鐵路工程高性能混凝土配合比設計和施工工藝控制及在蒙華鐵路MHTJ—24標公安縣制梁場T梁預制中的應用

董建國

摘要：本文闡述了鐵路工程高性能混凝土配合比的設計步驟和設計依據及高性能混凝土原材料檢驗指標及檢驗方法、高性能混凝土生產質量控制和質量檢驗，并結合制梁生產，在蒙華鐵路MHTJ-24標公安縣制梁場配合比設計及制梁生產中進行了應用。

關鍵詞：鐵路工程高性能混凝土；配合比設計和施工工藝控制；應用

一、高性能混凝土配合比設計

（—）高性能混凝土配合比設計步驟

1、確定初步理論配合比設計參數

（1）配制強度和標準差

配制強度fcu，0，的確定要依據混凝土強度fcu，k與施工單位混凝土強度差σ，結合目前我國的國家標準規定來確定混凝土強度與標準差的數據。但應注意，根據《高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》（TB10752-2018）及《鐵路橋涵工程施工質量驗收標準》（TB10415-2003）之規定，在進行水下混凝土配合比設計時，其設計強度要達到普通混凝土設計強度的1.15倍：水下混凝土的配制強度按下式確定：

fcu，0≥fcu，k×1.15+1.645σ（1.1-2）

水泥用量不宜小于350kg/m3；當摻用外加劑，摻合料時，水泥用量可減少，但不得小于350kg/m3。根據《預制后張法預應力混凝土鐵路橋簡支T梁技術條件》（TB/T3043-2005）之規定每立方米混凝土水泥用量不宜小于400kg，混凝土膠凝材料總量不宜大于500kg。

（2）1.2水膠比W/B

①1.2.1按國家現行《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55）中有關混凝土的水膠比計算公式1.2.1.1計算：

W/B﹦αa×f b/（fcu，0+αa×αb×f b）（1.2.1.1）

式中：W/B—混凝土水膠比；

αa、αb—回歸系數。采用碎石時分別取0.53、0.20；采用卵石時分別取0.49、0.13

f b：膠凝材料28d膠砂抗壓強度（MPa），可實測，且試驗方法按現行國家標準《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T17671）執行，當膠凝材料28d膠砂抗壓強度值（f b）無實測值時，可按（1.2.1.2）式計算：

f b=γfγs fce（1.2.1.2）

式中：γfγs：粉煤灰影響系數和粒化高爐礦渣粉影響系數。

fce：水泥28d膠砂抗壓強度（（MPa），可實測，也可以按下式計算：

fce=γc f ce，g（1.2.1.3）

γc—水泥強度等級值的富余系數，可按實際統計資料確定，當缺乏實際統計資料時，也可按規范取值；

f ce，g—水泥強度等級值（MPa）。

②1.2.2按耐久性設計要求確定。

根據計算所得到的水膠不大于耐久性的要求來確定水膠比的參數，從而可以確定最終的水膠比數值。

（3）1.3每立方米干硬性或塑性混凝土的用水量mw0

①1.3.1當水膠比處于0.4～0.8之間，此時要根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55）來確定相應的技術參數。

②1.3.2當水膠比小于0.4時，結合實際需要來確定流動性、粘聚性與沁水性。

摻和劑加入之后混凝土滿足流動性要求的水量數據為：

mw0=m′w0（1-β）

式中mw0—摻外加劑混凝土每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；

m′w0—未摻外加劑混凝土每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；

β—外加劑的減水率（%）。外加劑的減水率應經試驗確定。

（4）1.4每立方米混凝土中外加劑用量（ma0）按下式計算：

Ma0= mb0βa

ma0—計算配合比每立方米混凝土中外加劑用量（kg/m3）；

Mb0—計算配合比每立方米混凝土中膠凝材料用量（kg/m3）；

βa—外加劑摻量（%），應經混凝土試驗確定。

（5）1.5膠凝材料、礦物摻合料和水泥用量：

①1.5.1 每立方米混凝土的膠凝材料用量（mb0）按下式計算，并進行試拌調整，在拌和物性能滿足的情況下，取經濟合理的膠凝材料用量。

mb0：計算配合比每立方米混凝土中膠凝材料用量（kg/m3）；

mW0：計算配合比每立方米混凝土的用水量（kg/m3）；

W/B：水膠比。

②21.5.2每立方米混凝土的礦物摻合料用量（mf0）按下式計算：

mf0= mb0βf

mf0： 算配合比每立方米混凝土中礦物摻和料用量（kg/m3）；

βf：礦物摻合料摻量（%）

（6）1.6砂率SP

①1.6.1可參考行業標準《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55）

（7）1.7粗細骨料用量：

①1.7.1當采用質量法計算混凝土配合比時，粗細骨料用量應按式1.7.1計算：

式中：

mg0：計算配合比每立方米混凝土的粗骨料用量（kg/m3）；

mg0：計算配合比每立方米混凝土的細骨料用量（kg/m3）；

βs：砂率（%）；

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

2、配合比設計計算

2.1高性能混凝土配合比例參數確定時，骨料處于干燥狀態之下，也就是含水率小于0.5%的干燥骨料，細骨料應該使用10mm方孔篩進行篩選。混凝土配合比的確定要參考國家標準與設計方案來確定。

2.2高性能混凝土的配合比參數的確定存在較多的影響因素、試驗周期比較長且工作任務比較多，所以在早期配合中應該選擇正交試驗方式，最終可以確定合理的配合比參數，工作效率也能夠得到提升。

二、有耐久性設計要求混凝土生產質量控制

㈠、一般規定

1、施工前的準備和配合比的選定

1.1原材料進廠質量驗收控制

根據《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》等相應的國家規定和設計方案來進行參數確定。

1.2、混凝土施工配合比換算

①混凝土材料在制作前，應該全面的檢測砂、石含水率等參數，然后再確定最佳的配合比參數。

②混凝土生產過程中，應該充分考慮到拌和物性能與外部環境，然后考慮到砂、石含水率等參數，并且根據實際情況來確定最佳的配合比參數，從而可以提升混凝土的結構。

2、當出現下列情況時應重新進行配合比選定。

2.1原材料更換時

混凝土材料在攪拌制作的過程中，如果需要更換其中的水泥、外加劑、礦物材料等主要組成原材料的品種、規格，就要再次進行試驗，確定性能符合要求之后才能進行制作，此時主要針對的是力學性能、耐久性能等方面，如果不合格則要再次調整配合比例，達到要求為止。

2.2鐵路混凝土通常都是在統一攪拌站進行混合制作的，按照既定的方式來進行。混凝土集中攪拌站在正式投產之前，要按照實際情況來制定嚴格的管理制度、合理生產工藝以及最佳的環境保護方案，所有工作人員需持有上崗證書，所有使用到的攪拌、檢測、計量等工器具都能夠滿足使用的需要。經過監理工程師的檢查確認之后才能投入到生產中。

㈡、有耐久性設計要求的混凝土的攪拌

1、設備

攪拌設備是混凝土制作過程中主要使用的設備，目前主要有臥軸式、行星式與逆流式等幾種，在加入原材料前應該使用電子計量設備來進行準確的稱量，保證數據的精確度達標。原材料的稱量最大偏差符合如下要求：

膠凝材料（水泥、摻合料等）±1%；

外加劑±1%；

粗、細骨料±2%；

拌合用水±1%。

2、投料順序以及攪拌時間的要求

攪拌過程中要按照施工工藝進行投料，依次投入細骨料、水泥、礦物摻合料和外加劑，充分混合均勻之后再加入水進行攪拌，制作成為砂漿之后可以加入粗骨料，直到全部攪拌均勻位置。上述所有環節需要攪拌30s以上，整個攪拌過程需要控制在2min～3min。

3、保證混凝土入模溫度的措施

①冬季混凝土攪拌的過程中，應該先計算熱工系數，然后經過試驗確定攪拌之前水與骨料應該加熱溫度。

②夏季環境溫度比較高的情況下進行攪拌，首先需要采取措施將水泥溫度降低到40℃以下。存放粗、細骨料的位置要遮陰，然后加入溫度較低的水以此來降低混和料的問題，或者是選擇在清晨或者傍晚等環境溫度比較低的情況下進行攪拌，從而可以確定混凝土材料溫度處于合理范圍內。

③如果設計方案中沒有明確規定，混凝土材料的入模溫度應該保持在5～30℃之間。

4、自覺執行首盤混凝土鑒定

混凝土攪拌站每日需要按照不同混凝土材料來確定合適的配合比參數，首盤混凝土在攪拌完成之后需要使用專業設備來進行溫度、塌落度、含氣量、水膠比等參數的檢測，只有經過檢測并且合格的配合比例才能正式投入生產中，否則將繼續調整、檢測。

㈢、有耐久性設計要求的混凝土的運輸

混凝土拌和物在攪拌完成之后使用混凝土攪拌車來進行運輸，通常都需要在制作完成之后的60min之內運輸到施工現場中，并且需要在1/2初凝時間之前完成入泵，所有的混凝土材料都要在初凝前完成澆筑施工。對于交通不通暢和環境溫度過高的情況下，應該采取措施來避免塌落度不合格的情況出現。

（四）有耐久性設計要求的混凝土的澆筑

1、混凝土澆筑現場的控制指標

入模前，對于運輸到施工現場的首輛運輸車內混凝土材料進行性能檢測，主要就是溫度、坍落度、含氣量、水膠比及泌水率等主要性能，符合要求之后才能進行施工。澆筑施工的過程中，需要間隔澆筑50m3就要進行一次抽檢，每班或者每個結構部分至少需要抽檢2次。

①混凝土拌和物溫度：當設計無要求時，混凝土的入模溫度宜控制在5～30℃。

②混凝土拌和物坍落度：控制在試驗室簽發的混凝土配合比坍落度的±20mm范圍內。

③混凝土拌和物含氣量：應滿足設計要求的入模含氣量。

④混凝土拌和物泌水率：混凝土拌和物不得泌水。

因此，在開始施工前要按照當前的技術標準來確定不同配合比的混凝土參數，提供給質量檢查人員。

2、特殊條件下的混凝土澆筑

特殊條件下的混凝土澆筑包括以下幾個方面：

①夏季炎熱環境下混凝土澆筑；

②大風干燥環境下混凝土澆筑；

③冬季溫度過低下澆筑；

④大體積混凝土澆筑。

在進行上述特殊條件下混凝土澆筑時，必須進行專門的施工組織設計，并報質量監控部門進行審批。重點審核：配合比設計是否合理；采取的措施是否有效可行；配套設施設備是否齊全；質量保證體系是否完備。

（五）有耐久性設計要求的混凝土的振搗

1、振搗工藝的基本要求

①根據實際施工的需要可以選擇拆入式振搗棒、附著式平板振搗器等設備來進行振搗施工。振搗時間需要嚴格控制，不能損壞模板、鋼筋以及其他的預埋件。

②根據施工工藝方案來進行混凝土的振搗施工，澆筑完成之后立即開始振搗施工，不能存在漏振或者過振的情況，每個振搗位置應該以表面泛漿或者不再出現氣泡為合格標準，通常都要控制在30s以下。

③應用插入式振搗棒施工的過程中，需要保證振搗棒垂直插入到振搗位置上。如果需要改變振搗棒的水平位置，此時應該先將振搗棒逐漸的拔出，然后將其移動到需要振搗的位置上，不能在混凝土結構內部進行平移。

（六）、有耐久性設計要求的混凝土的混凝土的養護

1、技術條件一般規定

①混凝土振搗施工結束之后，要及時將混凝土表面覆蓋，從而可以減少暴露時間，避免水分蒸發過快而導致出現表面裂縫的問題。

②混凝土帶模養護的過程中，應該采用表層包裹、澆水、噴淋水等方式來進行保護養護處理，從而可以保持表層的濕潤度。

③混凝土拆模或者表層覆蓋物拆除之后，需要及時對其進行蓄水、澆水與覆蓋灑水等方式進行養護施工，也可以通過在表層覆蓋一層具有較高水分的麻布等材料達到保濕的效果，從而可以防止表面水分蒸發過快而導致表面裂縫的存在。如果工程允許，則應該適當的延長覆蓋的時間，從而可以更好的提升混凝土結構的綜合性能，不會出現結構損壞的問題。

④在進行灑水養護的過程中，需要嚴格控制混凝土結構與水的溫差，保證其不會超過15℃。

⑤混凝土養護施工的過程中也需要進行必要的保溫處理，避免由于溫度變化過于嚴重而導致其結構出現損壞的問題。養護過程中應該保證混凝土芯部與表層、表層與環境溫度的溫差控制在20℃以下，如果混凝土的結構較為復雜，則應該將溫差控制在15℃以下。大體積混凝土需要根據工程的實際情況來選擇合適的養護施工方案，嚴格控制內外溫差，從而可以消除裂縫等病害問題。

⑥混凝土養護施工的過程中，需要選擇具有代表性的結構部分來進行溫度的檢測，主要針對的是芯部溫度、表層溫度、環境溫度以及空氣濕度等參數，要綜合考慮到所有的影響因素之后再確定合理的養護措施，以確保混凝土的結構性能達到工程的需要。

⑦晝夜平均溫度低于5℃或者環境溫度在-3℃以下，應該根據冬季環境的要求來進行施工。

2、梁體養護

①預制梁體混凝土可以選擇使用蒸汽養護、自然養護等方式來養護。

②蒸汽養護需要經過靜停、升溫、恒溫、降溫等四個環節。靜停時需要保證棚內的溫度在5℃以上，需要在澆筑結束之后4h就能夠進行溫度的提升，但是升溫速度應該保持在10℃/天以下；恒溫階段需要確保蒸汽溫度在45℃以下，芯部溫度在60℃以下；降溫過程中，降溫速度小于10℃/天。恒溫養護時要綜合考慮到混凝土結構強度、配合比例與環境等影響因素。

③自然養護的過程中，要將混凝土結構嚴密包裹，要達到設計所要求的混凝土強度之后才能進行拆模。在芯部與外表面、外表面與環境溫度差在15℃以下時才能停止養護。

④如果環境溫度在5℃以下，需要采取必要的保溫措施。在混凝土表層中噴灑一定量的養護劑，禁止直接灑水養護。

3、梁體混凝土蒸養時的靜停時間

①靜停就是開始混凝土的預養護過程中，該環節主要的目的就是讓混凝土結構達到初期結構強度的要求，可以通過抵抗外力或者溫度應力的方式來防止混凝土結構出現損壞的問題。該階段是必要存在的，按照施工工藝進行養護。

②梁體混凝土全部使用引氣混凝土來進行施工。如果靜停時間比較短，一方面會因為蒸養和溫度梯度而導致水化嚴重的情況存在，否則將會給結構性能造成嚴重的影響。另一方面，引入氣泡會在溫度價高的情況下出現膨脹、上浮等問題，就會給混凝土結構造成巨大的損傷，也會影響其結構的耐久性與力學性能，無法滿足工程的使用需要。

③因此，在施工開始之前，要結合工程的實際需要來確定混凝土的配合比參數，此時需要經過準確的試驗確定，要充分的了解靜停時間與混凝土材料的力學性能存在在的直接聯系，且要充分考慮到施工工藝與生產周期，根據需要來制定科學合理的蒸養制度。

（七）拆模

1、拆模時強度要求

混凝土拆模時應該保證其滿足設計方案的要求，如果設計中并未明確規定具體參數，就要按照如下要求來進行：

①混凝土強度達到2.5MPa以上才能開始側模拆除施工，并且在損壞邊角結構的情況下來進行模板的拆除施工。

②底模應該符合6.7.1的之后之后才能開始拆模。

2、 拆模時溫度要求

①通常來說，混凝土結構的芯部與表層、表層與外部環境的溫差超過20℃不能進行拆模施工。如果出現大風或者環境溫度下降過快的情況下也禁止拆模。對于冬季環境溫度過低的情況，在0℃以下不能拆模。夏季環境溫度比較高或者空氣比較干燥，此時可以進行分段拆模施工，保證邊拆邊蓋。

②冬季環境溫度過低時進行拆模，應該采取必要的保溫措施，而夏季環境溫度過高的情況下應該采取適當的隔熱措施，避免在天氣驟然變化而產生的嚴重的溫差應力導致裂縫。混凝土拆模完成之后有可能與流動水接觸，此時需要確保在與流動水接觸之前進行全面的養護，且養護時間不能少于14d，整體結構的強度達到設計要求的75%以上。養護完成之后應該立即開始回填施工，同時需要確保混凝土強度達到設計要求前不能被侵蝕。

（八）施工控制注意事項

1、要嚴格執行驗收標準，做好原材料按批次抽樣送檢，做好混凝土檢查試件的取樣、制作、拆模、編號和養護工作。

2、按驗收標準規定，做好砂、石含水率測定，當采用烘干法測定砂、石含水率時，應注意將砂實測含水率降低0.5個百分點、將石實測含水率降低0.2個百分點使用。

3、遇現場砂、石原材料級配出現明顯變化時，應及時取有代表性試樣進行顆粒級配分析，并根據實測結果對施工配合比進行及時調整，以保證施工配合比盡可能與理論配合比相符。

4、以實測混凝土拌合物坍落度為依據，嚴格控制拌合用水量，一般應按照“坍落度偏小時加水減砂，坍落度偏大時減水減加砂”方法進行控制。注意在調整時應執行循序漸進的原則：以每次增減1～2㎏砂石用量去進行操作。

（九）有耐久性設計要求的混凝土施工中的檢驗項目及檢驗批次控制

1、 坍落度

混凝土材料運輸到施工地點開始澆筑施工之前，需要進行塌落度參數的檢測，該參數應該達到施工工藝的要求。澆筑施工的過程中需要澆筑50 m3就進行1次塌落度檢測，并且需要做好塌落度數據的詳細記錄。

2、 含氣量

混凝土入模前應該檢查含氣量，此時需要間隔澆筑50 m3或者每班來進行一次檢測。

3、 混凝土入模溫度

冬季施工環境溫度比較低的情況下，混凝土的入模溫度應該在5℃以上；夏季環境溫度比較高的情況下，混凝土入模溫度要控制在30℃以下。每班需要進行3次溫度檢測，并且做好數據記錄。

4、 檢查試件

① 每拌制100盤且不超過100m3就要進行取樣一次。

② 每班工作時混凝土攪拌不足100盤，取樣一次。

③ 現澆混凝土各個結構部分取樣一次。

④ 每次取樣需要保留一組試件，具體的留置數量要按照設計或者施工工藝要求確定。

⑤ 設計方案中明確對彈性模量數據有要求時，應該在澆筑的過程中需要隨機抽取試樣進行檢測，對于標準養護28d應該確保其彈性模量達到設計方案規定的要求。

⑥ 混凝土耐久性能應該符合下表6.9.1中的相應規定要求。

隧道襯砌每200m應至少制作抗滲檢查試件一組。抗滲試件應在混凝土的澆筑地點隨機抽樣制作，其標準養護28d的抗滲等級應符合設計要求。

5、同條件養護試件

①橋梁每個結構部分都要按照設計方案中的強度等級要求來選擇相同養護條件之下的試樣來進行性能檢測。

②如果設計方案中對于混凝土結構的彈性模量有著明確的要求，此時就要保證彈性模量達到設計方案的要求，主要是通過現場取樣檢測的方法來確定彈性模量參數，但是需要注意在相同養護條件下，選取試件不能少于一組。

三、高性能混凝土配合比設計在蒙華鐵路MHTJ-24標公安縣制梁場T梁預制中的應用實例

（一）配合比的調整與確定

根據計算配合比進行試拌，在水膠比不變的前提下，通過調整配合比其他參數使混凝土拌合物物理性能，指標坍落度、和易性均符合設計和施工要求，修正計算配合比為：

水泥：粉煤灰：細骨料：粗骨料：減水劑：引氣劑：水=402：88：572：1215：4.90：2.45：146

（1）、以此配合比作為混凝土強度試驗用的基準配合比進行試驗。將水膠比按基準配合比相應增加和減少0.02，用水量不變，進行水膠比分別為0.29、0.31、0.33，砂率βs，為31%、32%、33%的三個不同配合比的混凝土進行試驗。

（2）確定理論配合比

根據《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55-2011和試拌情況及強度數據，TB/T3275-2018《鐵路混凝土》>50強度等級膠凝材料最大用量500Kg/m3，水膠比0.29配合比膠凝材料用量503Kg/m3，超過規定值，故水膠比0.29配合比不滿足規范要求，不作試拌。水膠比0.33配合比28天強度63.7MPa，不能達到試配強度69MPa，不符合規范要求。本著經濟合理的原則，同時保證混凝土工程質量，選定水膠比為0.31的混凝土配合比，依據實測容重2434Kg/m3，校正系數為1.002，不超過假定容重計算值的2%，不做修正，通過計算最終確定配合比。

（二）每m3混凝土中堿含量、CI-含量、SO3計算；電通量試驗結果統計：

1、混凝土總堿含量計算：（Kg）

混凝土總堿含量參數的確定是通過原材料復檢與混凝土配合參數所確定的，其中粉煤灰是按照總堿量1/6計算的，混凝土的總含堿量在3.0Kg/m3以下，可以滿足正常使用的要求。

2、混凝土中的CI-含量計算：

混凝土CI-含量確定要結合原材料復檢結果與配合參數確定，并且需要保證CI-含量綜合控制在膠凝材料的0.06%以下。根據該檢測數據，可以得出混凝土材料內有害物質的含量是否超出標準規定的要求。

3、混凝土中的SO3含量計算：

混凝土SO3含量主要是根據原材料復檢與混凝土配比參數可以確定，SO3含量之和要控制在膠凝材料總量的4.0%以下。

4、混凝土電通量試驗統計：

根據《預制后張法預應力混凝土鐵路橋簡支T梁技術條件》（TB/T3043-2005）的要求，C60T梁電通量在1000C以下，符合標準規定的要求。

5、水泥的密度為3070kg/m3，粉煤灰的密度為2410kg/m3，水的密度為1000kg/m3計算結果如下：

該配合比中水泥的體積比：402÷3070=0.131

該配合比中粉煤灰的體積比：88÷2410=0.036

該配合比中水的體積比：146÷1000=0.146

該配合比的漿體體積比為：（0.131+0.036+0.146）/1=0.313

0.313≤0.35符合要求

6、混凝土抗滲試驗統計：

根據《預制后張法預應力混凝土鐵路橋簡支T梁技術條件》（TB/T3043-2005）的要求，C60T梁梁體混凝土的抗滲等級≥P20，實測齡期28d抗滲≥P20符合要求。

（三）強度分析：

經過28d的養護之后，混凝土強度已經達到設計方案要求的122.7%，達到本次工程的施工需要，可以滿足交通荷載運行的需要。在經過養護28d之后檢測，其試配強度達到了設計方案中要求的107%，可以應用到實踐中。

四、結語

綜上所述，高性能混凝土廣泛應用在鐵路工程當中，要根據使用的原材料進行高性能混凝土配合比優化實際，對配合比各項指標進行檢驗，設計出經濟合理滿足設計和規范要求的配合比。同時在工程中要嚴格按照配合比施工，加強施工工藝的控制，確保混凝土工程實體合格，從而為施工生產服務，從而推動社會進步和經濟發展。

參考文獻：

[1]《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》（TB 10424-2014）[S].中國鐵道出版社.2016，22-59.

[2]《鐵路混凝土》（TB/T 3275-2014）[S].國家鐵路局.2016：3-25.

[3]《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》（TB 10005-2010[S].2010：6：30.

[4]《預制后張法預應力混凝土鐵路橋簡支T梁技術條件》（TB/T 3043-2005[S]中華人民共和國鐵道部.2005，2-16.

（作者單位：中鐵三局集團第二工程有限公司）