高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

劉保坤

(石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)第五工程處)

1 混凝土的控制指標(biāo)

混凝土的收縮是造成箱梁早期開裂的主要原因。若混凝土中水泥含量過大，使得混凝土收縮變形大，當(dāng)這種變形受到約束時(shí)將在混凝土內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。拉應(yīng)力超過了混凝土抗拉強(qiáng)度就會(huì)導(dǎo)致混凝土的開裂。因此，配制高強(qiáng)度、低收縮的混凝土是防治箱梁收縮裂縫的關(guān)鍵。

主橋采用C60高強(qiáng)混凝土。為滿足強(qiáng)度、工作性和收縮量小的要求，配制混凝土?xí)r其控制指標(biāo)如下。

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和調(diào)查，確定施工泵送高度20 m，泵車能夠泵送混凝土最小坍落度為150 mm，同時(shí)考慮橋梁施工時(shí)，坍落度超過230 mm則箱梁承托附近無法成型，因此確定混凝土坍落度范圍為180～200 mm。

(2)混凝土拌和至澆筑完成需1 h左右的時(shí)間，因此確定混凝土1.5 h經(jīng)時(shí)坍落度損失不大于30 mm，初凝時(shí)間不低于2 h，以保證整個(gè)澆注過程順利進(jìn)行。

(3)連續(xù)梁懸臂施工要求3～5 d張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線，7～10 d為一工作周期。因此要求混凝土3 d強(qiáng)度達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度，7 d強(qiáng)度達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

(4)要達(dá)到盡量少出裂縫或不出裂縫的目標(biāo)，要求混凝土具有較小的收縮值。為此，應(yīng)盡量減小凝膠材料的用量，控制混凝土的收縮量。

2 原材料選擇

(1)水泥:高標(biāo)號(hào)混凝土所用水泥應(yīng)為425#及以上水泥，以降低單位水泥用量，減少收縮徐變。設(shè)計(jì)采用525普通硅酸鹽水泥，具體性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥物理性能

(2)骨料:高標(biāo)號(hào)泵送混凝土接近于均質(zhì)體，破壞時(shí)裂縫往往是貫穿粗骨料、水泥砂漿基體，斷裂面較平滑。因此應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)，表面無雜質(zhì)、粉塵的反擊式碎石，粒徑為5～20 mm。細(xì)集料的好壞直接影響混凝土拌合物的和易性，應(yīng)選擇干凈、含泥少、優(yōu)質(zhì)、級(jí)配良好的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6～2.8。所選集料具體性能指標(biāo)見表2。

(3)粉煤灰:主要起到以下三個(gè)作用。①粉煤灰較細(xì)能填充集料及水泥之間的空隙，使顆粒級(jí)配更合理，達(dá)到較佳密實(shí)狀態(tài)，同時(shí)需水較少，等量取代水泥，能夠降低水灰比。②粉煤灰顆粒形狀大多為球狀，在集料間起著軸承作用，從而改善混凝土流動(dòng)性。③有部分活性SiO2、Al2O3在水泥堿性環(huán)境下，受到激發(fā)，出現(xiàn)膠凝性能。能夠提高混凝土強(qiáng)度，降低水化熱，坍落度損失小，增長后期強(qiáng)度，起到改性作用。

由于施工現(xiàn)場(chǎng)附近沒有I級(jí)灰，因此本設(shè)計(jì)采用II級(jí)灰，細(xì)度(45μm篩余)15%，燒失量6%。

表2 碎石、砂子的物理性能

(4)硅粉:能夠填充水泥顆粒間的孔隙，同時(shí)與水化產(chǎn)物生成凝膠體，與堿性材料氧化鎂反應(yīng)生成凝膠體。具有保水、防止離析、泌水、大幅降低混凝土泵送阻力的作用，能夠提高混凝土早期強(qiáng)度。

(5)聚羧酸超高效減水劑:可以減小水灰比，提高強(qiáng)度，減少混凝土自身收縮。本設(shè)計(jì)采用北京奧通JFL-1型聚羧酸高效減水劑，含固量20%，減水20% ～30%。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)因素—水平表:根據(jù)選用材料的物理性能以及以往的配合比設(shè)計(jì)方案進(jìn)行混凝土試拌，確定因素—水平表如表3。

表3 因素-水平表

(2)正交試驗(yàn):根據(jù)水平—因素表確定選用L18(36)正交表，共18組配合比。每組配合比的坍落度及坍落度經(jīng)時(shí)損失都能滿足施工要求。將其在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)護(hù)，并測(cè)其3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度及其收縮量。

(3)試驗(yàn)結(jié)果分析:對(duì)3個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)及28 d收縮量指標(biāo)進(jìn)行極差分析，得到如下結(jié)論。

水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素，其次為砂率，此兩項(xiàng)應(yīng)優(yōu)先選擇。由此確定水灰比為0.28，砂率為0.34%，減水劑為2.3%。

影響28 d收縮量的因素大小依次為水泥用量、水膠比、減水劑、硅粉、粉煤灰、砂率。水泥用量、硅粉用量及水膠比越大，收縮量越大;粉煤灰及減水劑用量越大則收縮量越小，但粉煤灰用量大影響其早期強(qiáng)度。

水泥、粉煤灰、硅粉三者之和為凝膠料的總量，應(yīng)綜合考慮決定各自用量。本次設(shè)計(jì)考慮到選用粉煤灰為II級(jí)灰，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇15%摻量。由試驗(yàn)分析可知硅粉摻量越多早期強(qiáng)度越大，后期強(qiáng)度越低，同時(shí)考慮到硅粉的造價(jià)較高，因此硅粉的摻量定為4%。

由于粉煤灰和硅粉選用參量較少，因此水泥用量比數(shù)據(jù)分析最優(yōu)用量略多，為420 kg/m3，膠凝材料總量為499.8 kg/m3。最后確定的最優(yōu)配合比見表6。其3 d、7 d及28 d的強(qiáng)度分別達(dá)到了57.5 MPa、69.2 MPa、89.8 MPa，完全滿足設(shè)計(jì)和施工的要求。

表4 最優(yōu)配合比(1 m3混凝土各組分，單位:kg)

采用最后確定的最優(yōu)混凝土配合比，對(duì)齊泰公路嫩江橋箱梁混凝土進(jìn)行了澆筑?，F(xiàn)場(chǎng)澆筑情況表明，混凝土和易性、粘聚性良好，無離析、泌水現(xiàn)象;混凝土強(qiáng)度及彈性模量穩(wěn)定;成型后結(jié)構(gòu)表面無浮漿、空洞現(xiàn)象，滿足內(nèi)實(shí)外光的設(shè)計(jì)要求。