铁路工程高性能混凝土配合比设计和施工工艺控制及在蒙华铁路MHTJ—24标公安县制梁场T梁预制中的应用

董建国

摘要：本文阐述了铁路工程高性能混凝土配合比的设计步骤和设计依据及高性能混凝土原材料检验指标及检验方法、高性能混凝土生产质量控制和质量检验，并结合制梁生产，在蒙华铁路MHTJ-24标公安县制梁场配合比设计及制梁生产中进行了应用。

关键词：铁路工程高性能混凝土；配合比设计和施工工艺控制；应用

一、高性能混凝土配合比设计

（—）高性能混凝土配合比设计步骤

1、确定初步理论配合比设计参数

（1）配制强度和标准差

配制强度fcu，0，的确定要依据混凝土强度fcu，k与施工单位混凝土强度差σ，结合目前我国的国家标准规定来确定混凝土强度与标准差的数据。但应注意，根据《高速铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB10752-2018）及《铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB10415-2003）之规定，在进行水下混凝土配合比设计时，其设计强度要达到普通混凝土设计强度的1.15倍：水下混凝土的配制强度按下式确定：

fcu，0≥fcu，k×1.15+1.645σ（1.1-2）

水泥用量不宜小于350kg/m3；当掺用外加剂，掺合料时，水泥用量可减少，但不得小于350kg/m3。根据《预制后张法预应力混凝土铁路桥简支T梁技术条件》（TB/T3043-2005）之规定每立方米混凝土水泥用量不宜小于400kg，混凝土胶凝材料总量不宜大于500kg。

（2）1.2水胶比W/B

①1.2.1按国家现行《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55）中有关混凝土的水胶比计算公式1.2.1.1计算：

W/B﹦αa×f b/（fcu，0+αa×αb×f b）（1.2.1.1）

式中：W/B—混凝土水胶比；

αa、αb—回归系数。采用碎石时分别取0.53、0.20；采用卵石时分别取0.49、0.13

f b：胶凝材料28d胶砂抗压强度（MPa），可实测，且试验方法按现行国家标准《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T17671）执行，当胶凝材料28d胶砂抗压强度值（f b）无实测值时，可按（1.2.1.2）式计算：

f b=γfγs fce（1.2.1.2）

式中：γfγs：粉煤灰影响系数和粒化高炉矿渣粉影响系数。

fce：水泥28d胶砂抗压强度（（MPa），可实测，也可以按下式计算：

fce=γc f ce，g（1.2.1.3）

γc—水泥强度等级值的富余系数，可按实际统计资料确定，当缺乏实际统计资料时，也可按规范取值；

f ce，g—水泥强度等级值（MPa）。

②1.2.2按耐久性设计要求确定。

根据计算所得到的水胶不大于耐久性的要求来确定水胶比的参数，从而可以确定最终的水胶比数值。

（3）1.3每立方米干硬性或塑性混凝土的用水量mw0

①1.3.1当水胶比处于0.4～0.8之间，此时要根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55）来确定相应的技术参数。

②1.3.2当水胶比小于0.4时，结合实际需要来确定流动性、粘聚性与沁水性。

掺和剂加入之后混凝土满足流动性要求的水量数据为：

mw0=m′w0（1-β）

式中mw0—掺外加剂混凝土每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；

m′w0—未掺外加剂混凝土每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；

β—外加剂的减水率（%）。外加剂的减水率应经试验确定。

（4）1.4每立方米混凝土中外加剂用量（ma0）按下式计算：

Ma0= mb0βa

ma0—计算配合比每立方米混凝土中外加劑用量（kg/m3）；

Mb0—计算配合比每立方米混凝土中胶凝材料用量（kg/m3）；

βa—外加剂掺量（%），应经混凝土试验确定。

（5）1.5胶凝材料、矿物掺合料和水泥用量：

①1.5.1 每立方米混凝土的胶凝材料用量（mb0）按下式计算，并进行试拌调整，在拌和物性能满足的情况下，取经济合理的胶凝材料用量。

mb0：计算配合比每立方米混凝土中胶凝材料用量（kg/m3）；

mW0：计算配合比每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；

W/B：水胶比。

②21.5.2每立方米混凝土的矿物掺合料用量（mf0）按下式计算：

mf0= mb0βf

mf0： 算配合比每立方米混凝土中矿物掺和料用量（kg/m3）；

βf：矿物掺合料掺量（%）

（6）1.6砂率SP

①1.6.1可参考行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55）

（7）1.7粗细骨料用量：

①1.7.1当采用质量法计算混凝土配合比时，粗细骨料用量应按式1.7.1计算：

式中：

mg0：计算配合比每立方米混凝土的粗骨料用量（kg/m3）；

mg0：计算配合比每立方米混凝土的细骨料用量（kg/m3）；

βs：砂率（%）；

Mcp：每立方米混凝土拌合物的假定质量（kg），可取2350 kg/m3～2450 kg/m3。

2、配合比设计计算

2.1高性能混凝土配合比例参数确定时，骨料处于干燥状态之下，也就是含水率小于0.5%的干燥骨料，细骨料应该使用10mm方孔筛进行筛选。混凝土配合比的确定要参考国家标准与设计方案来确定。

2.2高性能混凝土的配合比参数的确定存在较多的影响因素、试验周期比较长且工作任务比较多，所以在早期配合中应该选择正交试验方式，最终可以确定合理的配合比参数，工作效率也能够得到提升。

二、有耐久性设计要求混凝土生产质量控制

㈠、一般规定

1、施工前的准备和配合比的选定

1.1原材料进厂质量验收控制

根据《铁路混凝土工程施工质量验收标准》等相应的国家规定和设计方案来进行参数确定。

1.2、混凝土施工配合比换算

①混凝土材料在制作前，应该全面的检测砂、石含水率等参数，然后再确定最佳的配合比参数。

②混凝土生产过程中，应该充分考虑到拌和物性能与外部环境，然后考虑到砂、石含水率等参数，并且根据实际情况来确定最佳的配合比参数，从而可以提升混凝土的结构。

2、当出现下列情况时应重新进行配合比选定。

2.1原材料更换时

混凝土材料在搅拌制作的过程中，如果需要更换其中的水泥、外加剂、矿物材料等主要组成原材料的品种、规格，就要再次进行试验，确定性能符合要求之后才能进行制作，此时主要针对的是力学性能、耐久性能等方面，如果不合格则要再次调整配合比例，达到要求为止。

2.2铁路混凝土通常都是在统一搅拌站进行混合制作的，按照既定的方式来进行。混凝土集中搅拌站在正式投产之前，要按照实际情况来制定严格的管理制度、合理生产工艺以及最佳的环境保护方案，所有工作人员需持有上岗证书，所有使用到的搅拌、检测、计量等工器具都能够满足使用的需要。经过监理工程师的检查确认之后才能投入到生产中。

㈡、有耐久性设计要求的混凝土的搅拌

1、设备

搅拌设备是混凝土制作过程中主要使用的设备，目前主要有卧轴式、行星式与逆流式等几种，在加入原材料前应该使用电子计量设备来进行准确的称量，保证数据的精确度达标。原材料的称量最大偏差符合如下要求：

胶凝材料（水泥、掺合料等）±1%；

外加剂±1%；

粗、细骨料±2%；

拌合用水±1%。

2、投料顺序以及搅拌时间的要求

搅拌过程中要按照施工工艺进行投料，依次投入细骨料、水泥、矿物掺合料和外加剂，充分混合均匀之后再加入水进行搅拌，制作成为砂浆之后可以加入粗骨料，直到全部搅拌均匀位置。上述所有环节需要搅拌30s以上，整个搅拌过程需要控制在2min～3min。

3、保证混凝土入模温度的措施

①冬季混凝土搅拌的过程中，应该先计算热工系数，然后经过试验确定搅拌之前水与骨料应该加热温度。

②夏季环境温度比较高的情况下进行搅拌，首先需要采取措施将水泥温度降低到40℃以下。存放粗、细骨料的位置要遮阴，然后加入温度较低的水以此来降低混和料的问题，或者是选择在清晨或者傍晚等環境温度比较低的情况下进行搅拌，从而可以确定混凝土材料温度处于合理范围内。

③如果设计方案中没有明确规定，混凝土材料的入模温度应该保持在5～30℃之间。

4、自觉执行首盘混凝土鉴定

混凝土搅拌站每日需要按照不同混凝土材料来确定合适的配合比参数，首盘混凝土在搅拌完成之后需要使用专业设备来进行温度、塌落度、含气量、水胶比等参数的检测，只有经过检测并且合格的配合比例才能正式投入生产中，否则将继续调整、检测。

㈢、有耐久性设计要求的混凝土的运输

混凝土拌和物在搅拌完成之后使用混凝土搅拌车来进行运输，通常都需要在制作完成之后的60min之内运输到施工现场中，并且需要在1/2初凝时间之前完成入泵，所有的混凝土材料都要在初凝前完成浇筑施工。对于交通不通畅和环境温度过高的情况下，应该采取措施来避免塌落度不合格的情况出现。

（四）有耐久性设计要求的混凝土的浇筑

1、混凝土浇筑现场的控制指标

入模前，对于运输到施工现场的首辆运输车内混凝土材料进行性能检测，主要就是温度、坍落度、含气量、水胶比及泌水率等主要性能，符合要求之后才能进行施工。浇筑施工的过程中，需要间隔浇筑50m3就要进行一次抽检，每班或者每个结构部分至少需要抽检2次。

①混凝土拌和物温度：当设计无要求时，混凝土的入模温度宜控制在5～30℃。

②混凝土拌和物坍落度：控制在试验室签发的混凝土配合比坍落度的±20mm范围内。

③混凝土拌和物含气量：应满足设计要求的入模含气量。

④混凝土拌和物泌水率：混凝土拌和物不得泌水。

因此，在开始施工前要按照当前的技术标准来确定不同配合比的混凝土参数，提供给质量检查人员。

2、特殊条件下的混凝土浇筑

特殊条件下的混凝土浇筑包括以下几个方面：

①夏季炎热环境下混凝土浇筑；

②大风干燥环境下混凝土浇筑；

③冬季温度过低下浇筑；

④大体积混凝土浇筑。

在进行上述特殊条件下混凝土浇筑时，必须进行专门的施工组织设计，并报质量监控部门进行审批。重点审核：配合比设计是否合理；采取的措施是否有效可行；配套设施设备是否齐全；质量保证体系是否完备。

（五）有耐久性设计要求的混凝土的振捣

1、振捣工艺的基本要求

①根据实际施工的需要可以选择拆入式振捣棒、附着式平板振捣器等设备来进行振捣施工。振捣时间需要严格控制，不能损坏模板、钢筋以及其他的预埋件。

②根据施工工艺方案来进行混凝土的振捣施工，浇筑完成之后立即开始振捣施工，不能存在漏振或者过振的情况，每个振捣位置应该以表面泛浆或者不再出现气泡为合格标准，通常都要控制在30s以下。

③应用插入式振捣棒施工的过程中，需要保证振捣棒垂直插入到振捣位置上。如果需要改变振捣棒的水平位置，此时应该先将振捣棒逐渐的拔出，然后将其移动到需要振捣的位置上，不能在混凝土结构内部进行平移。

（六）、有耐久性设计要求的混凝土的混凝土的养护

1、技术条件一般規定

①混凝土振捣施工结束之后，要及时将混凝土表面覆盖，从而可以减少暴露时间，避免水分蒸发过快而导致出现表面裂缝的问题。

②混凝土带模养护的过程中，应该采用表层包裹、浇水、喷淋水等方式来进行保护养护处理，从而可以保持表层的湿润度。

③混凝土拆模或者表层覆盖物拆除之后，需要及时对其进行蓄水、浇水与覆盖洒水等方式进行养护施工，也可以通过在表层覆盖一层具有较高水分的麻布等材料达到保湿的效果，从而可以防止表面水分蒸发过快而导致表面裂缝的存在。如果工程允许，则应该适当的延长覆盖的时间，从而可以更好的提升混凝土结构的综合性能，不会出现结构损坏的问题。

④在进行洒水养护的过程中，需要严格控制混凝土结构与水的温差，保证其不会超过15℃。

⑤混凝土养护施工的过程中也需要进行必要的保温处理，避免由于温度变化过于严重而导致其结构出现损坏的问题。养护过程中应该保证混凝土芯部与表层、表层与环境温度的温差控制在20℃以下，如果混凝土的结构较为复杂，则应该将温差控制在15℃以下。大体积混凝土需要根据工程的实际情况来选择合适的养护施工方案，严格控制内外温差，从而可以消除裂缝等病害问题。

⑥混凝土养护施工的过程中，需要选择具有代表性的结构部分来进行温度的检测，主要针对的是芯部温度、表层温度、环境温度以及空气湿度等参数，要综合考虑到所有的影响因素之后再确定合理的养护措施，以确保混凝土的结构性能达到工程的需要。

⑦昼夜平均温度低于5℃或者环境温度在-3℃以下，应该根据冬季环境的要求来进行施工。

2、梁体养护

①预制梁体混凝土可以选择使用蒸汽养护、自然养护等方式来养护。

②蒸汽养护需要经过静停、升温、恒温、降温等四个环节。静停时需要保证棚内的温度在5℃以上，需要在浇筑结束之后4h就能够进行温度的提升，但是升温速度应该保持在10℃/天以下；恒温阶段需要确保蒸汽温度在45℃以下，芯部温度在60℃以下；降温过程中，降温速度小于10℃/天。恒温养护时要综合考虑到混凝土结构强度、配合比例与环境等影响因素。

③自然养护的过程中，要将混凝土结构严密包裹，要达到设计所要求的混凝土强度之后才能进行拆模。在芯部与外表面、外表面与环境温度差在15℃以下时才能停止养护。

④如果环境温度在5℃以下，需要采取必要的保温措施。在混凝土表层中喷洒一定量的养护剂，禁止直接洒水养护。

3、梁体混凝土蒸养时的静停时间

①静停就是开始混凝土的预养护过程中，该环节主要的目的就是让混凝土结构达到初期结构强度的要求，可以通过抵抗外力或者温度应力的方式来防止混凝土结构出现损坏的问题。该阶段是必要存在的，按照施工工艺进行养护。

②梁体混凝土全部使用引气混凝土来进行施工。如果静停时间比较短，一方面会因为蒸养和温度梯度而导致水化严重的情况存在，否则将会给结构性能造成严重的影响。另一方面，引入气泡会在温度价高的情况下出现膨胀、上浮等问题，就会给混凝土结构造成巨大的损伤，也会影响其结构的耐久性与力学性能，无法满足工程的使用需要。

③因此，在施工开始之前，要结合工程的实际需要来确定混凝土的配合比参数，此时需要经过准确的试验确定，要充分的了解静停时间与混凝土材料的力学性能存在在的直接联系，且要充分考虑到施工工艺与生产周期，根据需要来制定科学合理的蒸养制度。

（七）拆模

1、拆模时强度要求

混凝土拆模时应该保证其满足设计方案的要求，如果设计中并未明确规定具体参数，就要按照如下要求来进行：

①混凝土强度达到2.5MPa以上才能开始侧模拆除施工，并且在损坏边角结构的情况下来进行模板的拆除施工。

②底模应该符合6.7.1的之后之后才能开始拆模。

2、 拆模时温度要求

①通常来说，混凝土结构的芯部与表层、表层与外部环境的温差超过20℃不能进行拆模施工。如果出现大风或者环境温度下降过快的情况下也禁止拆模。对于冬季环境温度过低的情况，在0℃以下不能拆模。夏季环境温度比较高或者空气比较干燥，此时可以进行分段拆模施工，保证边拆边盖。

②冬季环境温度过低时进行拆模，应该采取必要的保温措施，而夏季环境温度过高的情况下应该采取适当的隔热措施，避免在天气骤然变化而产生的严重的温差应力导致裂缝。混凝土拆模完成之后有可能与流动水接触，此时需要确保在与流动水接触之前进行全面的养护，且养护时间不能少于14d，整体结构的强度达到设计要求的75%以上。养护完成之后应该立即开始回填施工，同时需要确保混凝土强度达到设计要求前不能被侵蚀。

（八）施工控制注意事项

1、要严格执行验收标准，做好原材料按批次抽样送检，做好混凝土检查试件的取样、制作、拆模、编号和养护工作。

2、按验收标准规定，做好砂、石含水率测定，当采用烘干法测定砂、石含水率时，应注意将砂实测含水率降低0.5个百分点、将石实测含水率降低0.2个百分点使用。

3、遇现场砂、石原材料级配出现明显变化时，应及时取有代表性试样进行颗粒级配分析，并根据实测结果对施工配合比进行及时调整，以保证施工配合比尽可能与理论配合比相符。

4、以实测混凝土拌合物坍落度为依据，严格控制拌合用水量，一般应按照“坍落度偏小时加水减砂，坍落度偏大时减水减加砂”方法进行控制。注意在调整时应执行循序渐进的原则：以每次增减1～2㎏砂石用量去进行操作。

（九）有耐久性设计要求的混凝土施工中的检验项目及检验批次控制

1、 坍落度

混凝土材料运输到施工地点开始浇筑施工之前，需要进行塌落度参数的检测，该参数应该达到施工工艺的要求。浇筑施工的过程中需要浇筑50 m3就进行1次塌落度检测，并且需要做好塌落度数据的详细记录。

2、 含气量

混凝土入模前应该检查含气量，此时需要间隔浇筑50 m3或者每班来进行一次检测。

3、 混凝土入模温度

冬季施工环境温度比较低的情况下，混凝土的入模温度应该在5℃以上；夏季环境温度比较高的情况下，混凝土入模温度要控制在30℃以下。每班需要进行3次温度检测，并且做好数据记录。

4、 检查试件

① 每拌制100盘且不超过100m3就要进行取样一次。

② 每班工作时混凝土搅拌不足100盘，取样一次。

③ 现浇混凝土各个结构部分取样一次。

④ 每次取样需要保留一组试件，具体的留置数量要按照设计或者施工工艺要求确定。

⑤ 设计方案中明确对弹性模量数据有要求时，应该在浇筑的过程中需要随机抽取试样进行检测，对于标准养护28d应该确保其弹性模量达到设计方案规定的要求。

⑥ 混凝土耐久性能应该符合下表6.9.1中的相应规定要求。

隧道衬砌每200m应至少制作抗渗检查试件一组。抗渗试件应在混凝土的浇筑地点随机抽样制作，其标准养护28d的抗渗等级应符合设计要求。

5、同条件养护试件

①桥梁每个结构部分都要按照设计方案中的强度等级要求来选择相同养护条件之下的试样来进行性能检测。

②如果设计方案中对于混凝土结构的弹性模量有着明确的要求，此时就要保证弹性模量达到设计方案的要求，主要是通过现场取样检测的方法来确定弹性模量参数，但是需要注意在相同养护条件下，选取试件不能少于一组。

三、高性能混凝土配合比设计在蒙华铁路MHTJ-24标公安县制梁场T梁预制中的应用实例

（一）配合比的调整与确定

根据计算配合比进行试拌，在水胶比不变的前提下，通过调整配合比其他参数使混凝土拌合物物理性能，指标坍落度、和易性均符合设计和施工要求，修正计算配合比为：

水泥：粉煤灰：细骨料：粗骨料：减水剂：引气剂：水=402：88：572：1215：4.90：2.45：146

（1）、以此配合比作为混凝土强度试验用的基准配合比进行试验。将水胶比按基准配合比相应增加和减少0.02，用水量不变，进行水胶比分别为0.29、0.31、0.33，砂率βs，为31%、32%、33%的三个不同配合比的混凝土进行试验。

（2）确定理论配合比

根據《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011和试拌情况及强度数据，TB/T3275-2018《铁路混凝土》>50强度等级胶凝材料最大用量500Kg/m3，水胶比0.29配合比胶凝材料用量503Kg/m3，超过规定值，故水胶比0.29配合比不满足规范要求，不作试拌。水胶比0.33配合比28天强度63.7MPa，不能达到试配强度69MPa，不符合规范要求。本着经济合理的原则，同时保证混凝土工程质量，选定水胶比为0.31的混凝土配合比，依据实测容重2434Kg/m3，校正系数为1.002，不超过假定容重计算值的2%，不做修正，通过计算最终确定配合比。

（二）每m3混凝土中碱含量、CI-含量、SO3计算；电通量试验结果统计：

1、混凝土总碱含量计算：（Kg）

混凝土总碱含量参数的确定是通过原材料复检与混凝土配合参数所确定的，其中粉煤灰是按照总碱量1/6计算的，混凝土的总含碱量在3.0Kg/m3以下，可以满足正常使用的要求。

2、混凝土中的CI-含量计算：

混凝土CI-含量确定要结合原材料复检结果与配合参数确定，并且需要保证CI-含量综合控制在胶凝材料的0.06%以下。根据该检测数据，可以得出混凝土材料内有害物质的含量是否超出标准规定的要求。

3、混凝土中的SO3含量计算：

混凝土SO3含量主要是根据原材料复检与混凝土配比参数可以确定，SO3含量之和要控制在胶凝材料总量的4.0%以下。

4、混凝土电通量试验统计：

根据《预制后张法预应力混凝土铁路桥简支T梁技术条件》（TB/T3043-2005）的要求，C60T梁电通量在1000C以下，符合标准规定的要求。

5、水泥的密度为3070kg/m3，粉煤灰的密度为2410kg/m3，水的密度为1000kg/m3计算结果如下：

该配合比中水泥的体积比：402÷3070=0.131

该配合比中粉煤灰的体积比：88÷2410=0.036

该配合比中水的体积比：146÷1000=0.146

该配合比的浆体体积比为：（0.131+0.036+0.146）/1=0.313

0.313≤0.35符合要求

6、混凝土抗渗试验统计：

根据《预制后张法预应力混凝土铁路桥简支T梁技术条件》（TB/T3043-2005）的要求，C60T梁梁体混凝土的抗渗等级≥P20，实测龄期28d抗渗≥P20符合要求。

（三）强度分析：

经过28d的养护之后，混凝土强度已经达到设计方案要求的122.7%，达到本次工程的施工需要，可以满足交通荷载运行的需要。在经过养护28d之后检测，其试配强度达到了设计方案中要求的107%，可以应用到实践中。

四、结语

综上所述，高性能混凝土广泛应用在铁路工程当中，要根据使用的原材料进行高性能混凝土配合比优化实际，对配合比各项指标进行检验，设计出经济合理满足设计和规范要求的配合比。同时在工程中要严格按照配合比施工，加强施工工艺的控制，确保混凝土工程实体合格，从而为施工生产服务，从而推动社会进步和经济发展。

参考文献：

[1]《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB 10424-2014）[S].中国铁道出版社.2016，22-59.

[2]《铁路混凝土》（TB/T 3275-2014）[S].国家铁路局.2016：3-25.

[3]《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005-2010[S].2010：6：30.

[4]《预制后张法预应力混凝土铁路桥简支T梁技术条件》（TB/T 3043-2005[S]中华人民共和国铁道部.2005，2-16.

（作者单位：中铁三局集团第二工程有限公司）