高原环境下混凝土配合比优化设计研究

陈红伟，胡玉兵，张云必

(1.青海地方铁路建设投资有限公司，西宁 810000；2.苏交科集团股份有限公司,在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，南京 211112)



高原环境下混凝土配合比优化设计研究

陈红伟1，胡玉兵2，张云必2

(1.青海地方铁路建设投资有限公司，西宁 810000；2.苏交科集团股份有限公司,在役长大桥梁安全与健康国家重点实验室，南京 211112)

本文针高原环境特征，主要研究水胶比、胶凝材料、粉煤灰掺量、砂率等关键指标对混凝土工作性能、力学性能、抗裂性能和抗冻性能等性能的影响规律。研究结果表明，在高海拔低温大温差环境下，C30混凝土水胶比以0.45左右为宜，C40混凝土以0.40左右为宜，而C50则以0.34左右为宜；C30混凝土胶凝材料控制在380 kg/m3以内，C40控制在420 kg/m3以内，C50不超过500 kg/m3；C50混凝土砂率而言，建议选择0.39左右；在选择合适的养生制度和质量稳定的粉煤灰前提条件下，建议在混凝土中掺入适量粉煤灰，掺量建议控制在15%以内。

低温大温差； 配合比设计； 抗裂性能； 抗冻性能

1 引 言

青海省属于青藏高原，自然有着青藏高原地区典型的气候环境特征。青海省为典型的高原大陆性气候，以四季不分明、低温多变、干燥多风、蒸发量大、日照长、辐射强为其特点。全省年平均气温在-4 ～8 ℃之间，1月份平均气温为-8～-18 ℃(华北平原1月平均气温高于-8 ℃)，而且持续时间长。青海省气温的年较差为20～30 ℃，比东部沿海平原地区高出一倍以上。最大日较差可达25～34 ℃。低温大温差环境使得混凝土材料的耐久性和使用寿命大大降低。近年来我国西部的建设力度不断加大，大量的公路桥梁在建设之中，为保证桥梁工程的安全性，混凝土质量的重要性不言而喻。

低温大温差环境下混凝土的性能要求主要体现在混凝土强度、抗裂性、抗冻性等方面，其中混凝土配合比是确保混凝土质量和耐久性最关键的环节。目前国内外专家学者也做了相关研究工作，取得大量有价值的成果，但现有研究成果中混凝土配合比关键指标的选择及其控制要求不够明确。因此，根据低温大温差环境下混凝土性能要求，开展混凝土配合比优化设计研究有着极其重要的意义，对环境类似工程有着重要的指导性。

本文结合青海地区低温大温差环境下混凝土实际情况，主要研究水胶比(0.31～0.48)、胶凝材料(350～530 kg/m3)、粉煤灰掺量(0～30%)、砂率(36%～42%)等关键指标对混凝土工作性能、力学性能、抗裂性能和抗冻性能等性能的影响。

2 试 验

2.1 工作性能

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2002)进行混凝土工作性试验。坍落度是利用坍落度筒进行测试，并观察混凝土黏聚性和保水性。

2.2 力学性能

按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)进行混凝土力学性能试验。

2.3 抗裂性能

采用平板开裂试验方法评价混凝土(或砂浆)早期塑性开裂性能，根据建材行业标准《水泥砂浆抗裂性能试验方法》(JC/T 951-2005)进行试验。采用抗裂指数和裂缝开裂总面积两个试验结果评估混凝土抗裂性能。

(1)开裂指数

开裂指数以 mm计，按下式计算:

W=∑(Ai×li)

式中：W-开裂指数，单位毫米(mm)；Ai-权重值；li-裂缝长度。

(2)裂缝开裂总面积

裂缝开裂总面积以mm2计，按下式计算：

Acr=∑(ωi×li)

式中：Acr-开裂面积，单位平方毫米(mm2)；wi-裂缝宽度；li-裂缝长度。

2.4 抗冻性能

根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗冻性能试验研究，采用快冻法，用混凝土试件冻融循环300次后相对动弹性模量来表征混凝土抗冻性能。

3 结果与讨论

3.1 水胶比对混凝土性能的影响

主要试验研究了0.48、0.45、0.40、0.37和0.34不同水胶比对混凝土性能的影响。

(1)水胶比对工作性能的影响

不同水胶比混凝土的坍落度如图1所示。由图可看出，各组混凝土坍落度均大于170 mm以上，可见不同强度等级混凝土的工作性能均满足施工要求。另外，从图中还可看出，混凝土坍落度随着水胶比的增加而有所增加，这主要是混凝土中自由水的增加而使得混凝土流动性能增加。

(2)水胶比对力学性能的影响

水胶比对混凝土力学性能的影响如图2所示，由图还可看出，在相同龄期条件下，混凝土抗压强度随着水胶比的增加而降低，这主要是由于水胶比增加会增加硬化后混凝土的孔隙率，从而降低混凝土密实性，从而混凝土强度呈现下降的规律。其中C30混凝土水灰比以0.45左右为宜，C40混凝土以0.40左右为宜，而C50则以0.34左右为宜。

图1 水胶比对混凝土工作性能的影响 Fig.1 Effect of water-cement ratio on the concrete work performance

图2 水胶比对混凝土力学性能的影响Fig.2 Effect of water-cement ratio on the mechanical properties of concrete

(3)水胶比对抗裂性能的影响

水胶比对混凝土抗裂性能的影响如图3所示。从图可看出，开裂指数和开裂面积这两种评价指标有很好的相关性，开裂指数和开裂面积均随着水灰比的增加而增加，即混凝土的抗裂性随着水胶比的增加而呈现降低的趋势。另外，由图还可看出，随着水灰比的减小，开裂指数和开裂面积评价指标降低幅度减小。

图3 水胶比对混凝土抗裂性能的影响Fig.3 Effect of water-cement ratio on the crack resistance of concrete

(4)水胶比对抗冻性能的影响

采用不同水胶比的混凝土经300次冻融循环后，各相对动弹性模量如图4所示。由图可知，随着水胶比的增加，混凝土冻融循环后相对动弹性模量呈现显著降低趋势，这是由于水胶比的增加降低混凝土密实性，从而有更多自由水进入混凝土内部，从而在冻融循环下，随着自由水的结晶膨胀，使得混凝土在反复的膨胀应力作用而劣化。因此，在青藏高原地区，经常与水接触的结构需采用低水胶比的混凝土。

图4 水胶比对混凝土抗冻性能的影响 Fig.4 Effect of water-cement ratio on concrete frost resistance

图5 胶凝材料用量对混凝土抗压强度的影响Fig.5 Effect of cementitious material consumption on compressive strength of concrete

3.2 胶凝材料用量对混凝土性能的影响

使用粉煤灰作为矿物掺和料，粉煤灰等量取代20%水泥，控制水胶比为0.34固定不变，通过胶凝材料用量从350～500 kg/m3变化对混凝土性能的影响。

(1)胶凝材料用量对混凝土力学性能影响

胶凝材料用量对混凝土力学性能影响如图5所示，随着养护龄期增加，水化程度逐渐加大，不同胶凝材料用量混凝土抗压强度逐渐增加，相同养护龄期里随着单方混凝土胶凝材料总用量增加混凝土抗压强度减少。

(2)胶凝材料用量对混凝土抗裂性能影响

胶凝材料用量对混凝土抗裂性能影响如图6所示。由图可知，从开裂指数和开裂面积两个评价指标都可以，明显看出，当胶凝材料为460 kg/m3时，混凝土抗裂性能最佳，这主要是由于胶凝材料用量增加时，一方面混凝土中自由水量减少，这对混凝土抗裂性能是正效应；另一方面，胶凝材料增加混凝土材料化学收缩，这对混凝土抗裂性能是负效应，两方面综合下就出现最佳胶凝材料用量。因此，对于C50混凝土胶凝材料用量最好控制在500 kg/m3以内，可降低混凝土早期开裂的风险。

图6 胶凝材料用量对混凝土抗裂性能的影响Fig.6 Effect of cementitious material consumption on crack resistance of concrete

(3)胶凝材料用量对混凝土抗冻性能影响

图7 胶凝材料用量对混凝土抗冻性能的影响Fig.7 Effect of cementitious material consumption on concrete frost resistance

胶凝材料用量对混凝土抗冻性能影响如图7所示。从图可明显看出，随着胶凝材料用量的降低，混凝土经300次冻融循环后相对动弹性模量降低，当胶凝材料用量分别为500 kg/m3、460 kg/m3、400 kg/m3和350 kg/m3时，相对动弹性模量分别为95%、92%、86%和82%，即随着胶凝材料用量的增加，混凝土抗冻性增加。这主要是胶凝材料水化后形成水化产物对混凝土填充密实作用的结果。

综合胶凝材料用量对混凝土性能的影响的研究，从胶凝材料用量来看，在设计混凝土配合比时严格按照高性能混凝土的设计方法进行，严格控制水胶比以及胶凝材料用量，C30强度等级混凝土胶凝材料控制在380 kg/m3以内，C40强度等级混凝土胶凝材料控制在420 kg/m3以内，而C50混凝土胶凝材料用量则不超过500 kg/m3。

3.3 粉煤灰对混凝土性能的影响

(1)粉煤灰掺量对混凝土抗裂性能的影响

为了粉煤灰掺量对混凝土抗裂性能的影响，本试验选择水胶比为0.33，粉煤灰掺量分别为0%、10%、15%和30%。具体配合比如表1所示，其中33KB、33F10、33F15和33F20分别表示粉煤灰掺量分别为0%、10%、15%和30%，33F10S10表示粉煤灰和磨细矿渣各取代10%进行复掺。

不同粉煤灰掺量对混凝土抗裂性能的影响如图8所示。粉煤灰和磨细矿渣掺入后，能大幅提高混凝土的抗裂性能，但是随着粉煤灰掺量进一步增加，从15%增加到20%时，对混凝土抗裂性能的提升效果不明显。

表1 粉煤灰对混凝土抗裂性能的影响配合比Tab.1 Effect mix proportion of fly ash on crack resistance of concrete

图8 粉煤灰对混凝土抗裂性能的影响 Fig.8 Effect of fly ash on crack resistance of concrete

图9 粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响Fig.9 Effect of fly ash on frost resistance of concrete

(2)粉煤灰掺量对混凝土抗冻性能的影响

混凝土抗冻性能进行试验研究结果如图9所示。从图可见，混凝土经300次冻融循环后，相对动弹性模量随着粉煤灰掺量的增加呈现先增加后减小的趋势，其中粉煤灰掺量为15%最佳。这是由于粉煤灰掺量小于15%时，粉煤灰掺量的增加在二次水化的作用下，使得混凝土密实性增加；当粉煤灰掺量大于15%时，由于胶凝材料中水泥用量减少，混凝土早期水化产物减小，使得混凝土孔隙率增加，从而降低混凝土的抗冻性。因此，在温度低、气候干燥的高原地区，考虑到混凝土早期强度有效发展，再结合考虑粉煤灰对混凝土抗裂和抗冻性能的影响规律，在选择合适的养生制度和质量稳定的粉煤灰前提下，建议C50等级混凝土中粉煤灰掺量为15%左右。

3.4 砂率对混凝土性能的影响

表2 C50混凝土配合比Tab.2 C50 concrete mix

针对C50强度等级混凝土，固定水胶比为0.35，考虑采用33%、36%、39%和42%研究砂率对混凝土性能的影响。具体配合比如表2所示。

图10 砂率对混凝土抗压强度的影响 Fig.10 Effect of sand ratio on compressive strength of concrete

(1)砂率对混凝土工作性能和力学性能的影响

砂率对混凝土工作性能见表2所示，砂率对混凝土力学性能的影响如图10所示。由表2可见，随砂率增大混凝土拌合物坍落度减少，混凝土拌和物和易性变好。随着养护龄期增加，不同砂率用量混凝土抗压强度增加，相同养护龄期里随着砂率增大混凝土抗压强度先增大后减小变化趋势，存在一个最佳砂率值。

(2)砂率对混凝土抗裂性能的影响

砂率对混凝土抗裂性能的影响如图11所示。由图可见，开裂指数和开裂面积两个抗裂评价指标均随着砂率增加呈现先降低后增加趋势，其中砂率为0.39最佳。存在一个最佳砂率使混凝土抗裂性能最优。

图11 砂率对混凝土抗裂性能的影响 Fig.11 Effect of sand ratio on cracking resistance of concrete

(3)砂率对混凝土抗冻性能的影响

图12 砂率对混凝土抗冻性能的影响Fig.12 Effect of sand ratio on frost resistance of concrete

砂率对混凝土抗冻性能的影响如图12所示。由图可明显看出，混凝土相对动弹性模量随着砂率增加出现先增加后降低的趋势，当砂率为0.39时，混凝土经300次冻融循环后相对动弹性模量最大，即抗冻性能最佳。

综合砂率对混凝土工作性能、力学性能、抗裂性能和抗冻性能的影响规律的试验研究分析，砂率过小或过大对混凝土性能均有不利的影响，存在最佳砂率。因此，在混凝土配合比设计时，要能够选择最佳砂率。对低温大温差环境下C50混凝土砂率而言，建议选择0.39左右，若采用粗砂，则砂率可取到0.41，若采用细砂，则砂率不宜超过0.40。

4 结 论

针对高海拔低温大温差的环境特征，混凝土配合比的关键参数选择如下：

(1)C30混凝土水胶比以0.45左右为宜，C40混凝土以0.40左右为宜，而C50则以0.34左右为宜；

(2)C30强度等级混凝土胶凝材料控制在380 kg/m3以内，C40强度等级混凝土胶凝材料控制在420 kg/m3以内，而C50混凝土胶凝材料用量则不超过500 kg/m3；

(3)C50混凝土砂率而言，建议选择0.39左右，若工程中采用粗砂，则砂率可取到0.41，若采用细砂，则砂率不宜超过0.40；

(4)在高海拔低温大温差环境下，在选择合适的养生制度和质量稳定的粉煤灰前提条件下，建议在混凝土中掺入适量粉煤灰，掺量建议控制在15%以内。

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Mixture Optimization Design of Concrete in the Environment of Plateau

CHENHong-wei1,HUYu-bing2,ZHANGYun-bi2

(1.Local Railway Construction Investment Co.,Ltd.,Xining 810000,China;2.State Key Laboratory of In-service Bridge Safety and Health Grew,Su Post Branch Group Co.,Ltd.,Nanjing 211112,China)

The influence of key indicators of concrete mixture design that includes water-binder ratio, binder content, fly ash content and sand ratio to properties of concrete in the environment of plateau. The results show that the water-binder ratio of C30 concrete was 0.45 in the environment of low temperature and large temperature difference, while the water-binder ratios of C40 and C50 concrete were 0.40 and 0.34 respectively. The binder contents of C30, C40 and C50 concrete were controlled in 380, 420 and 500 kg/m3respectively. The sand ratio of C50 concrete was controlled in 0.39. The content of fly ash was controlled 15% of binder, when appropriate curing condition and fly ash with stable quality were selected.

low temperature and large temperature difference；mixture design；crack resistance；frost resistance

陈红伟(1976-)，男，高级工程师.主要从事工程地质与水文地质方面的研究.

胡玉兵，研究生，助理工程师.

TU528

A

1001-1625(2016)08-2681-07