冻融环境下混凝土配合比的设计

王晓锋

(中铁十八局勘察设计院　天津300222)



冻融环境下混凝土配合比的设计

王晓锋

(中铁十八局勘察设计院天津300222)

摘要：介绍了大西铁路客运专线土建六标段仁义河特大桥承台在冻融2级环境下，高抗冻混凝土(C35，F300)配合比的设计与试验方法.

关键词：冻融环境；配合比；抗冻试验

0引言

高寒地区结构混凝土耐久性一直是个备受关注的问题，如何更好地保证混凝土质量，降低成本，则是对混凝土配合比设计及外加剂的选用提出了更高的要求.现我国在北方高寒地区施工的基础建设项目，混凝土抗冻性，一直需要更好的研究和完善，对保证混凝土质量的前提下，如何节约降造，保证冬季施工进度，提出了更高的要求.大西铁路客运专线仁义河特大桥起讫里程为DIK434+898.97～DIK435+795.00，孔跨布置为3×32.0 m现浇预应力箱梁+6×(64+64) m预应力砼连T形刚构；全桥共280根桩、14个承台、14个墩、2个桥台.桥台均为双线一字形桥台，桥墩包括圆端形桥墩和矩形空心桥墩两种形式，设计速度250 km/h.

根据大西铁路客运专线仁义河特大桥所在地近50年气象水文资料，当地气候温差较大(最大温差19℃)，寒冷期长达169天(以当日最低气温低于-1℃统计)，每年的日最低气温低于-20℃日多达29天，因大桥部分承台位于仁义河水位变化区，故承台砼设计为冻融2级环境，这对混凝土配合比设计提出了更高的标准.

1混凝土的冻融破坏机理

混凝土是一种多孔性材料，在拌制混凝土时为了得到必要的和易性,加入的拌和水总要多于水泥的水化水，这部分多余的水便以游离水的形式滞留于混凝土中，形成连通的占有一定体积的毛细孔，这种孔隙中的自由水就是导致混凝土遭受冻害的主要原因.吸水饱和的混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要由两部分组成：一是膨胀压力，二是渗透压力.

另外，过冷水迁移渗透的结果必然会使毛细孔中冰的体积不断增大，从而形成更大的膨胀压力，当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土的内部微观结构，在经过反复多次冻融循环后,损坏逐步积累并不断扩大，发展成相互连通的大裂缝，使混凝土的强度逐渐降低，最后混凝土结构由表及里遭受破坏.

2高抗冻混凝土配合比设计

对于有冻融要求的混凝土配合比设计，就是在普通混凝土配合比设计的基础上，把冻融耐久性考虑进去，在我国目前的有关标准规定中，高抗冻混凝土在满足其他普通混凝土设计的基础上，还必须满足以下要求：

(1)高抗冻混凝土必须添加引气剂，含气量控制在5%～6%范围内；

(2)高抗冻混凝土必须提高混凝土的密实性，水灰比不应大于0.55；

其中掺加外加剂的方法是最可靠的方法.具体设计与研究步骤如下：

2.1　合理选择外加剂

对于抗冻要求高的混凝土来说，根据标准要求，必须掺加引气剂和减水剂.混凝土掺入引气剂后，可在混凝土中引入微小气泡，减缓膨胀压力，不仅在表面无冰时减轻大体积冰诱导冰冻的出现，并且在过程中也减轻了冰挤出的损害，消纳更多的毛细孔中冰冻所产生的多余体积，有助于保护混凝土免受损害，从而提高混凝土的抗冻能力；而掺加减水剂不仅能够提高混凝土的和易性，节约水泥，更能降低混凝土的水灰比并使其充分水化，从而可能生产出实际上不包含可冻水的饱和混凝土及不包含毛细水的混凝土，而凝胶材料中空间极微细，结晶的始发十分困难，并不发生冻结，从而也能提高混凝土的抗冻能力.

高抗冻混凝土掺加外加剂有三种方法：(1)引气剂单掺法；(2)引气剂和减水剂双掺法；(3)掺加减水引气复合型外加剂.根据经验，双掺效果好，而掺加复合型外加剂更优于双掺.

本工程主要使用HT聚羧酸高性能减水引气复合型外加剂.外加剂最优掺量要根据混凝土抗冻设计标号及所用原材料情况(骨料为5～31.5 mm碎石、2.6细度模数的中砂、吉岗P·O 42.5普通硅酸盐水泥)，参考产品推荐掺量(水泥用量的1.0%)通过试验确定.

含气量配合比设计及试验结果见表1，外加剂掺量试验设计选取3个配合比进行试配，选取含气量范围在5%～6%，试验结果见表2.

表1含气量配合比设计试验结果

方 案123用水量/(kg·m-3)175170165外加剂掺量/%0.81.01.2水胶比0.390.380.37砂率/%363737坍落度/mm150150150容重/(kg·m-3)238023952400

表2外加剂掺量方案试验结果

掺 量/%0.81.01.2坍落度/mm175160175含气量/%3.95.25.8和易性较好,稍泌水好好

由表1的试验结果可见，适当增加砂率可保证混凝土密实；增加外加剂掺量，既可以减少混凝土用水量，又能保证混凝土的含气量达到所要求的范围，提高混凝土的抗冻性能，同时较好的和易性又能保证混凝土泵送施工

由表2的试验结果可见，外加剂掺量为0.8%时，和易性较好，稍泌水；1.0%掺量时，和易性好，但含气量偏低；1.2%掺量时，和易性好，含气量符合要求.考虑施工时运输、振捣等不可控制因素选择，选用水泥用量的1.2%外加剂掺量最为合适，对混凝土成型后内实外美提供保证.

2.2　配合比设计

一般情况下，掺外加剂混凝土配合比没有特殊要求，可按普通混凝土进行设计，但在减水或节约水泥的情况下，应对砂率、水泥用量、水灰比等作适当调整.其步骤为：

2.2.1计算配制强度

Fcu,o=Fcu，k+1．645φ.

(1)

2.2.2根据保罗米公式计算W/C

fcl，n=ARc(C/W-B).

(2)

由于式(2)是在不掺外加剂和混合材料的情况下推导的，所以此公式算出的W/C，只能用做掺外加剂后计算减水率的参考.根据耐久性要求验证W/C是否满足最大水灰比要求.

2.2.3计算用水量及胶凝材料用量

首先根据粗骨料的最大粒径选择用水量，然后求出水泥用量.由于使用减水剂和引气剂，减水率可达15%～20%，以此算出实际用水量.根据耐久性要求，验证水泥用量是否满足最小水泥用量要求.

2.2.4修正参数

由于使用外加剂，因此砂率和用水量都必须修正.

2.2.5根据假定容重法或体积法求出砂石用量.

2.2.6配合比优化

对于引气混凝土关键是看它的引气效果是否达到要求，在外加剂掺量1.2%的情况下，选取表1的方案3作为基准配合比，水胶比分别增加和减少0.05，用水量相同，砂率分别增加和减少1%，分别设计出3个配合比，见表3.

表3基准配合比及调整配合比

方 案S-001S-002S-003用水量/(kg·m-3)165165165外加剂掺量/%1.21.21.2坍落度/mm150150150水胶比0.420.370.32砂率/%363738

根据表3的设计进行混凝土配比试验，试样的含气量、坍落度、56天强度及冻融试验结果见表4、表5和表6.

表4坍落度、含气量、和易性试验结果

方 案S-001S-002S-003坍落度/mm190175125含气量/%5.95.44.2和易性较好,稍泌水好好

表5抗压强度试验结果 MPa

时间/dS-001S-002S-003312.816.517.9525.733.337.65635.845.951.5

表6冻融试验结果 %

方 案S-001S-002S-003标 准强度损失率23167<25重量损失率3.91.70.6<5

由表4、表5和表6可见，方案S-001含气量、冻融性能均满足要求，但和易性稍差，坍落度偏高，抗压强度值低；方案S-002不仅和易性好，且坍落度、含气量、抗压强度及冻融性能均满足要求；方案S-003和易性较好，但坍落度、含气量偏低，浪费水泥.因此选取方案S-002的配合比作为最佳施工配合比.

2.3　现场施工

2011年10月16日，仁义河特大桥6#墩承台选取方案S-002的配合比进行混凝土(标号C30F300)浇筑，对现场混凝土进行和易性试验及试块留置，并随机各抽检了4组8个点进行质量跟踪.试验及跟踪结果显示，混凝土和易性良好(坍落度满足150～180 mm)，强度(>35MPa)、冻融性能(F300)等方面均满足标准要求，全部合格.可见,采用方案S-002设计的配合比配制的混凝土各项性能均能满足标准要求，而且混凝土和易性完全能够满足施工需要.

值得注意的是，在测量含气量的时候，还需要振捣，以消除气泡，所以为保证配比的真实性，最好不要用测过含气量的混合料再制作抗压试件，以免产生试验误差.

3结语

综合以上试验结果及施工效果分析，配制高抗冻混凝土最有效的方法除了添加减水剂外，还必须掺加引气剂，同时尽可能减少单位混凝土用水量，选取最优砂率，注意避免施工中消泡作用的工艺施工方法(如振捣和静停时间过长等)，以保证发挥引气剂的作用，才能达到提高混凝土抗冻要求及内实外美的效果.

由于选取抗冻配合比的试验比一般普通混凝土试验周期长，故应提前做好试验准备，以保证在开工时得到正确的混凝土配合比，从而保证工程进度及质量.

参考文献:

[1]陈本沛.混凝土结构理论和应用研究的理论与发展[M].大连：大连理工大学出版社,1994.

[2]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[3]中华人民共和国铁道部.TB10005—2010 铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2011.

(责任编辑邓颖)

Design and Research of Concrete Mix Ratio under Freezing-thawing Environment

Wang Xiaofeng

(Survey and Design Institute, China Railway 18th Bureau Group Co., Ltd., Tianjin 300222)

Abstract：The paper introduces a high anti-freezing concrete mixture (C35, F300) and its test method in the construction of the 6th Renyi River bridge pile caps of a railway passenger-dedicated line under the Level 2 freezing and thawing environment.

Key words：freezing-thawing environment; mix ratio; anti-freezing test

中图分类号：U214.1+8

文献标志码：A

文章编号：1008-293X(2015)10-0084-03

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2015.10.18

*收稿日期：2015-08-24

作者简介：王晓锋(1980-)，男，甘肃靖远人，工程师.研究方向：原材料质量检测及混凝土各类试验检测.