严寒地区C50混凝土配合比设计及施工质量控制的研究

万惠文，董群喜，王 银，戴 鹏

（武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070）

严寒地区C50混凝土配合比设计及施工质量控制的研究

万惠文，董群喜，王 银，戴 鹏

（武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070）

结合内蒙古二连浩特疏港互通立交桥实际工程，根据当地气候特点，利用当地原材料，在实验室采用正交实验方案进行大量试验。结果表明，采用P·O52.5R水泥及当地粗细集料所配制C50混凝土的28d抗压强度可达63.9MPa，且新拌混凝土性能满足施工要求，硬化混凝土抗冻性达到F250以上。此外，文章还讨论了严寒地区高强混凝土的施工质量控制措施。

配合比设计； 正交试验； 质量控制

我国幅员辽阔，地理环境错综复杂，在严寒地区工程建设中对混凝土的性能要求较高。混凝土的抗冻耐久性设计是严寒地区混凝土配合比设计的关键。近些年人们从混凝土的破坏机理和提高其耐久性对高强度、高抗冻混凝土的性能及其配制过程的技术参数进行了研究和探讨，提供了许多宝贵资料。但混凝土结构耐久性设计的科学基础、理论背景和设计方法仍将是今后研制高强度高耐久性混凝土的支持与依靠［1］。

内蒙古属于我国北部严寒和风沙较大的地区，研究高强混凝土的性能和工程应用对该地区交通基础建设和经济发展有重要的意义。结合内蒙古二连浩特疏港互通立交工程及环境特点，开展了C50箱梁混凝土配合比设计和影响混凝土性能的施工因素的试验研究，并成功配制适用于该工程的箱梁混凝土，对类似严寒地区混凝土工程建设具有参考意义。

1 工程背景及混凝土性能要求

二连浩特南互通立交桥位于二连浩特疏港公路与二广公路相交处，为该地区在建的第一座桥梁工程。立交桥预制主梁、端横梁、中横梁、桥面现浇层等上部结构均采用C50混凝土。由于该地区资源缺乏，荒漠化严重，气候环境恶劣，春秋季节风沙较大，夏季短暂炎热，冬季漫长寒冷，最低气温可达－46.2℃，年平均气温3.4℃左右，每年正常施工时间为5～9月份，因此对混凝土配合比设计和高抗冻耐久性要求较高。结合工程施工技术与具体规范要求，根据当地气候特点和原材料资源状况，C50箱梁混凝土设计的技术指标如表1所示。

表1 混凝土性能要求

其中混凝土试配强度的计算公式为

式中：fcu，o为混凝土的试配强度，MPa；fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，MPa；σ为混凝土强度标准差，取6MPa。

2 原材料选择及技术指标要求

2.1 水泥

水泥是混凝土的重要胶凝组成材料，它直接影响混凝土的强度、温度徐变和干缩等性能。本地区内可供选用的水泥有唐山市冀东水泥有限责任公司生产的P·O52.5R水泥和内蒙古冀东水泥有限责任公司生产的P·O52.5水泥。在实验室分别采用以上两种水泥进行混凝土试配，结果发现，采用P·O52.5水泥配制的混凝土早期强度偏低，而且28d抗压强度一直在56～58MPa范围内，无法满足当地施工要求。另外，由于当地没有矿物掺合料，在混凝土组成材料中没有掺粉煤灰、矿渣粉、硅灰等材料，因此混凝土后期抗压强度增长缓慢甚至没有增长。经反复试配，决定采用唐山市冀东水泥有限责任公司生产的P·O52.5R水泥。该水泥的物理性能技术指标如表2所示。

表2 P·O52.5R水泥物理性能技术指标

2.2 粗集料

由于混凝土的试配强度较高，粗集料应选取质地坚硬、洁净、级配较好的碎石。碎石级配对混凝土的和易性和强度有很大影响［2］，箱梁端部钢筋分布较密，碎石粒径较大不利于混凝土浇筑与振捣，该箱梁混凝土采用公称最大粒径不超过20mm的二级配碎石，其中4.75～9.5mm 占40%，9.5～19mm占60%。试验选用二连浩特市赵永明碎石场碎石，其主要技术指标如表3所示。

表3 碎石技术指标

2.3 细集料

细集料优先选用级配良好的河砂或江砂，河砂和江砂相对比较干净，含泥量小，且砂中石英颗粒含量较多，质地较为坚硬。试验采用细度模数为2.80的二连浩特市查干沙场生产的河砂，经检测，该河砂的各项指标均满足规范要求，其筛分级配图如图1所示。

2.4 外加剂

外加剂采用郑州冠达建筑材料有限公司生产的GD－聚羧酸引气减水剂，液态，固含量27.0%，减水率28.0%，含气量达2.8%，对胶凝材料掺量为1.4%，其它技术指标符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》规范要求。

2.5 水

试验中所用水为二连浩特市当地饮用水。

3 混凝土配合比优化设计

3.1 正交试验表设计

在混凝土配合比设计试验中采用正交试验设计法。由于正交表设计的试验具有很强的代表性，各试验方案对比明显，对试验结果进行统计分析，能够快速的选取有代表性的试验方案［3］。通过分析，本试验方案中选取三因素三水平进行正交表设计。其因素水平表如表4示。

该试验是一个三水平试验，选用正交表L9（33）较合适。将各因素水平按正交表组合后的试验方案如表5所示。

表4 正交试验因素水平表

表5 正交试验方案表

3.2 正交试验结果及其分析

混凝土试拌时采用60L强制式混凝土搅拌机进行拌合，搅拌时间共为3min。按规范要求对新拌混凝土进行坍落度和含气量测定，其中含气量使用直读式含气量测定仪测定。然后将混凝土装模放入标准养护室进行养护，测定其7d、28d的抗压强度。上述正交试验组合的新拌混凝土的测试结果如表6所示。

表6 正交试验测试结果

从表中可以看出，7＃、9＃配合比试验中混凝土测试结果较为接近理想状况，对两组配合比进行优化设计，把两组配合比的水灰比、砂率进行微调，然后对调整后的混凝土配合比进行试拌、性能测试，最终得到各项性能均满足规范和施工要求的C50混凝土的配合比如表7所示，新拌和硬化混凝土的性能检测数据如图8所示。

表7 施工混凝土配合比

表8 新拌及硬化混凝土性能

4 混凝土施工质量控制

混凝土的质量与施工工艺和技术有很大关系，仅有好的配合比设计是远远不够的，在施工过程中需加强混凝土原材料质量及施工工艺和技术控制。结合桥梁实际工程，混凝土施工中注意以下几点：

1）混凝土所用原材料的质量要经严格检测，各项指标需符合规范要求。

2）混凝土拌合楼需经过计量检定，降低原材料的称量误差。

3）在箱梁混凝土浇筑期间，该地区白天气温较高、风沙较大，新拌混凝土坍落度损失较大，不利于浇筑和振捣，因此混凝土的浇筑时间选择在晚间进行，降低其入模温度。

4）箱梁浇筑时采用逐步推进法依次灌注底板、腹板、翼缘板、顶板，用插入式振捣棒进行捣固［4］，为使底板混凝土密实人工进入箱室内进行振捣、抹面。

5）混凝土在浇筑中，确保混凝土无离析现象发生，振捣到位，避免出现过振和漏振现象。

6）梁体混凝土浇筑完以后对顶板混凝土表面进行二次赶光、抹面，当混凝土快达到终凝时，表面先覆盖一层湿麻袋，然后用特制棉被对箱梁进行完全覆盖养生，同时注意定时洒水，使棉被内外处于润湿状态。

7）箱梁拆模以后，腹板表面粘贴一层塑料薄膜，防止腹板混凝土水分蒸发而出现干缩裂纹，白天温度较高时使用空压机向箱室内鼓风以及在箱室内蓄水，降低混凝土的温度应力避免温度集中［5］。

5 结 论

a.配制严寒地区C50混凝土，根据当地实际情况和施工性能要求，选用P·O52.5R水泥，质地坚硬、洁净、级配较好的集料和具有引气效果的聚羧酸高效减水剂。

b.混凝土施工配合比中，水泥用量493kg／m3，水灰比0.32，砂率0.35，减水剂掺量1.4%，该配合比能够满足新拌混凝土施工性能及硬化混凝土力学性能。

c.根据实际施工环境，混凝土浇筑完成后应采取必要养护措施，加强防风、保湿等系列控制措施。

［1］杜天玲，孟云芳，王治虎.提高混凝土抗冻耐久性技术的研究综述［J］.宁夏农学院学报，2002，23（2）：80－83.

［2］徐 琦.水泥混凝土中集料级配的试验研究［J］.公路工程与运输，2005，12：120－122.

［3］吴 翊，李永乐，胡庆军.应用数理统计［M］.长沙：国防科技大学出版社，2005.

［4］吴 衔.高寒干旱地区钢筋混凝土简支箱梁翼板裂缝病害分析与防治［J］.科学技术与工程，2010，10（24）：60844－6087.

［5］Young Hoon Parka，Cheolwoo Parkb，Yong Gul Parke.The Behavior of an In－service Plategirder Bridge Strengthened with External Prestressing Tendons［J］.International Journal of Engineering Structures，2005，10（6）：379－386.

Study on the Mixture Ratio Design and Quality Control of C50 Concrete in Cold Region

WAN Hui－wen，DONG Qun－xi，WANG Yin，DAI Peng
（State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecturres，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

A large number of tests have done in the laboratory，combining with the Erenhot port interchange overpass project in Mongolia，according to the local climate characteristic and using local raw materials.The results show that，with P·O52.5Rcement and local aggregates the C50concrete’s compressive strength of 28dcan reach 63.9 MPa.The fresh concrete performance can meet the construction requirements and hardened concrete frost resistance reach more than F250.In addition，the paper also discusses the quality control measures of high－strength concrete in cold regions.

mixture ratio design； orthogonal test； qualitycontrol

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.004

2013－12－26.

万惠文（1963－），博士，教授.E－mail：wanhw＠whut.edu.cn