高速鐵路高性能混凝土配合比優化及性能研究

張孝斌

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

高性能混凝土又叫HPC，能在普通混凝土的基礎上加大性能。然后采用現代建筑混凝土配置技術，產生高質量、高性能的工程混凝土。根據混凝土的不同使用需求，可在強度、工作性、經濟性和實用性等諸多性能上有選擇地加以保證。高性能混凝土在配制過程中，通常具有水膠比低、原材料優質和摻量大等特點，對鐵路的發展起到了積極的推動作用。基于此，有必要對鐵路橋梁高性能混凝土配合比設計參數進行深入研究。

1 高性能混凝土的優良性能

隨著交通運輸的不斷發展，越來越多的新材料被應用到工程中。與傳統混凝土相比，高性能混凝土在強度、穩定性和使用壽命等方面具有突出的優勢，已成為工程研究的熱點之一[1]。

1.1 高耐久性

混凝土耐久性主要表現在混凝土是否能很好地抵抗外界環境帶來的破壞，保證工程的外觀完整性和功能性，使混凝土的結構更安全，延長使用年限。高性能混凝土的耐久性能減少高速鐵路被化學侵害的可能性。根據調查研究，在高速鐵路中使用高性能混凝土，能使安全壽命達50～100 a。

1.2 強度大

現在，高速鐵路越來越多，為了使鐵路的安全性提高，必須加強混凝土的強度程度。高性能混凝土通過改善混凝土界面結構，大大提高了混凝土的強度，在鐵路建設中顯示出其優越性。

1.3 穩定性好

高速鐵路作為城市的基礎設施，因為長期使用，會造成很大的荷載。混凝土的穩定性能決定高速鐵路結構的承載力。高性能混凝土采用高效減水劑，通過調整原材料的配比，提高混凝土的穩定性，避免因溫度和應力變化引起的混凝土破壞引起工程結構變形。

2 高性能混凝土配合比設計要點

高性能鋼筋混凝土以其高品質耐久性、高機械工作性、一定的抗強度、體積和高穩定性與實用經濟性而著稱。在我國高性能結構混凝土研究發展應用過程中，混凝土行業使用者往往過度注重使用混凝土的結構強度，而完全忽視了使用混凝土的整體彈性和結構韌性。目前國內使用的新型高性能鋼筋混凝土大多增長過快，強度過高，使高性能鋼筋混凝土的整體彈性和結構韌性明顯不足。高性能新型混凝土在發生變形時，其整體抗壓和變形腐蝕能力相對較差，降低了性能混凝土的使用耐久性。通過對部分高性能防水混凝土土質配合結構比的初步優化分析設計，在充分保證性能混凝土使用所需結構強度的基本前提下，盡可能多地降低部分高性能防水混凝土的土質脆性，提高性能混凝土的防水抗壓和變形腐蝕能力[2]。

2.1 膠材用量

膠凝復合材料一般泛指各種用于人工配制活性混凝土的活性膠凝礦物質和摻合料（即例如膠凝水泥、粉煤灰、磨細粉的礦渣粉或結晶硅粉），統稱材料為活性混凝土料或膠凝復合材料。配制使用高性能鋼筋混凝土時，要對混凝膠料的使用進行有效控制。當不符合混凝土結構強度控制要求的時候，適當減輕對膠材的使用，選擇用一種良好的骨料。細砂砂骨料應盡量多地選用不同級別匹配良好、潔凈的中性細砂，能有效減少各層混凝土內部的空隙，減少混凝膠的使用量與內部混凝土的自流和收縮。同時，由于混凝膠量的大大減少，能有效抑制建筑混凝土的內部水化化學反應與建筑混凝土的外部水化熱和內部孔隙，改善建筑混凝土整體內部結構，提高內部結構的整體密實度。

目前現場常用的煤粉外加劑的主要成分是有機粉煤灰。由于鋼筋粉煤灰的細度要遠遠小于普通水泥，比泥的表面積大，能很好地用于填充鋼筋混凝土內部孔隙和上下水道，提高鋼筋混凝土的結構密實度。而且由于粉煤灰的有機水化化學反應處理周期長，水化處理反應慢，混凝土結構強度含量可以不斷得到提高，對混凝土后期結構強度提高有很大的經濟貢獻。相同濃度條件下的摻粉對比測量試驗結果表明，摻粉為褐煤灰后，強度提高10%～20%，在56 d內達到30%以上。

對不同類型、不同摻量的礦物摻合料的室內拌和結果進行了對比分析。結果表明，粉煤灰和礦渣微粉摻量分別為20%時，混凝土的耐久性、力學性能和其他性能均滿足設計要求[3]，見表1。摻粉煤灰后鋼筋混凝土早期水化強度繼續上升緩慢，28 d后強度明顯低于未再次摻粉煤灰時，但后期溫度強度繼續上升水化空間較大，說明未摻粉煤灰對鋼筋混凝土早期控制水化化學反應中具有很好的主動控制水化作用，改善鋼筋混凝土基層內部結構，提高鋼筋混凝土基層密實度。那么在實際工業應用中如何有效控制使用粉煤灰的廢氣摻量呢?理論上，20%～30%的鋼筋粉煤灰強度可以直接替代鋼筋水泥將其摻雜到鋼筋混凝土中，此時強度是最好的，但實際上，在鋼筋混凝土早期硬化強度不高時，有時強度可以直接達到40%以上。

表1 粉煤灰和礦渣粉的優缺點

2.2 水膠比

水膠的配比不僅直接影響整體混凝土的結構強度和使用耐久性，而且對整體混凝土的整體流動性和阻力也是具有很大的直接影響。過大的混凝水膠比不利于建筑混凝土內部和微觀整體結構的科學發展，會在建筑混凝土中直接形成大量的管道開閉孔隙或壓縮氣泡，以及由于混凝水的快速運動而直接形成的管道貫通上下水道，將極大地影響建筑混凝土的結構強度和建筑耐久性。因此，在確定高性能鋼筋混凝土水泥配合比例的設計中，水泥油膠比質量是我們需要仔細考慮和嚴格控制的關鍵參數，一般正常情況下，水膠比最好控制在0.42以下，見表2。

表2 高性能混凝土水膠比

2.3 坍落度

目前，通過在摻雜材料中添加大量人工粉煤灰和其他施工外加劑，高性能新型鋼筋混凝土的施工簡易性和工藝綜合性的工作性已經分別得到了很大程度的提高，相對容易并且得到質量保證也是能夠滿足降低建筑墻體坍落度的一種有效施工工藝。但由于我國建筑專用減水劑涂料整體使用性能的巨大性和不穩定性以及受建筑施工現場自然環境、溫度等多種環境因素的雙重變化影響，坍落度經常發生變化，特別是這一點對于建筑減水劑的施工質量損失影響尤為重要，因此在建筑油水涂料配合使用比例的標準設計中它還可以嚴格控制，降低建筑坍落度與造成質量損失的標準數值。混凝土鋼筋完成配制后在施工進行過程60 min內對于墻體鋼筋坍塌剝落應力度數的最大損失一般不應達到或大于30 mm。

2.4 混凝土含氣量

含水排氣量對于目前高性能鋼筋混凝土含氣配合比例的設計應用有著重要的指導作用。混凝土的內部空氣量不但有可能使其具有很好的防水抗凍性，還有可能直接影響涉及到鋼筋混凝土的拌合容易性、流動性和耐久性。混凝土吸水中的氣體含水空氣量較高，能在固體混凝土中迅速產生大量的白色球形球狀氣泡，在不同含氣介質的吸水界面之間可以起到良好的吸水潤滑保護作用，并在固體混凝土中逐漸形成均勻密度分布的小孔。這些立體孔隙結構能有效防止堵塞內部空氣通孔，減少內部毛細水的大量滲透和吸收，保護和抵抗外部有害化學品的侵蝕。這些通道孔隙主要是由混凝土中均勻緊密分布的各種氣泡混合形成的一種封閉通道孔隙，與混凝水膠比過大或由于水路通道連接不良引起的孔隙缺陷也與通道孔隙有一定本質區別，二者不能互相混淆。雖然這種混凝土的材質含量和氣量較有利于提高混凝土的材質耐久性和耐磨和易性，但是所含有的氣量一般不宜過大。混凝土的固體含水摻氣量主要是由固體摻氣吸水劑或其他具有摻氣吸水作用的固體減水劑引起的。如果建筑空氣氣泡含量過大，一方面可能會使建筑混凝土材料內部空間不斷充滿大量建筑氣泡，導致建筑混凝土內部混合土材料表觀結構密度明顯降低，混凝土內部密實度明顯不足，強度和損失大；另一方面，由于內部大量氣泡隨著施工時間的持續推移不斷發生破裂，流動的建筑混凝土不斷減少，導致建筑混凝土內部坍落度和損失較大，在國家規定的施工時間內根本無法完全滿足建筑施工工藝上的要求。

3 鐵路高性能混凝土配合比配置途徑分析

3.1 配比設計準備工作

高性能混凝土有和易性的特征，在混凝土混合料成型期間不能離析。在設計配合比之前，要預先做準備，相關技術人員應該好注意幾個問題：（1）充分消化設計圖紙，了解其對混凝土結構的系列要求，嚴格控制各種參數：構件截面尺寸、鋼筋布置密度與材料的強度和耐久性；（2）執行混凝土成果要求，確定需要何種水泥和粗骨料的粒徑；（3）熟悉、掌握運輸與澆筑過程的具體方法和機械化水平，在選擇外加劑和用量時能正確掌握凝結時間；（4）了解可采購材料的品種、質量和供應能力。在相關數據的指導下，更好地選擇合適的配合比設計方案。

3.2 混凝土配置的途徑及方法

在配置高性能混凝土的過程中，要注意混凝土中常見礦物的配置，即在實際配置中要掌握礦物與混凝土的比例。當高性能混凝土應用于混凝土結構時，是為了讓高性能混凝土的礦物組成來減低裂縫的溫度，當水泥水化之后，就會在混凝土界面處產生氫氧化鈣和二氧化硅沉淀現象。在產生反應的時候，因為高性能堿水劑的結合使混凝土拌合料中出現了很多的凝膠顆粒。在轉化過程中，凝膠粒子會形成荷電反應，被電排斥現象所分散，最終使混凝土的應用具有流動性。

3.3 混凝土配置的過程分析

在對鐵路混凝土應用配比的過程基本上有6個方面。第一方面是計算混凝土構型含水率，應根據混凝土構型的具體應用材料進行估算和計算；第二方面是計算混合膏體的體積。在此過程中，應預估摻有粉煤灰和凝膠顆粒的混凝土體積。同時，在混凝土體積預測過程中，應測量混凝土攪拌時的孔隙，基本上，混凝土孔隙率是在0.35%～0.45%中間；第三方面是計算混凝土骨料消耗。在這過程中，要憑借現場實際工程的所需量來進行計算混凝土配合比骨料；第四方面是分析混凝土攪拌中所用的材料。在這期間，需要根據實際情況對混凝土實施混合攪拌，攪拌混合時要注意不同材料的密度和體積；第五方面是混料實驗。根據實際需要對計算出的混凝土和各種材料進行專題試驗，挑選任何一個施工現場當作試驗場地，在試驗過程中要適當改變混凝土的配合比和配料，以便更好地實施；第六方面是根據不同的地區分析不同的特殊實驗材料。在使用混凝土進行配合比時，不能忽視區域因素。因為鐵路施工的環境各不相同，在實際施工中應根據現場的地理環境進行特殊的配合比設計。

3.4 加強混凝土養護質量控制

在完成混凝土澆筑之后，要加強保護工作。基本上從4個部分著手：（1）從各式各樣的施工環境、施工對象、水泥的種類、外加劑和混凝土性能上，挑選出詳細適合的保護措施，關于混凝土結構的保養方案和維護時間都必須按要求來制定；（2）一旦新澆結構和流水融合在一起，就得強化防水方案，避免混凝土在保護過程中受到水流的破壞；（3）當混凝土拆掉模具后，應該在上面加蓋保溫保濕的無紡土工布或麻袋，同時固定澆水達到保溫保濕。每天澆水的次數取決于環境濕度；澆水時要使混凝土的表面一直濕潤，使質量得到保障。（4）混凝土的早期養護，應派專人保持混凝土濕潤。在進行澆水時，混凝土和水溫之間的溫度差不能大于15℃，而當環境溫度低于5℃時，混凝土表面禁止灑水。

4 結束語

總而言之，在鐵路高性能混凝土的配置中，應該選擇用低水膠比，適當地減輕混凝土單位的用水量；選擇用高性能減水劑，加大外加劑的使用性，節約水泥使用；降低混凝土內部孔隙率，縮減體積，使混凝土更實用。混凝土耐久性主要體現在混凝土電通量、抗滲性、抗凍融性、抗裂性、鋼筋防護性和抗堿集料等耐久性指標上。