高性能混凝土配合比優化設計及施工

潘本金，王蒙蒙

(陜西路橋集團有限公司，陜西 西安 710068)

0 引言

隨著我國高速公路建設事業的飛速發展，橋梁施工由平原區轉入山區，高墩、大跨橋梁設計不斷涌現，施工質量要求不斷提高，對橋梁混凝土施工性能提出了更高要求[1]，高性能混凝土是指強度等級不小于C60的混凝土，作為一種新的建筑材料，其抗壓強度高、抗變形能力強、密度大、空隙率低、易于泵送的高性能優越性，在高墩、大跨度橋梁結構中得到廣泛應用。決定高性能混凝土的主要因素有：一是選擇質地好、強度高的集料；二是選用高強水泥，活性高，已水化水泥所產生的水泥凝膠體積對該體積與毛細管空腔體積總和之比大；三是選擇摻入高性能減水劑、添加摻合料方法取得較好的泵送性。隨著施工科技的進步，高強混凝土的流態化是目前混凝土發展的方向，制取高性能混凝土主要從改善混凝土的膠結材料、硬化體、增強材料的復合結構入手，使各種材料間作用滿足設計強度形成較高的工作性、泵送性。由于混凝土的強度取決于水泥漿的強度、水泥漿與集料的黏結強度、集料的強度，因此選擇優質的原材料、選取較低水膠比、使用高效減水劑探索添加摻合料來優化設計配合比是高性能泵送混凝土設計與施工的首要任務[2-4]。

1 工程概況

旬邑至陜甘界高速公路梁渠溝大橋坐落旬邑縣湫坡頭鎮車門村南，路線自北向南設置梁渠溝大橋跨越該溝，橋梁起點樁號K305+161,終點樁號K305+919,全長758 m，橋寬25.5 m，最大橋高118.5 m。主橋為(75+2×140+75)m波形鋼腹板預應力混凝土連續剛構橋,分雙幅修建，主梁結構形式為腹板采用耐候鋼鋼腹板，頂、底板采用C60混凝土的單箱單室截面，設計鋼腹板總重1 530.6 t，C60混凝土12 680 m3。是整個旬邑至陜甘界高速公路的關鍵控制性工程之一，為省內在建首座鋼腹板預應力混凝土連續剛構橋，墩位所處地形起伏較大，地勢險要，施工難度大。主橋波形鋼腹板懸臂箱梁為高墩、大跨橋梁，梁體采用掛籃懸灌澆筑施工，混凝土集中拌合，罐車運輸，采用拖式泵從溝底向墩頂泵送C60混凝土施工。

2 高性能混凝土配合比設計原則

高性能混凝土設計是在高強度混凝土施工過程中反復試驗，不斷總結和探索，添加優質摻合料等方法，才能掌握的混凝土配合比試驗方法，需要按照以下原則進行。

2.1 最小水泥用量原則

混凝土配合比設計，按照《橋規》要求，既要滿足最大水泥用量不宜超過500 kg/m3,又要滿足混凝土強度要求，在選擇滿足試配強度符合要求的情況下，選取最小水泥用量，控制混凝土凝結升溫效果。

2.2 水膠比原則

根據《橋規》規定，結合混凝土強度等級和現場材料，選擇合理的水膠比，水膠比過小不利于泵送，水膠比過大會影響混凝土強度。

2.3 密實體積原則

在混凝土配置過程中，是以粗集料為骨架結構，細集料作為填充空間，水泥比表面積較大，用來包裹集料表面形成膠結體，再以優質摻合料、高性能減水劑提高混凝土的工作性能。

2.4 最小用水量原則

在使用了高效減水劑的情況下，配合比計算時，在滿足泵送混凝土坍落度技術要求的同時，要減掉因高效減水劑作用而替代的部分用水量，扣除集料天然含水量，在滿足工作性能上控制最小用水量。

2.5 最佳工作性原則

高性能混凝土需要有良好的泵送性和工作性，通過添加摻合料，在混凝土完成拌合后，混凝土料質地均勻，不得有離析、泌水現象，在混凝土運輸、泵送、澆筑過程中，坍落度損失較小，混凝土澆筑開始到結束時間的終凝時間確定。泵送性能良好，不易產生堵管現象。

3 C60高性能混凝土配合比設計

3.1 原材料選用

1)水泥：水泥是影響混凝土強度的主要因素。應使用礦物結構合理、細度合格的高強度水泥。本工程采用海螺水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥P.O52.5，其各項指標如表1所示。

表1 水泥指標檢測一覽表

2)中砂：中砂對C60以上混凝土和易性的影響比粗集料要大。一般應選用級配較好、含泥量小、石英顆粒含量較多的江砂或河砂。本工程采用產地楊凌梅花砂場河砂，其各項指標如表2所示。

表2 細集料各項指標檢測結果一覽表

3)粗集料：粗集料主要起骨架作用，骨料的性能對于高強度混凝土的抗壓強度起到決定性作用。粗集料的抗壓強度、外表特征、粒徑、雜質含量等對強度有重要的影響。本工程采用銀川永康石料廠碎石，采用5 mm～10 mm，10 mm～20 mm兩種級配碎石組合成的5 mm～20 mm連續級配。其組成比例為：5 mm～10 mm占15%，10 mm～20 mm占85%，其各項指標如表3所示。

表3 粗集料指標檢測一覽表

4)水：采用飲用水，水質滿足使用要求。

5)外加劑：選用山西黃騰的聚羧酸高性能減水劑(HT-HPC)，摻量為膠凝材料用量的1.3%(減水率為27.3%)。

6)摻合料：根據查閱相關文獻，廣泛汲取現有經驗，擬采用陜西正元的F類Ⅰ級粉煤灰，采用韓城大唐盛龍的粒化高爐(S95)礦渣粉進行試配。

3.2 配合比設計

1)確定混凝土配制強度：設計要求混凝土強度fcu，k=60 MPa，混凝土配制強度fcu，o=1.15fcu，k=1.15×60=69.0 MPa。

2)確定水膠比(W/B)：(W/B)=(αa·fb)/(fcu,o+αa·αb·fb)

(1)

其中，αa取0.53；αb取0.20；fcu,o為混凝土配制強度，取69.0；fb為水泥強度實測值，取59.7。

代入式(1)得：(0.53×59.7)/(69.0+0.53×0.20×59.7)=0.42。

依據JTG/T F50—2011公路工程橋涵施工技術規范，查表6.15.9-1最大水膠比為0.32，考慮混凝土耐久性和原材料特性故選用基準配合比水膠比為0.29。

3)選定單位用水量：根據施工設計泵送混凝土拌合物坍落度180 mm～220 mm,碎石最大粒徑26.5 mm。依據配合比設計規程確定混凝土單位用水量248 kg,聚羧酸高性能減水劑(HT-HPC)，摻量為膠凝材料用量的1.3%，減水率為27.3%。故用水量為248×(1-27.3%)=180 kg,采用180 kg用水量進行試拌，坍落度不能滿足設計要求，故對單位用水量進行調整，最終調整單位用水量為156 kg時，混凝土和易性滿足設計及施工要求。

4)計算單位水泥用量：混凝土單位用水量mwo=156 kg/m3，水膠比W/B=0.29。

混凝土單位膠凝材料用量為：mbo=mwo/(W/B)=156÷0.29=538 kg/m3，按耐久性校核單位膠凝材料用量，按橋規JTG/T F50—2011要求，其水泥用量和水膠比均符合要求，因此確定水膠比為0.29，膠凝材料用量調整為538 kg。計算摻合料(粉煤灰+礦渣粉)用量mfo=mboβf=538×0.20=108 kg，粉煤灰∶礦渣粉=6∶4，粉煤灰：108×0.6=65，礦粉：108×0.4=43。計算單位水泥用量mco=mbo-mfo=538-108=430 kg。

5)選定砂率：選用砂率βs=40%。

6)外加劑用量mad=mbo，βa=538×1.3%=6.994 kg，采用重量法計算粗、細集料的單位用量mco+mgo+mso+mwo+mfo=mcp=2 500，βs=mso/(mso+mgo)×100%=40%，求得mso=722 kg，mgo=1 084 kg，根據質量法計算的初步配合比為：

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994=1∶0.36∶1.68∶2.52∶0.15∶0.10∶0.016。

3.3 基準配合比確定

實測混凝土拌合物單位質量mcp=2 510 kg/m3(如表4所示)，試驗配合比表觀密度計算值ρcc=430+722+1 084+156+65+43=2 500 kg/m3，校正系數ò=ρct/ρcc=1.01，因混凝土表觀密度實測值與計算值之差的絕對值為0.4%，小于2%，所以確定C60泵送混凝土基準配合比為：

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994。

表4 混凝土拌合物試驗結果表

根據標準配合比(見表5，表6)，在其單位用水量不動的情況下，按基準配合比的水膠比±0.02、砂率±1%，三種配合比即為：

表5 混凝土7 d，28 d力學性能試驗檢測表

表6 混凝土工作性能檢測表

1)水膠比為0.27、砂率39%。

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=462∶156∶689∶1 077∶70∶46∶7.514。

2)水膠比為0.29、砂率40%。

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994。

3)水膠比為0.31、砂率41%。

水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=402∶156∶755∶1 086∶61∶40∶6.539。

根據試驗混凝土拌合物工作性7 d,28 d的力學及工作性能，擬采用水膠比為0.29、砂率40%的配合比，配合比為水泥∶水∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦渣粉∶外加劑=430∶156∶722∶1 084∶65∶43∶6.994(見表7)。

表7 混凝土配合比選定結果表 kg/m3

4 高性能混凝土施工質量控制

在整個施工期內，碎石、中砂的供應受市場需求、料源等因素影響，質量經常變動，這些問題給高性能混凝土施工配合比管理提出了更高的要求，在試驗室配置符合要求的高強混凝土比較容易，而在整個施工過程中，穩定質量水平較為困難，一些在普通情況下不太敏感的因素，在低水灰比情況下會變得相當敏感，這就要求在整個施工過程中必須注意各種條件、因素的變化，并且要根據變化，隨時調整配合比和各種工藝參數。在實際施工過程中，從以下方面加強管理。

4.1 施工配合比管理

1)堅持配合比調整由試驗室專人專管、實施試驗室主任嚴格把關，項目總工批準的原則。

2)嚴格控制水灰比,骨料的含水量應在用水量中扣除，每天需測定骨料含水量，每次配料時連續測定砂子含水量。

3)材料部門將原材料供應的變化、波動及時通知試驗室，試驗室根據材料進場抽檢結果，適時調整。

4)由試驗室將配合比調整的原因、方法、注意事項給各部門交底，定期檢定混凝土攪拌機的計量系統。

4.2 高性能混凝土泵送施工要求

4.2.1 泵機及泵管的選擇

根據本工程的現實情況，依據相關技術規程對泵送高度119 m以上的懸臂箱梁澆筑選用中聯HBT90.21.22OSU地泵，最大輸出壓力28 MPa。高墩懸臂箱梁施工輸送管道拆裝不便，因此輸送管采用特制耐磨超高壓管道，厚度為6 mm，由于管徑過大的輸送管抗爆能力差，管徑過小，輸送阻力大，而且混凝土在管道內流動較慢、滯留時間長，影響混凝土的性能。本工程采用的是125 mm的輸送管。

4.2.2 泵管的使用沖洗

每次混凝土澆筑前，檢查平管內部是否存在沉淀殘渣進行清理，后打水充分濕潤管道并檢查是否存在漏水現象，檢修完成后用與混凝土相同強度的砂漿，再次濕潤管道正常澆筑混凝土。混凝土澆筑完成后，在泵車料斗內放水，用水混凝土壓至澆筑部位，然后再次使用水徹底清洗管道。

4.2.3 泵送施工過程注意事項

每次輸送混凝土前用適量的與混凝土成分相同的水泥漿或水泥砂漿潤滑輸送管內壁，由試驗人員檢測每車混凝土的工作性能，在罐車內反轉罐體使其攪拌均勻后入泵。混凝土必須保證連續不間斷。泵送混凝土時，收料斗內要有足夠的混凝土，防止吸入空氣形成阻塞。

4.2.4 施工質量驗證

2019年5月15日C60高性能混凝土正式投入生產，到2020年7月持續施工，混凝土保水性、流動性、保塑性良好，提高了一次性泵送率，入模后無離析、泌水現象，拆模后混凝土表面色澤一致，無砂帶且氣泡明顯減少，設計圖紙要求混凝土強度達到設計強度的90%，且混凝土彈性模量不小于85%(3.6×104MPa)，方可進行預應力張拉施工，前期混凝土強度增長快，5 d滿足設計圖紙要求，既滿足了工程質量，又加快施工速度。經優化后的高強度C60混凝土提高了泵送率，同時降低了施工現場因堵管造成混凝土的浪費及管道拆裝費(見表8)。

表8 混凝土強度及彈性模量實測表 MPa

5 結語

優化設計的C60高強混凝土配合比施工，添加了優質粉煤灰、礦渣粉摻合料，具有較好的工作性、可泵送性、抗壓強度和耐久性。成功的實施了在高墩、大跨橋梁條件下混凝土的施工，實踐證明高性能混凝土應用于梁渠溝大橋施工是十分有利和合理的。高性能混凝土配合比的應用，有效地加快了施工速度，節約了費用，促進了混凝土方面的技術進步，為我公司橋梁后續施工積累了豐富的經驗。