鐵路高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

1、鐵路高性能混凝土協(xié)作比設(shè)計(jì)鞏寧峰1 張偉2 何彩云3（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，三門峽 河南 472000；）【摘要】本文闡述了高性能混凝土的定義，介紹了高性能混凝土的國(guó)內(nèi)外的探討和發(fā)呈現(xiàn)狀及高性能混凝土協(xié)作比設(shè)計(jì)留意事項(xiàng)，并以C50高性能混凝土協(xié)作比為例介紹了高性能混凝土設(shè)計(jì)思路?！娟P(guān)鍵詞】高性能混凝土；定義；耐久性；高性能混凝土的定義我國(guó)聞名的混凝土科學(xué)家吳中偉教授對(duì)高性能混凝土的定義為：高性能混凝土為一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高一般混凝土性能的基礎(chǔ)上采納現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，是以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，運(yùn)用優(yōu)質(zhì)的原材料，摻加足夠數(shù)量的礦物活性細(xì)摻料和高性能外加劑，

2、針對(duì)不同用途的要求，對(duì)下列性能有重點(diǎn)的加以保證：耐久性、施工性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的混凝土。1高性能混凝土的發(fā)展和現(xiàn)狀20世紀(jì)80年頭，美國(guó)國(guó)家材料委員會(huì)提出：要為新世紀(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)開發(fā)高性能的建筑材料，包括鋼材、混凝土、塑料等。但直到1990年5月，才在第一次關(guān)于HPC的國(guó)際研討會(huì)上，首次啟用了高性能混凝土的說(shuō)法。而后各國(guó)專家和學(xué)者以及建設(shè)者們歷經(jīng)多年努力，使得高性能混凝土技術(shù)日新月異。自從20世紀(jì)90年頭初清華高校向國(guó)內(nèi)介紹高性能混凝土以來(lái)，高性能混凝土的探討和應(yīng)用在我國(guó)得到了足夠的重視。1993年國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、建設(shè)部、鐵道部和國(guó)家建材局聯(lián)合資助了重點(diǎn)科研項(xiàng)目高強(qiáng)和高

3、性能混凝土材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)性態(tài)探討，隨后很多省、市科委和建委也資助了高強(qiáng)、高性能混凝土方面的探討課題。1999年中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)高強(qiáng)和高性能混凝土委員會(huì)(HSCC)編寫了高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)程(中國(guó)工程建設(shè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS104：99)。我國(guó)“九五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目重點(diǎn)工程混凝土平安性探討，由中國(guó)建筑材料科學(xué)探討院牽頭，跨部門、跨行業(yè)地協(xié)作攻關(guān)，取得了很多重大成果。四航局主持制定的海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范(JTJ2752000)中，規(guī)定用于海港工程的高性能混凝土，磨細(xì)礦渣的摻量可達(dá)到5080，同時(shí)要求水膠比035，坍落度120mm，強(qiáng)度等級(jí)C45，這也是我國(guó)首個(gè)對(duì)高性能混凝土技

4、術(shù)要求進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定的規(guī)范。目前高性能混凝土在我國(guó)的建筑領(lǐng)域以廣泛應(yīng)用，如海洋工程、大型水利工程等，特殊是伴隨著我國(guó)高速鐵路大面積的修建，高性能混凝土的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的提升。在建的京滬高速鐵路所用的高性能混凝土要求實(shí)際就是高工作度、高密實(shí)度、高耐久性、可泵送、有摻合料的強(qiáng)度不低于C30的混凝土。 水電建設(shè)集團(tuán)參和了京滬高鐵的項(xiàng)目建設(shè)，作為京滬高鐵項(xiàng)目的建設(shè)者，想就京滬高速鐵路濟(jì)南段高性能混凝土協(xié)作比設(shè)計(jì)談?wù)勛约旱捏w會(huì)和看法。2工程概況京滬高速鐵路地處我國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)、綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力最強(qiáng)、最具發(fā)展活力的東部地區(qū)，縱貫北京、天津、上海三大直轄市和河北、山東、安徽、江蘇四省，干脆聯(lián)結(jié)16個(gè)超過(guò)100萬(wàn)

5、人的大城市，正線運(yùn)營(yíng)長(zhǎng)度1308.598km。中國(guó)水電集團(tuán)公司所擔(dān)當(dāng)?shù)捻?xiàng)目標(biāo)段線路位于山東省境內(nèi)，起點(diǎn)為黃河特大橋南引橋，正線起點(diǎn)里程DIK412+062.274，終點(diǎn)正線里程為DK667+026.73（距徐州站8.411km）。本公司屬于集團(tuán)公司的一個(gè)子公司，承建的起點(diǎn)正線起點(diǎn)里程DIK412+062.274，終點(diǎn)里程為DIK428+723.78，正線全長(zhǎng)16.661 km（不含濟(jì)南站工程）。本公司負(fù)責(zé)施工的主要工程為：四座特大橋、兩段正線路基、一座隧道以及動(dòng)車走形線和動(dòng)車運(yùn)用所。另包含里程DIK412+062.27DIK417+800段全長(zhǎng)5737.73米的CRTS無(wú)砟軌道板鋪設(shè)和DIK4

6、17+800DIK428+723.78段全長(zhǎng)10.92378公里的CRTS型板無(wú)砟軌道板鋪設(shè)。四座特大橋分別為黃河南引特大橋、跨濟(jì)兗馬路特大橋、跨濟(jì)兗馬路1#特大橋、跨濟(jì)兗馬路2#特大橋。樁基施工摩擦樁采納旋挖機(jī)鉆孔施工、柱樁采納沖擊鉆鉆孔施工；承臺(tái)有水部位采納鋼板樁支護(hù)后開挖施工、無(wú)水部位采納放坡開挖施工；墩臺(tái)采納無(wú)拉桿式定型鋼模整體澆注；現(xiàn)澆簡(jiǎn)支箱梁依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況采納移動(dòng)模架、支架法澆注；連續(xù)梁依據(jù)設(shè)計(jì)采納掛藍(lán)懸灌法和支架法施工；鋼箱系桿拱橋采納原位支架拼裝法施工。四座特大橋主要工程量如下：11孔20m現(xiàn)澆雙線簡(jiǎn)支箱梁；25孔24m現(xiàn)澆雙線簡(jiǎn)支箱梁； 319孔32m現(xiàn)澆雙線簡(jiǎn)支箱梁；1孔25

7、.62m現(xiàn)澆異形雙線簡(jiǎn)支箱梁；1孔25.89m現(xiàn)澆異形雙線簡(jiǎn)支箱梁；在DIK421+594.50處上跨濟(jì)兗馬路輔道,設(shè)計(jì)采納2-96m的四線下承式簡(jiǎn)支鋼箱系桿拱橋；一聯(lián)40+56+40m、兩聯(lián)40+64+40m雙線連續(xù)箱梁；兩聯(lián)40+64+40m、一聯(lián)48+80+48m單線連續(xù)箱梁。羅而莊隧道為雙線隧道，起訖里程為DIK427+965DIK428+560，全長(zhǎng)595m。 本工程施工的C30、C35灌注樁；C30承臺(tái)；C30、C35墩身；C40支承墊石的及C50、C55現(xiàn)澆箱梁、連續(xù)梁等均屬于高性能混凝土。3高性能混凝土協(xié)作比設(shè)計(jì)留意事項(xiàng)3.1原材料選擇原材料的選擇對(duì)高性能混凝土是非常重要的，要

8、想提升混凝土的耐久性、可施工性、適用性等，使之達(dá)到高性能，就必需選擇優(yōu)質(zhì)的原材料。3.1.1粗細(xì)骨料粗骨料宜選用級(jí)協(xié)作理，粒形好，針片狀顆粒含量少，松散積累密度大于1500kg/m3，表觀密度不小于2650kg/m3的干凈碎石,最大粒徑不宜超過(guò)鋼筋混凝土愛(ài)護(hù)層厚度的2/3，且不得超過(guò)鋼筋最小間距的3/4。配制強(qiáng)度等級(jí)C50及以上預(yù)應(yīng)力混凝土?xí)r，粗骨料最大粒徑不應(yīng)大于25。細(xì)骨料宜選用級(jí)配良好，吸水率低，孔隙率小干凈中粗砂，宜選細(xì)度模數(shù)在2.6-3.0的河砂。配制自密實(shí)混凝土?xí)r宜選細(xì)度模數(shù)在2.2-2.6的河砂。3.1.2摻合料摻合料是高性能混凝土不行缺少的組成材料之一，摻用的目的是利用其物理效

9、應(yīng)、填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)來(lái)提高混凝土施工性，增加硬化混凝土耐久性，降低混凝土早期水化溫升。常用的摻合料-粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等。優(yōu)質(zhì)的粉煤灰由于其顆粒比水泥還小，且表面呈現(xiàn)玻璃體球形態(tài)態(tài)，作為混凝土的摻合料，不但可以降低混凝土用水量、增加混凝土拌合物的和易性，而且可以降低混凝土早期水化熱，增加混凝土的后期強(qiáng)度。磨細(xì)礦渣粉的活性要比粉煤灰高，具有很高的火山灰效應(yīng)，摻入后可改善混凝土硬化后的孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，其細(xì)度要比粉煤灰還小，有著很大的比表面積，可以填充粉煤灰間的空隙，變更混凝土的流變性能，增加混凝土密實(shí)度，提高自密實(shí)混凝土強(qiáng)度和耐久性，尤其是提高混凝土的抗化學(xué)侵蝕得到了很大的提高。3.1.3減水劑

10、目前我們?cè)诳蛯Ｉ暇€運(yùn)用的聚羧酸高性能減水劑，其減水率在25以上。聚羧酸高性能減水劑是一種復(fù)合性減水劑，具有減水、引氣、緩凝和保坍的作用。因此聚羧酸高性能減水劑是配置高性能混凝土勝利和否的關(guān)鍵。3.2高性能混凝土協(xié)作比設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則高性能混凝土協(xié)作比首先應(yīng)考慮適量摻用優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉等礦物摻和料； 其次是混凝土的膠凝材料用量及水膠比，C30及以下混凝土的膠凝材料總量不宜高于400 kg/m3，C35C40混凝土不宜高于450 kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500 kg/m3， 最低膠凝材料用量依據(jù)不同的環(huán)境條件、作用等級(jí)及設(shè)計(jì)運(yùn)用年限進(jìn)行確定；再次是限制混凝土中的有害物質(zhì)堿含量和

11、氯離子；最終是考慮混凝土的施工工藝，達(dá)到滿意施工要求的具有良好的拌合物性能的混凝土。4.高性能混凝土協(xié)作比設(shè)計(jì)實(shí)例及應(yīng)用京滬高速鐵路是我國(guó)自行修建的世界一流的高速鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速為350km/小時(shí)，運(yùn)營(yíng)時(shí)速將達(dá)到400km/小時(shí)。我工區(qū)施工的濟(jì)南區(qū)段有298片混凝土現(xiàn)澆箱梁，五個(gè)大跨度現(xiàn)澆混凝土連續(xù)梁。由于工期緊，施工量大，我們對(duì)協(xié)作比進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化。4.1混凝土技術(shù)要求依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范，箱梁的混凝土技術(shù)要求為：環(huán)境作用條件等級(jí)為T2，28d抗壓強(qiáng)度C50、彈性模量3.55104MPa，56天齡期凍融次數(shù)為200次、抗?jié)BP20、電通量1000C，設(shè)計(jì)運(yùn)用年限為100年，所以該鐵路是以耐久性為

12、主要設(shè)計(jì)限制指標(biāo)。4.2依據(jù)規(guī)范客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件 科技基2005101號(hào)鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定 鐵建設(shè)2005157號(hào)鐵路混凝土和砌體工程施工規(guī)范 TB10210-2001鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn) 鐵建設(shè)2005160號(hào)一般混凝土協(xié)作比設(shè)計(jì)規(guī)程 JGJ55-2000一般混凝土拌和物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) GB/T50080-2002一般混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) GB/T50081-2002混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)范 JGJ/T10-95客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路預(yù)制梁暫行技術(shù)條件科技基2004120號(hào)4.3混凝土協(xié)作比計(jì)算4.3.1混凝土配置強(qiáng)度的計(jì)算考慮混凝土采納現(xiàn)

13、場(chǎng)拌和站集中攪拌，混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差取5.5則fcu，0= fcu，k+1.645=50+1.6455.5=59.0（MPa）式中 fcu，0混凝土配置強(qiáng)度（MPa）fcu，k混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差（MPa）4.3.2混凝土水灰比計(jì)算水泥選用山東平陰山水水泥有限公司生產(chǎn)的42.5MPa一般硅酸鹽水泥，富余系數(shù)取1.0即：fce =1.042.5=42.5（MPa）則W/C=（Afce）/（fcu，0+ABfce）=0.323式中A，B為回來(lái)系數(shù)，分別為0.46,0.07。依據(jù)科技基 2004 120號(hào)客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件要求，水膠比不宜大于0.35

14、，所以取0.32、0.29進(jìn)行試辦計(jì)算。（由于工期緣由，為使現(xiàn)澆梁3至5天能進(jìn)行初張拉，依據(jù)3強(qiáng)度結(jié)果，最終選擇0.29水膠比，所以下文幾個(gè)表只列舉了0.29水膠比的試驗(yàn)結(jié)果）。4.3.3混凝土砂率及粗骨料級(jí)配的確定采納最優(yōu)砂率法，依據(jù)混凝土粗骨料的孔隙率試驗(yàn)進(jìn)行確定混凝土的砂率，粗骨料的級(jí)配有不同比例最大容重法確定。本標(biāo)段粗骨料粒徑為510mm和1020mm人工碎石，細(xì)骨料為河砂。通過(guò)上述方法確定初步試拌砂率為38%。4.3.4混凝土各原材料單方用量計(jì)算混凝土單方材料計(jì)算有體積法和容重法，本協(xié)作比采納假定容重法，按下列公式計(jì)算：mc0+mg0+ms0+mw0=mcp s= ms0/( mg0

15、 + ms0)100% 式中mc0每立方米混凝土水泥用量；mg0每立方米混凝土粗骨料用量；ms0每立方米混凝土細(xì)骨料用量；mw0每立方米混凝土用水量；s砂率；mcp每立方米混凝土拌和物的假定重量（kg），其值一般可取23502450 kg。本協(xié)作比碎石最大粒徑為31.5mm，取2400 kg計(jì)算并試拌，經(jīng)過(guò)試拌及對(duì)混凝土拌合物容重測(cè)定，混凝土的容重最終為2360 kg/m3。4.3.5最終協(xié)作比考慮混凝土水化熱及耐久性技術(shù)要求，礦物摻合料采納粉煤灰和礦渣粉雙摻的方式，同時(shí)為了保證冬季施工，摻合料選擇了不同的摻量，最終協(xié)作比見表1，混凝土拌和物性能見表2，混凝土硬化后指標(biāo)檢測(cè)見表3。表1協(xié)作比編

16、號(hào)水泥（kg）細(xì)骨料（kg）粗骨料（kg）水（kg）粉煤灰（kg）礦渣粉（kg）外加劑（kg）A348653106614474744.96B397653106614450505.467C447653106614425256.958表2協(xié)作比編號(hào)坍落度（mm）擴(kuò)展度（mm）含氣量（%）泌水A2155503.8無(wú)B2105003.8無(wú)C2055003.6無(wú)表3協(xié)作比編號(hào)抗壓強(qiáng)度（MPa）壓縮彈性模量（GPa）電通量（C）28d抗凍性抗裂性抗?jié)B性3d7d28d7d28d56d質(zhì)量損失率（%）相對(duì)動(dòng)彈性模量（%）56d56dA40.057.765.440.244.85851.582.3無(wú)裂紋P20B4

17、3.058.869.742.644.05071.287.6無(wú)裂紋P20C46.158.065.038.043.85411.389.9無(wú)裂紋P204.3.6混凝土有害物含量依據(jù)鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)鐵建設(shè)2005160號(hào)，鐵路高性能混凝土有害物含量計(jì)算如下：混凝土總堿含量=水泥用量水泥堿含量+粉煤灰用量1/6粉煤灰堿含量+礦渣粉用量1/2礦渣粉堿含量+外加劑用量外加劑堿含量+用水量水的堿含量；混凝土總氯離子含量=水泥用量水泥氯離子含量+粉煤灰用量粉煤灰氯離子含量+礦渣粉用量礦渣粉氯離子含量+外加劑用量外加劑氯離子含量+用水量水的氯離子含量+細(xì)骨料的用量細(xì)骨料氯離子含量+粗骨料的用量粗

18、骨料的氯離子含量。經(jīng)計(jì)算，該C50高性能混凝土協(xié)作比中編號(hào)為1的協(xié)作比混凝土總堿含量為2.42kg/m3；混凝土總氯離子含量為0.116 kg/m3，占膠凝材料的百分比為0.023%；編號(hào)為2的協(xié)作比混凝土總堿含量為2.56kg/m3；混凝土總氯離子含量為0.121 kg/m3，占膠凝材料的百分比為0.024%；編號(hào)為3的協(xié)作比混凝土總堿含量為2.71kg/m3；混凝土總氯離子含量為0.127 kg/m3，占膠凝材料的百分比為0.026%。4.3.7C50現(xiàn)澆梁現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度分析8 / 8上面三個(gè)圖分別為協(xié)作比A、B、C齡期為4-8天內(nèi)的強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)，從圖可以看出協(xié)作比早期強(qiáng)度B優(yōu)于A、C優(yōu)于B。28天齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件強(qiáng)度平均值協(xié)作比A為：57.1MPa；協(xié)作比B為：59.7MPa；協(xié)作比C為：57.6MPa。從28天標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件平均強(qiáng)度來(lái)看，協(xié)作比B的后期強(qiáng)度要略高于協(xié)作比A和B。這就說(shuō)水泥用量增加可以提高混凝土強(qiáng)度，但是有一個(gè)合理的范圍，到達(dá)這個(gè)范圍后再想提高混凝土的強(qiáng)度就只能借助于摻合料和外加劑。同時(shí)，我們可以看出，依據(jù)不同的齡期強(qiáng)度要求，運(yùn)用不同的協(xié)作比，對(duì)工程的進(jìn)度乃至成本非常重要。4結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)對(duì)京滬高鐵三標(biāo)段灌注樁、承臺(tái)、墩身、現(xiàn)澆梁等高性能混凝土協(xié)作比室內(nèi)設(shè)計(jì)