高原冻土地区桩基混凝土配合比设计研究

胡佐平，胡永梅

(1.湖州市交通规划设计院，湖州　313000；2.湖州市交通工程质量安全监督站，湖州　313001)



高原冻土地区桩基混凝土配合比设计研究

胡佐平1，胡永梅2

(1.湖州市交通规划设计院，湖州313000；2.湖州市交通工程质量安全监督站，湖州313001)

本文主要研究了水胶比、胶凝材料用量、矿物掺合料种类和掺量等配合比关键参数对C30桩基混凝土抗压强度和抗冻性能的影响规律。研究表明，低温环境下桩基混凝土的抗压强度和抗冻性能均随着水胶比的增加而显著降低；桩基混凝土抗压强度和抗冻性能均随着胶凝材料用量的降低而降低；低温环境下“FA10-SF10”组混凝土抗压强度和抗冻性能均最佳；高原冻土地区C30桩基混凝土配合比设计中建议水胶比不大于0.45，胶凝材料用量不低于380kg/m3,建议采用10%粉煤灰和5%硅灰复掺。

冻土地区； 桩基混凝土； 低温环境； 配合比设计； 矿物掺合料

1　引　言

对处于高原冻土地区的桩基混凝土工程来说，低温是混凝土工程不可避免面对的环境因素，在低温冻土环境中桩基混凝土强度往往发展缓慢，同时，桩基混凝土水化热对冻土热稳定性的产生不利影响[1-3]。国内外研究表明，高原冻土区常见的桩基工程病害为融沉和冻胀[4,5]，因此，如何保证在较低温度下混凝土强度能达到设计要求对于冻土地区桥梁结构的安全是非常重要的。

国内外大量的研究表明[6-8]，高原冻土地区桩基混凝土配合比设计主要面临三大关键技术问题亟待解决：一是如何在低温环境下保证混凝土强度的增长，尽早达到混凝土抗冻的临界强度；二是如何减少混凝土水化热对冻土温度场的扰动，保证桩基周围冻土尽早回冻，形成桩基承载力；三是混凝土配合比设计时应尽可能提高混凝土耐久性的要求，尤其是抗冻性能，以满足工程耐久性要求。因此，针对高原冻土地区桩基混凝土性能的特殊要求，开展混凝土配合比设计研究工作具有重要的意义。

本文针对高原冻土地区C30桩基混凝土强度性能和抗冻性能的要求，采用室内模拟低温养护环境，系统研究了低温条件下水胶比、胶凝材料用量、矿物掺合料等配合比关键参数对桩基混凝土的抗压强度和抗冻性能的影响规律，并对高原冻土地区C30桩基混凝土配合比关键参数设计提出相应要求和建议。

2　试　验

2.1原材料

水泥：采用普通硅酸盐水泥P·O42.5；粉煤灰(FA)：I级粉煤灰；硅灰(SF)：埃肯公司生产的硅灰；细集料：选择级配良好的中砂；粗集料：选择5～31.5mm连续级配的碎石；外加剂：聚羧酸系高效减水剂；早强剂：复配早强剂。

2.2试验方案

根据在实际工程应用中桩基混凝土设计强度等级为C30，坍落度为(180±20)mm。本文通过室内试验研究桩基混凝土配合比关键指标对混凝土性能的影响，主要研究了水胶比(0.45、0.48和0.50)、胶凝材料用量(320、350和380)、矿物掺合料(考虑掺入粉煤灰和硅灰)等关键参数对桩基混凝土力学性能和抗冻性能的影响。其中矿物掺合料考虑粉煤灰的优势在于降低水化热的同时，提高混凝土密实性，增加混凝土耐久性能；硅灰的优势在于对混凝土早期强度的发展有着显著的促进作用，本文主要研究粉煤灰和硅灰复掺情况下混凝土的性能。

具体配合比如表1所示，其中减水剂掺量为胶凝材料用量的0.5%，早强剂掺量为胶凝材料总量的10%，表中“WB-0.45”表示水胶比为0.45，“B-320”表示胶凝材料为320，“FA10-SF10”表示粉煤灰等量取代10%的水泥、硅灰等量取代10%水泥，以此类推。

表1　桩基混凝土配合比

2.3试验方法

为模拟高原冻土地区桩基混凝土的环境特征，本研究采用低温方式进行混凝土试件养护，具体为混凝土试件成型后在标准养护条件下预养4h，再放入冰冻箱内，在(-2±2) ℃条件下用薄膜覆盖混凝土表面养护至相应龄期，进行力学性能和抗冻性能试验。

桩基混凝土力学性能主要是测试不同龄期(3d、7d、14d、28d、56d)下混凝土的抗压强度，具体按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)。

桩基混凝土抗冻性能主要采用快冻法进行试验研究，具体按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)，其中采用经150次冻融循环后相对动弹模量指标评价桩基混凝土抗冻性能。

3　结果与讨论

3.1水胶比的影响

(1)水胶比对抗压强度的影响

不同水胶比对不同龄期(3d、7d、14d、28d、56d)下混凝土的抗压强度如图1所示。从试验结果可看出，水胶比为0.45和0.48时，28d强度基本能满足C30混凝土的要求。随着水胶比的增加混凝土的抗压强度随之降低，28d龄期时，当水胶比分别从0.45增加到0.48、0.50时，混凝土抗压强度从35.1MPa分别降低了8.3%、15.9%。这主要是水胶比的增加，混凝土的孔隙率增加，密实性降低，从而表现为抗压强度降低。从图1还可明显看出，三组混凝土抗压强度均随着养护龄期的增加而增加，早期增长速率大于后期增长速率。

图1　水胶比对抗压强度的影响Fig.1　Effect of water binder ratio on compressive strength

图2　水胶比对抗冻性能的影响Fig.2　Effect of water binder ratio on freezing resistance

(2)水胶比对抗冻性能的影响

不同水胶比的桩基混凝土的抗冻性能试验结果如图2所示。从试验结果可以看出，相对动弹性模量随着水胶比的增加而显著降低，当水胶比从0.45增加到0.48、0.50时，相对动弹性模量分别从85%下降到72%、65%。这主要是由于较大水胶比的混凝土孔隙率较大而且孔径较大，这会显著降低混凝土的抗冻性能。

通过水胶比对抗压强度和抗冻性能的影响规律研究，对于高原冻土地区C30桩基混凝土水胶比而言，为保证其较好的强度性能和抗冻性能，建议其水胶比不大于0.45。

3.2胶凝材料用量的影响

(1)胶凝材料对抗压强度的影响

不同胶凝材料对不同龄期(3d、7d、14d、28d、56d)下混凝土的抗压强度如图3所示。从结果可看出，胶凝材料为380kg时，28d抗压强度满足C30混凝土力学要求，胶凝材料为350kg时，28d抗压强度刚刚达到30MPa，然而胶凝材料320kg，28d抗压强度不达到C30。

从图3中还可明显看出，在相同龄期的条件下，混凝土抗压强度随着胶凝材料用量的减小而减小，而且随着龄期的增加，之间的差别越大。对于56d抗压强度来说，当胶凝材料从380kg分别降低到350kg、320kg时，抗压强度从39.8MPa分别降低了19.3%、26.1%，这主要由于胶凝材料用量降低时，混凝土中水化产物减少，从而导致密实度下降的原因。

(2)胶凝材料对抗冻性能的影响

不同胶凝材料混凝土的抗冻性能，试验结果如图4所示。从图4可看出，混凝土相对动弹性模量随着胶凝材料的降低而降低，即胶凝材料用量降低，混凝土抗冻性能也明显降低。这主要是胶凝材料降低使得混凝土密实性降低。

根据胶凝材料用量对抗压强度和抗冻性能的影响规律，在高原冻土地区C30桩基混凝土配合比中胶凝材料用量参数的选择时，建议其不低于380kg/m3。

图3　胶凝材料对抗压强度的影响Fig.3　Effect of binder content on compressive strength

图4　胶凝材料对抗冻性能的影响Fig.4　Effect of binder content on freezing resistance

3.3矿物掺合料的影响

(1)矿物掺合料对抗压强度的影响

矿物掺合料掺量对混凝土抗压强度的影响如图5所示。从试验结果可看出，除了“FA20-SF5”组，其余各组混凝土28d抗压强度均能满足C30混凝土强度要求，其中“FA10-SF10”组混凝土抗压强度最佳，为38.2MPa。

对比相同粉煤灰掺量不同硅灰掺量的混凝土抗压强度可看出，硅灰的掺入对于混凝土早期强度的发展具有显著地促进作用，对混凝土后期的强度也有一定的提高。在粉煤灰掺量为10%时，硅灰从5%增加到10%时，混凝土56d抗压强度增加了5%，在粉煤灰掺量为20%时，硅灰从5%增加到10%时，混凝土56d抗压强度增加了20.9%。这是因为硅灰非常大的比表面积，能够很好的与水接触并主要参与胶结料的早期水化，这也是提高混凝土早期强度的一个重要的手段。

另外，对比相同硅灰掺量不同粉煤灰掺量的混凝土抗压强度可看出，混凝土的强度随着粉煤灰掺量的增加而显著降低，在硅灰掺量为10%时，粉煤灰从10%增加到20%时，混凝土56d抗压强度降低了10.7%，在硅灰掺量为5%时，粉煤灰从10%增加到20%时，混凝土56d抗压强度降低了22.5%。

图5　矿物掺合料对抗压强度的影响Fig.5　Effect of mineral admixture on compressive strength

图6　矿物掺合料对抗冻性能的影响Fig.6　Effect of mineral admixture on freezing resistance

(2)矿物掺合料对抗冻性能的影响

矿物掺合料对混凝土抗冻性能的影响试验结果如图6所示。从图可看出，各组混凝土抗冻性能和抗压强度表现出来的规律是一致的，其中“FA10-SF10”组混凝土抗冻性能最佳，150次冻融循环后相对动弹性模量为92%，“FA20-SF5”组混凝土抗冻性能最差，150次冻融循环后相对动弹性模量仅有58%，比不掺矿物掺合料的基准组抗冻性还要差很多。

通过研究矿物掺合料对混凝土抗压强度和抗冻性能的影响规律，对高原冻土地区C30桩基混凝土来说，建议采用粉煤灰和硅灰复掺，同时发挥粉煤灰和硅灰优势，实现两种不同矿物掺合料的优势互补。同时考虑硅灰的掺入对混凝土流动性能有显著地降低作用以及对早期水化放热的增加作用，建议采用10%粉煤灰和5%硅灰复掺。

4　结　论

(1)低温环境下混凝土的抗压强度和抗冻性能均随着水胶比的增加而降低；混凝土抗压强度随着胶凝材料用量的减小而减小，且龄期越大，差别越大；胶凝材料用量降低，混凝土抗冻性能也明显降低；

(2)低温环境下“FA10-SF10”组混凝土抗压强度和抗冻性能均最佳；硅灰的掺入对于混凝土早期强度的发展和抗冻性具有显著地促进作用；粉煤灰掺量的增加而显著降低混凝土强度和抗冻性能；

(3)高原冻土地区C30桩基混凝土配合比设计中建议水胶比不大于0.45，胶凝材料用量不低于380kg/m3；为提升桩基混凝土耐久性能，建议采用10%粉煤灰和5%硅灰复掺。

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MixProportionDesignofPileFoundationConcreteinPlateauFrozenSoilRegion

HU Zuo-ping1,HU Yong-mei2

(1.HuzhouTrafficPlanDesignInstitute,Huzhou313000,China;2.HuzhouCityTrafficEngineeringQualityandSafetySupervisionStation,Huzhou313001,China)

Theeffectsofconcretemixkeyparametersoncompressivestrengthandfreezingresistanceofpilefoundationconcretewerestudiedinthispaper.Theconcretemixkeyparametersincludedwater-binderratio,bindercontent,mineraladmixturetypeandcontent.Theresultsshowthatthecompressivestrengthandfreezingresistanceofpilefoundationconcretearesignificantlydecreasedwiththeincreaseofwater-binderratiounderlowtemperatureenvironment.Thecompressivestrengthandfreezingresistanceofpilefoundationconcretearedecreasedwiththedecreaseofbindercontent.Thecompressivestrengthandfreezingresistanceof"FA10-SF10"concretearebest.InmixproportiondesignofC30pilefoundationconcreteinplateaufrozensoilregion,waterbinderratioshouldnotbegreaterthan0.45,bindercontentshouldnotbelowerthan380kg/m3, 10%flyashand5%silicafumearesuggestedtoreplaceequalcement.

frozensoilregion;pilefoundationconcrete;lowtemperatureenvironment;mixproportiondesign;mineraladmixture

胡佐平(1980-)，男，高工.主要从事路桥设计方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0297-05