芒稻河大橋主梁C50高性能砼配合比研究

摘 要：根據(jù)芒稻河大橋主梁C50砼高性能要求及施工需要，按照優(yōu)選原則，進(jìn)行了C50高性能砼的配備研究，確定了最優(yōu)配合比，在實踐中得到了驗證，取得很好效果。

關(guān)鍵詞：C50 高性能 砼 配合比

Abstract：According to high-performance requirements and construction needs of the main beam C50 concrete at Mangdao-River Bridge， in accordance with the principle of preference， we conducted a study of C50 high-performance concrete with determining the optimal mixture ratio， which has been verified in practice，Obtain good effect.

Keywords：C50 high-performance concrete mixture-ratio

1 引言

江六高速芒稻河大橋主橋為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，主梁為C50砼主梁，結(jié)合主梁結(jié)構(gòu)的受力特點，對現(xiàn)場澆筑的主梁所用的砼必須在保證其工作性的前提下，要求確保高強(qiáng)度、砼收縮徐變小，具有良好的抗裂性、抗碳化性、抗?jié)B性和護(hù)筋性。

根據(jù)設(shè)計要求，主梁采用C50高性能砼，確保結(jié)構(gòu)剛度；施工方案中確定采用泵送砼，梁體為全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，要求砼的收縮徐變量低，減小預(yù)應(yīng)力損失。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工技術(shù)要求，該橋主梁砼的主要特點有：強(qiáng)度要求高、泵送距離長、坍落度大、流動性要求高、體積穩(wěn)定性高。

2 配制技術(shù)要求

根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合現(xiàn)場實際原材料情況，對主梁C50高性能砼的配制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，主要內(nèi)容包括以下幾個方面：

2.1主梁C50高性能砼制備技術(shù)研究，包括砼原材料性能測試和質(zhì)量控制、高性能砼配合比設(shè)計和制備工藝，配制出滿足江六高速橋用主梁的設(shè)計和施工要求的高性能砼。

2.2礦物摻合料對C50高性能砼性能影響的研究設(shè)計方案，用不同摻量、不同品種的礦物摻合料配制主梁高性能砼，Ⅰ級粉煤灰摻量分別為10%、15%、20%、雙摻粉煤灰和S95級礦渣微粉各10%以及對比組，成型試件并進(jìn)行砼性能測試。

2.3對主梁新拌C50高性能砼進(jìn)行工作性研究，包括坍落度、坍落擴(kuò)展度、坍落度損失、泌水率、表觀密度和含氣量等性能試驗。

2.4對主梁C50高性能砼進(jìn)行基本力學(xué)性能研究，包括測試抗壓強(qiáng)度（3d， 7d， 28d）、抗折強(qiáng)度（28d）、靜彈性模量（28d）和不同齡期的動彈性模量等試驗。

3 原材料及實驗方法

3.1原材料質(zhì)量要求

優(yōu)質(zhì)的原材料是制備高性能砼的基礎(chǔ)，是優(yōu)化配合比設(shè)計的前提，是高性能砼良好的工作性、力學(xué)性能和耐久性的保證，因此江六高速橋梁的施工現(xiàn)場對原材料來源和質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格優(yōu)選和控制。

3.2原材料性能

3.2.1水泥：句容臺泥水泥有限公司生產(chǎn)的P·II 52.5R硅酸鹽水泥，密度為350m2/ kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度27.8%，安定性合格，抗折強(qiáng)度為3d為6.2 MPa，28d為9.4MPa，抗壓強(qiáng)度3d為28.9MPa，28d為55.5MPa。

3.2.2 粉煤灰：上海華新公司生產(chǎn)的I級（F類）優(yōu)質(zhì)粉煤灰，密度為2200 kg/m3， 細(xì)度7.2%，需水量比為93.3%；燒失量為0.80%。

3.2.3礦渣微粉：采用南京富布斯建材有限公司生產(chǎn)的S95型礦渣微粉，密度為2870 kg/m3；比表面積431m2/kg，7d抗壓強(qiáng)度比為75.6%。

3.2.4外加劑：江蘇博特新材料有新公司生產(chǎn)的PCA聚羧酸高性能減水劑，摻量1.0%，減水率25.2%。，經(jīng)GB8076-2008檢驗，其性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.2.5 砂：經(jīng)檢測，級配合格，細(xì)度模數(shù)3.0（Ⅱ區(qū)），表觀密度為2630kg/m3，堆積密度為1480kg/m3，含泥量為1.2%，指標(biāo)均符合國標(biāo)中Ⅱ區(qū)中砂的要求。

3.2.6 碎石（石灰?guī)r）：16-31.5mm大石子和5-16mm小石子兩種，小石子：大石子=1：9。經(jīng)檢測，5～25mm 級配合格，針片狀含量8.3%，表觀密度為2750kg/m3，壓碎值為4.5%，含泥量為0.4%，指標(biāo)均符合國標(biāo)中II類碎石要求。

試驗結(jié)果表明，工程使用的原材料包括水泥、粉煤灰、外加劑、砂、石等均滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求：水泥強(qiáng)度較高，安定性合格；粉煤灰滿足I級粉煤灰指標(biāo)；砂石集料級配合格，各種原材料的性能均達(dá)到配制高性能砼的要求。

4 主梁C50高性能砼配合比設(shè)計方法

4.1 主梁C50高性能砼配合比設(shè)計要求

本橋主梁是現(xiàn)澆主梁，結(jié)合主梁結(jié)構(gòu)的受力特點，對現(xiàn)場澆筑的主梁所用的砼要在保證其工作性的前提下，砼收縮徐變小，具有良好的抗裂性、抗碳化性、抗?jié)B性和護(hù)筋性。主梁C50高性能砼設(shè)計指標(biāo)如下：

砼設(shè)計強(qiáng)度為50MPa；

砼坍落度為160～200mm，1h坍損≤20%；

4.2 主梁C50高性能砼配合比設(shè)計法則

課題從抗裂性和耐久性角度出發(fā)，提出高性能砼配合比設(shè)計方法——綜合設(shè)計法。綜合設(shè)計法的關(guān)鍵在于：

設(shè)計原則的綜合性——五大法則：低用水量法則、低水泥用量法則、最大堆積密度法則、水灰比適量法則、摻合料與高性能外加劑相復(fù)合的法則。

設(shè)計指標(biāo)的綜合性——五大指標(biāo)：綜合考慮砼收縮徐變、耐久性、安全性、工作性和經(jīng)濟(jì)性；以低收縮徐變?yōu)榍疤幔瑫r滿足安全性、工作性、經(jīng)濟(jì)性要求。

5 主梁C50高性能砼的制備技術(shù)

5.1 主梁砼C50

以單摻15%Ⅰ級粉煤灰為例，計算C50主梁高性能砼配合比，計算步驟如下：

a.計算砼配制強(qiáng)度：

fcu，t=fcu，k+1.645σ0

=50+1.645×6=59.9（MPa）；

b.計算水灰比并進(jìn)行耐久性校核：

W/C=0.46fce/（fcu，p +0.46×0.07×fce）

=0.46×52.5/（59.9+0.46×0.07×52.5）

=0.39<0.55；

考慮到摻了粉煤灰，主梁砼強(qiáng)度等級較高，且要求早強(qiáng)，因此水灰比按0.37、0.35、0.33試配，取W/C=0.33進(jìn)行計算。

c.計算用水量并進(jìn)行耐久性校核：

W=（350-10）/{1+[59.9/0.48×52.5

+0.52]/3}=173，取156 kg/m3；

d.計算水泥用量：C0=W/（W/C）=156/0.33=473 kg/m3；

粉煤灰一般采用超量取代，當(dāng)粉煤灰質(zhì)量較好時也可等量取代。由于本次試驗使用的粉煤灰質(zhì)量較好，采用等量取代。粉煤灰摻量為C0×15%= 71kg/m3，因此水泥用量為：

C=473-71=402 kg/m3；

e.計算外加劑用量：

A= C0×a=473×0.012=5.68kg/m3；

f.計算砂率

Sp1=（457-350+156）×2630/[（457-350+156）×2630+（1000-457-156）×2750]=39.4%；

Sp2=（0.902+0.18×2.4-7.66×0.0473×1.5×0.2）×1480×0.457/（1480×0.457+1600）=36.4%，基于砼體積穩(wěn)定性的考慮，應(yīng)選取較小的砂率，砂率取36%。

g.計算砂石用量：

S=（1000-156-402/3.1-71/2.2-10）×2.63×2750/[2750+2630×（1-0.36）/0.36]=655kg/m3；G=655×（1-0.36）/0.36=1164kg/m3。

h.實驗室試拌，測試工作性和力學(xué)性能，并進(jìn)行調(diào)整，最后確定配合比為：

C：FA：W：S：G：A=402：71：156：

655：1164：5.68

5.2 主梁C50高性能砼試配

采用不同摻量和不同品種的礦物摻合料制備主梁C50高性能砼，設(shè)計了6組高性能砼，粉煤灰摻量分別為10%、15%、20%、粉煤灰10%和礦渣10%雙摻及其他對比組。按照綜合設(shè)計法計算，配合比列于表1中。

（注：1、其中第6組用的是P·II 42.5水泥； 2、外加劑用量是根據(jù)實際拌和時的流動度調(diào)整的。）

6 主梁C50高性能砼的工作性和力學(xué)性能

江六高速橋用主梁為大跨徑預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度等級高，承受彎壓荷載（風(fēng)載）和動荷載，要求采用C50泵送砼；由于泵送施工距離遠(yuǎn)，需要的水平管距離長。長距離泵送要求砼粘聚性好、不離析、泌水小、可泵性好、坍落度經(jīng)時損失小。

主梁中預(yù)應(yīng)力鋼筋分布很密，不易振搗，要求連續(xù)剛構(gòu)砼坍落度大、流動性好，接近自密實砼，同時要求粗骨料最大粒徑小（不大于25mm）。

對于C50高性能砼，要保證砼質(zhì)量、控制溫差、預(yù)防開裂，并且對構(gòu)筑物外觀質(zhì)量也有較高要求，因此必須各個環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制。

6.1 主梁C50高性能砼的工作性

根據(jù)表13的配合比制備6組不同摻合料的主梁C50高性能砼，對新拌砼的坍落度、擴(kuò)展度、1h坍落度損失、表觀密度、含氣量等進(jìn)行了試驗，結(jié)果列于表2。

表2 C50高性能砼的工作性

組別

坍落度mm

1h坍落度mm

擴(kuò)展度mm

1h擴(kuò)展度mm

含氣量

%

表觀密度kg/m3

1

205

—

520

—

—

—

2

215

195

500

500

5.0

2460

3

210

190

470

350

4.3

2480

4

195

190

390

390

3.7

2440

5

195

190

480

460

4.0

2430

6

215

205

600

530

5.0

2450

6.1.2坍落度、坍落擴(kuò)展度及坍落度損失

流動性是指砼拌合物在自重或機(jī)械振搗作用下，能產(chǎn)生流動，并均勻密實地填滿模板的性能，一般采用坍落度試驗反映新拌砼的流動性。從上表可知，配制的C50高性能砼坍落度在160mm以上，1h坍損在20%以內(nèi)，每組均滿足現(xiàn)場的泵送要求。當(dāng)坍落度較高時，要同時測量擴(kuò)展度來和坍落度綜合來分析砼的流動性，也可看出各組砼的自流平性和自密實性較高，滿足主梁砼的現(xiàn)場施工。

6.1.3含氣量

新拌砼的含氣量的測定可以用于控制硬化砼的質(zhì)量，從表14中可看出含氣量均在2%～5%之間，滿足設(shè)計要求，而且Ⅰ級粉煤灰具有一定的減水作用，隨著粉煤灰摻量的增加，拌合物的含氣量是有下降的趨勢。

6.1.4表觀密度

等量取代礦物摻和料后，砼的表觀密度仍在2400～2500kg/m3之間，滿足設(shè)計要求。

6.2 主梁C50高性能砼的力學(xué)性能

砼強(qiáng)度是砼最基本的力學(xué)性能指標(biāo)，是砼結(jié)構(gòu)安全性的有力保障，也間接反映了砼密實性和抗侵蝕性等物理性能。一般情況下砼的其它性能，如抗?jié)B、抗凍等與砼強(qiáng)度之間存在著密切的關(guān)系。強(qiáng)度越高，其剛性、不透水性、抵抗風(fēng)化和某些侵蝕介質(zhì)的能力也越高。

對6組C50高性能砼試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能進(jìn)行了試驗，結(jié)果列于表3中。

表3 主梁C50高性能砼的力學(xué)性能

組

數(shù)

抗壓強(qiáng)度/MPa

抗折強(qiáng)度/MPa

彈性模量/GPa

3d

7d

28d

28d

1

32.7

42.4

56.6

6.1

45.2

2

38.7

43.9

67.0

7.0

45.1

3

46.7

62.2

71.3

7.1

44.3

4

39.1

45.7

64.4

6.6

41.5

5

39.0

49.7

54.2

6.0

47.7

6

39.4

51.0

68.0

6.5

46.9

6.2.1抗壓強(qiáng)度

試驗結(jié)果表明，按C50配制的砼的28d強(qiáng)度在56 MPa ～73 MPa之間。第3組采用了42.5水泥，其余各組均使用了52.5R的早強(qiáng)型水泥，因此3d強(qiáng)度就能達(dá)到50%以上，7d強(qiáng)度均在70%左右。摻入粉煤灰后，早期強(qiáng)度有所降低，但隨著齡期的增長，強(qiáng)度逐漸增長，28d齡期強(qiáng)度達(dá)到或超過與不摻加摻合料的砼。

6.2.2抗折強(qiáng)度

對養(yǎng)護(hù)28d的試塊進(jìn)行抗折試驗，結(jié)果表明6組試件的28d抗折強(qiáng)度在6MPa～8MPa之間，摻加粉煤灰等摻合料后，抗折強(qiáng)度稍有降低，隨著粉煤灰摻量的增加，抗折強(qiáng)度也有所降低。但是總體較穩(wěn)定，滿足主梁砼的設(shè)計要求。

6.2.3彈性模量

砼的彈性模量具有重要的實用意義，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中當(dāng)計算鋼筋砼的變形、裂縫開展及大體積砼的溫度應(yīng)力時，都需要用到砼的彈性模量。對養(yǎng)護(hù)28d的試件進(jìn)行靜力彈性模量測試，試驗結(jié)果表明：各組砼的彈性模量相差不大，都在42GPa～48GPa之間，說明粉煤灰的摻入與摻量的多少對彈性模量的影響并不大。水灰比較小時，水泥漿體的用量較少，彈性模量稍有增大，但是并不明顯。

7配合比分析與優(yōu)選

第1組砼水膠比為0.37，偏大，強(qiáng)度偏低。因此，C50砼水膠比不得大于0.35；

第5組 雙摻20%，I級粉煤灰：S95礦渣粉各10%，但強(qiáng)度偏低，分析可能是所用礦渣微粉活性不高等原因所致；

其余4組（2#、3#、4#和6#）工作性和力學(xué)性能均滿足設(shè)計和施工要求；

第6組為單摻15%I級粉煤灰的C50砼，工作性、力學(xué)性能、變形性能及經(jīng)濟(jì)性均較好，3d抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的79%，7d達(dá)100%，28d為68MPa，值得推薦；

第3組為不摻摻合料的C50砼，早期強(qiáng)度發(fā)展很快，3d抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的93%，28d為71.3MPa，但水泥用量高，流動性損失較大，經(jīng)濟(jì)性差。

綜合考慮，經(jīng)配合比設(shè)計和優(yōu)化，并對檢測結(jié)果進(jìn)行比較分析，綜合考慮安全與經(jīng)濟(jì)兩方面的要求，C50主梁高性能砼采用第3組配合比：膠凝材料用量為473kg/m3，粉煤灰摻量為15%，水膠比為0.33，砂率為36%，其工作性和力學(xué)性能均滿足設(shè)計與施工要求。

8 實際運(yùn)用情況

對于現(xiàn)場施工的主梁，實際施工中運(yùn)用順利，使用時工作性能良好，很好的滿足了現(xiàn)場施工需要。同時實測張拉強(qiáng)度和彈性模量指標(biāo)也達(dá)到了設(shè)計需要，28d標(biāo)養(yǎng)試件強(qiáng)度均滿足要求。

隨機(jī)抽取了個別梁段的實測指標(biāo)，見表4。

表4 實體強(qiáng)度指標(biāo)測試情況

工程部位

7d強(qiáng)度MPa

28d強(qiáng)度

MPa

28d彈模×104MPa

L1

49.6

57.6

56.4

55.9

57.2

4.47

L2

50.0

59.2

57.9

56.4

58.8

4.03

L3

47.9

57.8

57.7

59.5

59.0

4.23

L4

53.4

59.5

56.9

60.2

59.5

4.32

L6

50.7

56.2

56.4

55.6

56.4

4.32

L8

47.6

58.0

57.2

55.7

56.2

4.08

從數(shù)據(jù)上看，7d、28d強(qiáng)度均小于室內(nèi)試配時強(qiáng)度，與實際情況相附，試配強(qiáng)度的保證率主要是確保實際強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計要求。

9結(jié)論

采用單摻粉煤灰的技術(shù)，通過對坍落度、坍落度損失、擴(kuò)展度、含氣量以及泌水率試驗，比對各組配合比相應(yīng)指標(biāo)，進(jìn)行配合比優(yōu)化。

通過優(yōu)化配合比設(shè)計，采用優(yōu)化后的配合比，現(xiàn)場施工中所制備的主梁C50高性能砼的粘聚性、保水性、泵送性良好，均很好滿足施工要求，達(dá)到了高性能混凝土的技術(shù)性能指標(biāo)要求，對類似工程有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 謝永江等.鐵路砼工程施工技術(shù)指南[M].北京.中國鐵道出版社.2005.9

[2] 馮乃謙等.高性能砼技術(shù)[M]. 北京. 原子能出版社. 2000.6

[3] 陳肇元.等.砼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[4]丁大鈞.高性能砼及其在工程中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007