干燥、大温差环境高性能混凝土配合比试验

侯之瑶,许 俊,孙约瀚,赵 兵,王海波,柯宇庆

(1.西南交通大学土木工程学院桥梁系，四川成都 610000；2.中铁四局集团有限公司第七工程分公司，安徽合肥 230022)

某西北地区高速铁路桥的预制拼装节段箱梁设计采用C60混凝土预制。受该地区干燥、大温差气候环境的影响，混凝土运输、浇筑过程中失水快，增加了泵送困难[1]；受结构尺寸影响，养护难度高，体积稳定性差，极易出现温度应力裂缝和收缩裂缝[2-3]。因此，混凝土强度和耐久性难以保证。

高性能混凝土具有不易离析、早期强度高、力学性能可靠、体积稳定性好、耐久性高等优点，其应用越来越广泛。当前，国内外对于高性能混凝土的研究较为成熟,对于配合比在高性能混凝土工作性能的影响上也有较深入的探讨[4-7]，但针对干燥、大温差气候条件下，高性能混凝土应用于大体积结构的配合比研究还不够充分。

为解决前述工程问题，本文从高性能混凝土配合比着手进行试验研究，意在制备出适用于干燥、大温差环境的高性能混凝土。

1 工程背景

该工程地区昼夜温差大，夏季高温、日照强烈，冬季气温低至零下。全年干燥少雨，年平均降雨量少，降雨集中在7、8月。当地风大且风期较长，年平均相对湿度较低。是典型的干燥、大温差气候环境。该工程为高速铁路桥梁建设，结构强度和耐久性要求高，施工难度大、周期长，工程质量不易控制。且受环境和工期影响，混凝土必须具有较高早期强度。

在这种工程背景下，为保证混凝土施工质量以及使结构能够长久的安全使用下去，高性能混凝土除了应达到强度要求外，还应达到如表1所示指标[11-13]。

表1 高性能混凝土性能指标

为了满足包括表 1在内的各项混凝土指标，本文在现有研究的基础上[4-7]，基于干燥、大温差环境问题，通过材料选择和配合比试验，探究能够适用该工程的高性能混凝土配合比。

2 材料选择

由于受干燥、大温差气候影响，混凝土失水快，材料选择应围绕提高拌合物性能和避免结构出现裂缝进行。对于材料选取，首先应满足强度要求，这就要求水泥和骨料的强度达标。此外，水泥还应选择水化热低、含碱量低的，粗骨料应选择含泥量低、级配较好的，这有助于保证混凝土强度和耐久性。选择内摩擦较小的细骨料则有利于混凝土拌和物的流动性，且能保证混凝土浇筑时不离析、不分层。外加剂和掺合料对提高混凝土性能有很大的作用，合理加入外加剂和掺合料将大大改善混凝土的性能。对于干燥、大温差环境，加入高效减水剂来降低水胶比，将有效抑制收缩裂缝的产生[8]。合理用量的掺合料粉煤灰，不但能够降低水化热，有效抑制大体积结构的早期开裂，还能够提高混凝土和易性、耐久性[9]。

基于以上讨论，水泥选用P.O 52.5 水泥；粗骨料选用5～20 mm粒径碎石(整形加工)；细骨料选用II区中砂；水采用各项化学指标达标的饮用水；外加剂采用RAWY101高性能减水剂，减水率可达30 %；掺合料选用F类C50以上粉煤灰。

3 配合比试验设计

配合比设计需要确定的参数为试配强度、水胶比、用水量、砂率、外加剂掺量等。

3.1 适配强度

根据相关规范[11]，经计算混凝土的试配强度为69.9 MPa。

3.2 配合比确定原则

在干燥、大温差环境下，考虑到水胶比对混凝土早期开裂和强度的影响[5][8]，水胶比不宜过大，应小于0.40[12-13]。

若胶凝材料用量大，则混凝土水化热大，易与养护环境温度形成温差应力，混凝土极易出现温度应力裂缝，在该工程所处的环境下，最大凝胶材料用量为500 kg/m3[12-13]。

最佳砂率的选取对于混凝土性能有着重要影响，为保证流动性，混凝土砂率应在37 %～43 %选取[7]。

粗骨料采用30 % 5～10 mm碎石与70 % 10～20 mm碎石搭配，此时粗骨料的孔隙率最小[7]。

对于大体积混凝土结构，用粉煤灰取代一定比例水泥可以降低水化热、减小塑性收缩，从而减少结构裂缝。但粉煤灰会使结构早期强度降低[14]，过量的粉煤灰还会加剧结构碳化[15-16],因此粉煤灰掺量取30 %以内[12-13]。

3.3 试验方案

基于3.2中原则，结合现有的研究结论和工程经验，试验设置了如表2所示的6组配合比参数，主要考虑了粉煤灰用量、水胶比对混凝土的影响。

表2 高性能混凝土试验配合比参数

1～3号试验研究粉煤灰用量分别为10 %、20 %、30 %对混凝土的影响。2～6号试验研究了水胶比对混凝土的影响。其中，2、4、5号试验利用减水剂的减水效果，在不改变胶体和固体材料用量的前提下,通过改变用水量来调整水胶比。6号试验水胶比最大，作为对照试验组。与2号试验对比，其通过改变凝胶材料用量来调整水胶比。

4 试验结果

4.1 基本性能测试

分别测试6组试验中混凝土的性能，测试结果汇总于表3。

由表3测试数据可知，不同配合比下混凝土拌合物的性能基本满足表1指标，说明在研究的配合比范围内，拌合物性能较为优良，这表明前文的材料选择、试验设置具有合理性。

表3 混凝土拌合物性能及实体力学性能测试

对比1～3号试验数据可以看出随着粉煤灰含量的增大，拌合物的坍落度不断增大，泌水率不断减小，说明在试验范围内，粉煤灰用量的增加对拌合物的流动性、保水性有利。但随着粉煤灰用量增加，混凝土的强度不断下降，3号试验配合比下的混凝土强度已低于适配强度要求。这与现有的研究结论一致。

对比2～6号试验数据可知，水胶比越小，混凝土强度越高。但水胶比对混凝土的影响来自两个方面，分别是水和凝胶材料。2、4、5号试验表明，随着用水量的增加，混凝土强度逐渐减小，4号试验混凝土强度已低于试配强度。

2、4、5号试验结果显示，用水量每增大5 %，混凝土7 d强度降低10 %。因此，当水胶比在0.31附近时，用水量对于混凝土早期强度影响很敏感。但对于28 d强度，2、5号试验结果相差不大，这是受材料自身强度限制。2、4号试验的28 d强度相差约11 MPa，这说明在4号试验水胶比0.33情况下，加入高效减水剂减少水量，将大大提高混凝土强度。但随着用水量减小，混凝土坍落度也不断减小，拌合物的流动性变差。在干燥、大温差环境下，混凝土水分蒸发快，坍落度小不利于混凝土施工。因此，应在满足混凝土强度的前提下，保有一定的用水量。

对比2、6号试验，凝胶材料用量降低15 %，混凝土7 d和28 d强度均下降较多。因此，应使凝胶材料用量充足，以保证混凝土强度满足要求。

4.2 现场测试

综合考虑混凝土强度和拌合物性能，可认为2号试验的配合比适用性最强。

由于工程所处干燥、大温差气候环境的特殊性，应在现场对混凝土结构耐久性、力学性能进行测试，测试结果如表4、表5所示。

表4 混凝土耐久性测试结果

表5 现场梁体力学性能测试结果及开裂情况

以上数据显示，现场混凝土结构强度达标，混凝土各项化学指标、耐久指标满足要求，说明混凝土力学性能、耐久性能良好。2号试验配合比下的混凝土能够适用于干燥、大温差气候环境，且能满足施工技术要求和结构设计要求。

5 结论与建议

(1)在干燥、大温差气候条件下，高性能混凝土的工作性、实体质量。应从混凝土原材料选择、配合比设计方面优化改善。

(2)性能优良、用量合理的混凝土材料有助于提高拌合物性能。应根据材料对混凝土的影响，针对具体工程问题，进行合理选择应用。

(3)在类似工程中，水胶比建议取值0.31左右。粉煤灰建议掺入10 %～20 %用量。

(4)水胶比在0.31附近时，用水量对混凝土早期强度影响敏感，高效减水剂的使用效果也更加明显。

(5)应在凝胶材料用量充足的前提下，通过减少用水量，来降低水胶比，提升混凝土强度。

(6)过低的用水量不利于混凝土流动性。应设计合理的用水量，使混凝土在满足强度的前提下，还有足够的流动性。

(7)高性能混凝土的质量保证，还应根据现场的条件，采取合理的措施，从混凝土生产、运输、浇筑、改进养护工艺等方面，不断优化、改善混凝土性能，从而保证混凝土的设计要求、耐久性和使用性。