酸鹽抗侵蝕混凝土。以高性能混凝土為例，其選用C35混凝土進行配制設(shè)計。

2 配合比設(shè)計試驗

2.1 原材料配合比

根據(jù)地區(qū)建設(shè)需求，對C35混凝土配合比進行適度調(diào)整，最終確定試驗配合比。水泥選用P.O42.5，粉煤灰選用I級，細骨料選用河砂。粗骨料選用石灰?guī)r碎石，主要應用兩種類型，一種為5～10 mm的碎石，另外一種為10～20 mm的碎石。按照一定比例混合，配制成連續(xù)級配碎石，粒徑為5～20 mm。礦渣粉選用磨細礦渣粉，減水劑選用高效型減水劑，型號為3301C。拌和用水選用飲用水。

確定原材料配合比、類型后，對各種材料的性能進行測試，結(jié)合相應指標完成質(zhì)量檢測。最終檢測結(jié)果表明，全部材料性能均達到混凝土配制要求。

2.2 基準配比

結(jié)合混凝土設(shè)計規(guī)程，對C35混凝土基準配合比進行計算，確定各種材料的基準配比。

原材料配比為水泥（235）：粉煤灰（75）：礦渣粉（103）：細骨料（810）：粗骨料（990）：水（173）：減水劑（3.70）。

3 膠凝材料用量研究

3.1 試驗數(shù)據(jù)分析

配制C35混凝土時，膠凝材料的用量也會影響其結(jié)構(gòu)抗壓強度、抗凍性能。試驗發(fā)現(xiàn)，不同齡期下的混凝土，應用不同膠凝材料時，其結(jié)構(gòu)性能具有差異性。應結(jié)合該種類型的混凝土配制需求，選擇合適的膠凝材料。

試驗中，設(shè)計水泥用量為95%時，C35混凝土坍落度并未發(fā)生較為明顯的改變。坍落度試驗中，發(fā)現(xiàn)混凝土中心堆積少量骨料，且邊緣出現(xiàn)了泌漿現(xiàn)象。設(shè)計水泥用量為90%時，則發(fā)現(xiàn)中心堆積大量骨料，且整體包裹性呈現(xiàn)較差的狀態(tài)，邊緣有少量泌漿，漿體量呈現(xiàn)不足狀態(tài)，膠凝材料用量隨之減少，造成混凝土出現(xiàn)漿骨分離的情況。

膠凝材料為420 kg時，C35混凝土28 d抗壓強度滿足力學要求。膠凝材料為400 kg時，C35混凝土28 d抗壓強度剛達到力學要求。膠凝材料為380 kg時，C35混凝土28 d抗壓強度未達到力學要求。相同混凝土齡期下，C35混凝土的整體抗壓強度隨著膠凝材料用量發(fā)生變化。當膠凝材料用量減少時，C35混凝土抗壓強度也隨之下降。當齡期差別越大時，抗壓強度的差值也越大。以C35混凝土56 d抗壓強度試驗數(shù)據(jù)為例：膠凝材料用量為420 kg時，C35混凝土56 d抗壓強度為39.8 MPa。膠凝材料用量為400 kg時，C35混凝土56 d抗壓強度為25.6 MPa。膠凝材料用量為380 kg時，C35混凝土56d抗壓強度為20.5 MPa。由數(shù)據(jù)可見，膠凝材料用量下降時，C35混凝土56 d抗壓強度也隨之下降。分析發(fā)現(xiàn)，其主要原因為混凝土中包含的水化產(chǎn)物含量明顯下降，結(jié)構(gòu)密實度不足，造成抗壓強度不穩(wěn)定。

除了進行抗壓強度試驗之外，相關(guān)人員還針對膠凝材料用量對C35混凝土的抗凍性能進行試驗，以確保高原凍土地區(qū)的混凝土抗凍性能得到提升，保證混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。試驗發(fā)現(xiàn)，膠凝材料用量減少時，C35混凝土的抗凍性能明顯下降，主要原因為混凝土的密實度降低，因此抗凍性能也降低。

3.2 試驗結(jié)果

基于試驗數(shù)據(jù)，需要嚴格控制混凝土制備的水泥用量，確保水泥最小用量，以提升其整體密實度和穩(wěn)固性。根據(jù)C35混凝土使用性能以及施工要求，控制水泥漿體積在25%～35%為宜。如需要混凝土的性能達到最佳狀態(tài)時，則可選擇35%的水泥漿體積。

根據(jù)理論計算，分析C35混凝土的膠凝材料用量偏差，控制用量在±5%～10%內(nèi)為宜。降低兩個強度等級使用，加強混凝土應用的安全性與穩(wěn)定性。高原凍土地區(qū)的C35樁基混凝土配合比，建議膠凝材料用量大于420 kg/m3。

4 水膠比分析

4.1 配比優(yōu)化試驗

結(jié)合相關(guān)技術(shù)規(guī)范內(nèi)容，明確混凝土原材料的配合比要求。發(fā)現(xiàn)混凝土水膠比大于0.42，因此需要進行優(yōu)化與調(diào)整[2]。根據(jù)本次試驗區(qū)域的地質(zhì)條件，將混凝土水膠比控制在0.33～0.40為宜。調(diào)整前，相關(guān)人員對混凝土水膠比進行實際考察與記錄，共選擇4組進行試驗。水膠比對比情況如下。對照組水膠比為0.42，試驗組1水膠比為0.39，試驗組2水膠比為0.36，試驗組3水膠比為0.33。粉煤灰摻量對比如下：對照組粉煤灰摻量為16%，試驗組1粉煤灰摻量為15%，試驗組2粉煤灰摻量為18%，試驗組3粉煤灰摻量為21%。

對照組試驗結(jié)果如下：粉煤灰摻量為15%時，其初始坍落度為175 mm，1 h后的坍落度為110 mm；7 d抗壓強度為31.6 MPa，28 d抗壓強度為46.5 MPa。粉煤灰摻量為18%時，其初始坍落度為185 mm，1 h后的坍落度為130 mm；7 d抗壓強度為30.5 MPa，28 d抗壓強度為46.1 MPa。煤灰摻量為21%時，其初始坍落度為200 mm，1 h后的坍落度為170 mm；7 d抗壓強度為28.7 MPa，28 d抗壓強度為45.7 MPa。

試驗組1試驗結(jié)果如下：粉煤灰摻量為15%時，其初始坍落度為180 mm，1 h后的坍落度為115 mm；7 d抗壓強度為36.3 MPa，28 d抗壓強度為49.8 MPa。粉煤灰摻量為18%時，其初始坍落度為190 mm，1 h后的坍落度為140 mm；7 d抗壓強度為35.2 MPa，28 d抗壓強度為49.5 MPa。粉煤灰摻量為21%時，其初始坍落度為205 mm，1 h后的坍落度為180 mm；7 d抗壓強度為34.1 MPa，28 d抗壓強度為49.1 MPa。

試驗組2試驗結(jié)果如下：粉煤灰摻量為15%時，其初始坍落度為185 mm，1 h后的坍落度為120 mm；7 d抗壓強度為37.1 MPa，28 d抗壓強度為52.1 MPa。粉煤灰摻量為18%時，其初始坍落度為195 mm，1 h后的坍落度為145 mm；7 d抗壓強度為36.1 MPa，28 d抗壓強度為51.7 MPa。粉煤灰摻量為21%時，其初始坍落度為210 mm，1 h后的坍落度為185 mm；7 d抗壓強度為34.2 MPa，28 d抗壓強度為51.3 MPa。

試驗組3試驗結(jié)果如下：粉煤灰摻量為15%時，其初始坍落度為190 mm，1 h后的坍落度為125 mm；7 d抗壓強度為39.3 MPa，28 d抗壓強度為55.4 MPa。粉煤灰摻量為18%時，其初始坍落度為205 mm，1 h后的坍落度為160 mm；7 d抗壓強度為38.1 MPa，28 d抗壓強度為55.0 MPa。

粉煤灰摻量為21%時，其初始坍落度為230 mm，1 h后的坍落度為190 mm；7 d抗壓強度為36.2 MPa，28 d抗壓強度為54.7 MPa。

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述試驗數(shù)據(jù)信息可知，粉煤灰摻量越小，水膠比越大。當水膠比較大時，C35混凝土坍落度也會隨之增長。

通過試驗可發(fā)現(xiàn)，不同組別的水膠比固定時，粉煤灰摻量增加時，C35混凝土初始坍落度和1 h后的坍落度均會隨之增長。由此可見，粉煤灰摻加提高了混凝土的結(jié)構(gòu)性能[3]。但是在抗壓強度方面，可發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量增加時，C35混凝土7 d抗壓強度下降明顯。從該現(xiàn)象可知，粉煤灰摻量應根據(jù)實際需求確定，并非增多便可提升混凝土抗壓強度。

對照組和3個試驗組對比可知，粉煤灰摻量為18%時，C35混凝土性能最佳。水膠比可選擇0.36、0.33兩種配比，但是基于成本考慮，建議選擇0.39的配比。

5 礦物摻合料評估

5.1 試驗分析

C35混凝土的礦物摻合料比例也會影響結(jié)構(gòu)抗壓強度，因此需要針對礦物摻合料摻量進行分析，以提升混凝土的抗壓強度。通過試驗可發(fā)現(xiàn)，在混凝土早期強度發(fā)展階段，適量加入硅灰材料，可有效促進C35混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強度進一步提升。

試驗數(shù)據(jù)如下：①粉煤灰摻量為20%時，硅灰摻量從10%增加為20%時，C35混凝土56 d抗壓強度數(shù)值上升了5%。②粉煤灰摻量為30%時，硅灰摻量從10%增加為20%時，C35混凝土56 d抗壓強度數(shù)值上升了20.9%。

C35混凝土56 d抗壓強度數(shù)值增長的主要原因為：硅灰材料比表面積大，可以與水接觸，保證混凝土早期強度形成的穩(wěn)定性。

通過對比硅灰摻量和粉煤灰摻量，對C35混凝土56 d抗壓強度進行分析：①硅灰摻量為15%時，粉煤灰摻量從15%增加至30%時，C35混凝土56 d抗壓強度數(shù)值上升了10.7%。②硅灰摻量為20%時，粉煤灰摻量從15%增加至30%時，C35混凝土56 d抗壓強度數(shù)值上升了22.5%。

結(jié)合C35混凝土抗凍性能試驗，摻加礦物摻合料后，發(fā)現(xiàn)150次凍融循環(huán)作業(yè)后，混凝土的相對動彈性模量為92%；未摻加礦物摻合料時，發(fā)現(xiàn)150次凍融循環(huán)作業(yè)后，混凝土的相對動彈性模量為明顯下降，從92%降至58%。由此可知，制備C35混凝土時，摻加礦物摻合料可增強結(jié)構(gòu)的抗凍性能。

試驗數(shù)據(jù)如下：摻加礦物摻合料時，凍融循環(huán)次數(shù)為50次，質(zhì)量損失為0.07%；相對動態(tài)彈性模量損失為0.3%。凍融循環(huán)次數(shù)為100次，質(zhì)量損失為0.15%；相對動態(tài)彈性模量損失為0.4%。凍融循環(huán)次數(shù)為200次，質(zhì)量損失為0.71%；相對動態(tài)彈性模量損失為2.2%。凍融循環(huán)次數(shù)為300次，質(zhì)量損失為0.72%；相對動態(tài)彈性模量損失為2.8%。

未摻加礦物摻合料時：凍融循環(huán)次數(shù)為50次，質(zhì)量損失為0.16%；相對動態(tài)彈性模量損失為5.5%。凍融循環(huán)次數(shù)為100次，質(zhì)量損失為0.33%；相對動態(tài)彈性模量損失為12.6%。凍融循環(huán)次數(shù)為200次，質(zhì)量損失為0.8%；相對動態(tài)彈性模量損失為67.3%。凍融循環(huán)次數(shù)為300次，質(zhì)量損失為0.83%；相對動態(tài)彈性模量損失為68.8%。

5.2 評估結(jié)果

通過上述試驗分析，確定摻加礦物摻合料更有利于提升C35混凝土的抗壓強度、抗凍性能，應結(jié)合高原凍土地區(qū)地質(zhì)條件，選擇合適的配合設(shè)計比添加礦物摻合料。根據(jù)試驗結(jié)果，建議粉煤灰摻量為20%時，硅灰摻量從5%增加為10%，可有效強化混凝土的抗壓強度。

6 試驗結(jié)論

高原凍土地區(qū)下的C35混凝土配合設(shè)計比：水膠比為0.39，粉煤灰摻量為18%，外加劑摻量為3.97%，碎石粒徑為5～20 mm，水泥（254）：礦渣粉（111）：粉煤灰（81）：硅灰（76）：水（173）：砂（778）。C35混凝土配制中，水膠比和礦物摻合料比例均會影響結(jié)構(gòu)抗壓強度和抗凍性能，必須根據(jù)實際情況調(diào)整配比，根據(jù)試驗，建議C35混凝土水膠比為0.39，粉煤灰摻量為20%時，硅灰摻量從5%增加為10%。高原凍土地區(qū)制備混凝土應具備抗凍性能、早強性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、耐久性，選擇抗凍混凝土、高性能混凝土、硫酸鹽抗侵蝕混凝土為宜。

7 結(jié)束語

高原凍土地區(qū)地質(zhì)環(huán)境較為惡劣，因此在進行樁基混凝土配制前，應根據(jù)地形條件，選擇合適的混凝土類型進行配比。應用前，結(jié)合配合比設(shè)計與試驗，確定混凝土各類原材料的實際配比，提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強度、抗凍性能，保證其結(jié)構(gòu)密實度達到工程建設(shè)需求。

參考文獻

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