高性能混凝土配合比设计

刘保坤

(石家庄市公路桥梁建设集团第五工程处)

1 混凝土的控制指标

混凝土的收缩是造成箱梁早期开裂的主要原因。若混凝土中水泥含量过大，使得混凝土收缩变形大，当这种变形受到约束时将在混凝土内产生拉应力。拉应力超过了混凝土抗拉强度就会导致混凝土的开裂。因此，配制高强度、低收缩的混凝土是防治箱梁收缩裂缝的关键。

主桥采用C60高强混凝土。为满足强度、工作性和收缩量小的要求，配制混凝土时其控制指标如下。

(1)通过现场观测和调查，确定施工泵送高度20 m，泵车能够泵送混凝土最小坍落度为150 mm，同时考虑桥梁施工时，坍落度超过230 mm则箱梁承托附近无法成型，因此确定混凝土坍落度范围为180～200 mm。

(2)混凝土拌和至浇筑完成需1 h左右的时间，因此确定混凝土1.5 h经时坍落度损失不大于30 mm，初凝时间不低于2 h，以保证整个浇注过程顺利进行。

(3)连续梁悬臂施工要求3～5 d张拉预应力钢绞线，7～10 d为一工作周期。因此要求混凝土3 d强度达到90%设计强度，7 d强度达到100%设计强度。

(4)要达到尽量少出裂缝或不出裂缝的目标，要求混凝土具有较小的收缩值。为此，应尽量减小凝胶材料的用量，控制混凝土的收缩量。

2 原材料选择

(1)水泥:高标号混凝土所用水泥应为425#及以上水泥，以降低单位水泥用量，减少收缩徐变。设计采用525普通硅酸盐水泥，具体性能指标见表1。

表1 水泥物理性能

(2)骨料:高标号泵送混凝土接近于均质体，破坏时裂缝往往是贯穿粗骨料、水泥砂浆基体，断裂面较平滑。因此应选择优质，表面无杂质、粉尘的反击式碎石，粒径为5～20 mm。细集料的好坏直接影响混凝土拌合物的和易性，应选择干净、含泥少、优质、级配良好的河砂，细度模数为2.6～2.8。所选集料具体性能指标见表2。

(3)粉煤灰:主要起到以下三个作用。①粉煤灰较细能填充集料及水泥之间的空隙，使颗粒级配更合理，达到较佳密实状态，同时需水较少，等量取代水泥，能够降低水灰比。②粉煤灰颗粒形状大多为球状，在集料间起着轴承作用，从而改善混凝土流动性。③有部分活性SiO2、Al2O3在水泥碱性环境下，受到激发，出现胶凝性能。能够提高混凝土强度，降低水化热，坍落度损失小，增长后期强度，起到改性作用。

由于施工现场附近没有I级灰，因此本设计采用II级灰，细度(45μm筛余)15%，烧失量6%。

表2 碎石、砂子的物理性能

(4)硅粉:能够填充水泥颗粒间的孔隙，同时与水化产物生成凝胶体，与碱性材料氧化镁反应生成凝胶体。具有保水、防止离析、泌水、大幅降低混凝土泵送阻力的作用，能够提高混凝土早期强度。

(5)聚羧酸超高效减水剂:可以减小水灰比，提高强度，减少混凝土自身收缩。本设计采用北京奥通JFL-1型聚羧酸高效减水剂，含固量20%，减水20% ～30%。

3 正交试验设计

(1)因素—水平表:根据选用材料的物理性能以及以往的配合比设计方案进行混凝土试拌，确定因素—水平表如表3。

表3 因素-水平表

(2)正交试验:根据水平—因素表确定选用L18(36)正交表，共18组配合比。每组配合比的坍落度及坍落度经时损失都能满足施工要求。将其在标准养生室养护，并测其3 d、7 d、28 d抗压强度及其收缩量。

(3)试验结果分析:对3个强度指标及28 d收缩量指标进行极差分析，得到如下结论。

水胶比是影响混凝土强度的最主要因素，其次为砂率，此两项应优先选择。由此确定水灰比为0.28，砂率为0.34%，减水剂为2.3%。

影响28 d收缩量的因素大小依次为水泥用量、水胶比、减水剂、硅粉、粉煤灰、砂率。水泥用量、硅粉用量及水胶比越大，收缩量越大;粉煤灰及减水剂用量越大则收缩量越小，但粉煤灰用量大影响其早期强度。

水泥、粉煤灰、硅粉三者之和为凝胶料的总量，应综合考虑决定各自用量。本次设计考虑到选用粉煤灰为II级灰，结合实验数据选择15%掺量。由试验分析可知硅粉掺量越多早期强度越大，后期强度越低，同时考虑到硅粉的造价较高，因此硅粉的掺量定为4%。

由于粉煤灰和硅粉选用参量较少，因此水泥用量比数据分析最优用量略多，为420 kg/m3，胶凝材料总量为499.8 kg/m3。最后确定的最优配合比见表6。其3 d、7 d及28 d的强度分别达到了57.5 MPa、69.2 MPa、89.8 MPa，完全满足设计和施工的要求。

表4 最优配合比(1 m3混凝土各组分，单位:kg)

采用最后确定的最优混凝土配合比，对齐泰公路嫩江桥箱梁混凝土进行了浇筑。现场浇筑情况表明，混凝土和易性、粘聚性良好，无离析、泌水现象;混凝土强度及弹性模量稳定;成型后结构表面无浮浆、空洞现象，满足内实外光的设计要求。