鐵路高性能混凝土配合比設計分析

黃振龍

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

現階段鐵路經過的區域環境大多較為惡劣，會導致混凝土結構被腐蝕，出現凍融循環情況。用普通混凝土建設鐵路時，會在一定程度上縮短混凝土使用壽命，增加相應的建設成本，基于此種情況，國內外研究學者紛紛開始研究混凝土結構性能。高性能混凝土具有強度高、抗腐蝕性強的性能，在極其惡劣的環境中仍能保持穩定狀態，是現階段建設鐵路時的首選[1]。基于此種情況，對高性能混凝土配合比設計的研究十分重要。

現階段關于高性能混凝土的配合比設計研究如下：麻鵬飛等（2018 年）利用工業鋰渣、礦渣、粉煤灰代替部分水泥制備高性能混凝土，在對其力學性質進行研究后發現，這種方式制備的高性能混凝土強度相對較高；姚賢華等（2018 年）對不同配合比制備的混凝土進行了研究，研究它被腐蝕后的外觀變化；楊卓強等（2018 年）通過不同的石粉摻量分析含機制砂的高性能混凝土耐久性的影響因素，發現摻入一定石粉后，不僅提升了混凝土的抗滲性，而且還在一定程度上提升了混凝土的抗碳化能力，但是對其抗裂性能并沒有太大的影響；阮明和等（2018 年）通過骨料代替率對高性能混凝土的力學進行研究后發現，當骨料代替率為0.2 時，其混凝土的強度得到了一定程度的提升，并且其抗酸腐蝕能力也得到了提升[2]。

除此之外，制備高性能混凝土時，對材料的要求相對較高，需符合相應的規范標準，同時還需要考慮高性能混凝土能否在惡劣的環境中發揮其耐久性。此外，在不同地區采集原材料也有一定差異，從而使得不同地區的混凝土配合比不盡相同。本文對高性能混凝土配合比進行了研究，主要過程如下。

1 試驗材料

1.1 水泥

高性能混凝土的施工性能、強度要求相對較高，并且其力學性質應符合相應的標準，因此原材料的選取過程十分重要[3]。基于此種情況，根據GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》選擇P·O 52.5 級水泥，這種水泥的C3A 含量相對較低，試驗水泥主要參數如表1 所示。

表1 試驗水泥主要參數

1.2 硅粉

在選取硅粉的過程中，應嚴格按照現行規范GB/T 27690—2011《砂漿和混凝土用硅灰》的要求進行選取，其物理性能如表2 所示。

表2 硅粉主要物理參數

1.3 骨料

本次試驗選取的粗骨料需滿足連續級配要求，CaCO3碎石粒徑在5～10 mm 范圍內。

細骨料采用石灰巖質機制砂，2 種骨料的性能指標如表3、表4 所示。

表3 粗骨料主要性能指標

表4 細骨料主要性能指標

1.4 減水劑

本次試驗選用減水率為32%的聚羧酸系高性能減水劑，其主要性能指標如表5 所示。

表5 減水劑主要性能指標

1.5 混凝土攪拌用水

攪拌用水應符合JGJ 63—2006《混凝土拌和用水標準》。

2 高性能混凝土配合比設計

在確定高性能混凝土配合比的相關強度后，需適當調整其混合料與其中的外加劑，保證其制備符合相關的工程技術要求[4]。除此之外，在進行配合比初步配置的過程中，首先需要考慮水膠比。當其中一部分膠體未完全水化后，可將其作為混合料中的細骨料，然后利用相對體積法，秉承最小材料用量的原則，進行相應的混凝土配合比設計實驗。經過反復試驗后，根據配合比的相關要求，經過反復比較與刪減，最終得出相應的3 組試件，即0.3（W1）、0.32（W2）、0.35（W3），其具體的配合比參數如表6 所示。

在相對惡劣的環境中建設鐵路時，混凝土的強度應達到一定要求，可通過混凝土的強度質變來判斷高強度混凝土的配合比設計是否合理。因此，在3 組配合比的基礎上，制備相應的立方體試件，并且在試驗室標準條件下進行養護，以此來獲取高性能的混凝土，其監測結果如圖1 所示。

圖1 高性能混凝土不同水膠比試件7 d、28 d 的抗壓強度

從圖1 中可以明確看出，在不同水膠比、不同養護時間的條件下，高性能混凝土的抗壓強度不同。當養護時間為7 d 時，水膠比為0.3（W1）、0.32（W2）、0.35（W3）的抗壓強度分別為55.6 MPa、38.2 MPa、50 MPa。水膠比為0.3（W1）、養護時間為7 d 時，抗壓強度達到設計強度的 9 0 % ； 水膠比為0.32（W2）、0.35（W3），養護時間為7 d 時，抗壓強度約為設計強度的64%、81%。經過上述分析可以得知，W1 試件的水膠比相對較低，在短時間內不能被水化，使形成的凝膠充當了相應的骨料，使得混凝土的抗壓強度得到一定程度提升。W2 試件的水膠比高于W3，其試件內部的短期水化程度要比W3 低，當W3在短時間內充分水化后，抗壓強度得到了相應提升[5]。當混凝土養護時間為28 d 時，W1、W2、W3的強度都發生了相應的變化，并且均大于60 MPa，這充分說明了該次高性能混凝土配合比的設計較為合理。從圖1 中3 組試件的抗壓強度可知，本文設計配合比最佳的為W1 試件，其次為W3 試件、W2 試件。

3 高性能混凝土性能測試

3.1 混凝土性能評價指標

在惡劣環境中，高強度是對高性能混凝土的基本要求，同時還需要考慮其抗腐蝕能力及抗凍能力[6]。為了測試制備的高性能混凝土的抗腐蝕性與抗凍性，分別選取抗強度性能較好的W1 試件、W3 試件作為試驗對象，對其抗凍性能與抗腐蝕性能進行測試，以此來評價高性能混凝土的性能。此外，在測試過程中，應符合相應的規范要求，并且試件需經過標準養護。在進行抗凍性試驗的過程中，使用的方法主要為速冷法，過程如下：對混凝土進行6 次凍融循環試驗[凍（-15±2）℃、2 h，融（8±2）℃、2 h］在進行干燥循環試驗過程中，為了提升試驗的準確性，應將混凝土養護時間定為26 d。在試件混凝土養護工作完成之后，再將其放置在烘干箱中將水分烘干，測得混凝土試件的初始質量和相應的彈性模量。待一切準備就緒后，將烘干的試件放入質量分數為5%的氫氧化鈉溶液中，浸泡時間為（15±0.5）h，在此過程中值得注意的是，氫氧化鈉溶液應高出試件表面20 mm。試件浸泡的時間滿足要求后，再次將它放置于烘干箱中[7]。

在測試高性能混凝土的抗酸性與抗腐蝕性的過程中，將相對質量評價參數、彈性模量評價參數作為評價指標，分別將其定位為A1與A2。

式（1）中：Mr、Er分別為r次凍融循環后，試件的相對質量與試驗前混凝土試件原始質量的比值。

Ai（i=1，2）≥1 時，表明仍處于有效的狀態；1＞Ai＞0 時，試件的耐久性開始發生變化，并逐漸呈現下降趨勢，但是并未完全處于破壞狀態；0＞Ai時，混凝土試件達到破壞標準。此外，在凍融循環的過程中，如若A1與A2均小于0 時，則可以停止相應的試驗。

3.2 混泥土試件性能結果分析

在進行上述試驗之后，不同水膠比試件的評價性參數變化如圖2 所示。

圖2 不同配合比試件凍融循環作用下耐久性評價參數變化曲線

從圖2 中可以明確看出，當試件的水膠比不同時，經過相應的凍融循環后，其使用壽命出現了明顯的變化，并且兩者具有明顯差異。當凍融循環次數為366次時，W1、W3 試件的A1與A2變化趨勢大致相同。經研究發現，當W1、W3 試件的質量失效時，均出現下降的趨勢，造成這種現象的原因主要是試件在循環作用下，混凝土試件從致密逐漸轉變為疏松，導致其質量發生一定程度的變化[8]。

經過上述分析得出，當凍融循環次數為420 次時，W1 混凝土試件失效；當凍融循環次數為390 次，W2混凝土試件失效，并且W1 試件的抗凍性與抗酸性相對較高。因此，W1 混凝土試件的配合比設計相對合理。

4 微觀結構分析

從上述分析中可知，高性能混凝土的水膠比與其抗硫酸鹽腐蝕性有著十分密切的關系。為了驗證此問題，本文對混凝土試件展開了相應的微觀結構分析，選取的試件為未經處理前的試件與經過100 次干濕循環的試件W1，其微觀結構如圖3 所示。

圖3 W1 試件不同時期的SEM 圖

由圖3 得出，在試驗前期，圖3（a）中的微觀結構呈現為不均勻狀態，其致密性相對較高，并且耐久性能相對較高。當硫酸鹽侵蝕后，混凝土內部出現了相應的膨脹現象，使得混凝土的致密性逐漸降低，耐久性能也隨之降低。從圖3（b）中可以看出，當混凝土試件經過干濕損循環后，其微觀結構較為松散，并且內部的腐蝕產物相對較多，這表明混凝土試件在硫酸鹽的腐蝕作用下，出現了嚴重的腐蝕現象。

5 結束語

綜上所述，當水膠比為0.3 時，其高性能混凝土的配合比最為合適，并且具有較強的抗腐蝕性能與抗凍性能。此外，在進行高性能混凝土混合比設計過程中，應充分考慮當地的氣候條件與環境條件，不同環境中使用的配合比不同，只有選擇符合該地區的配合比，才能制備出合理的高性能混凝土。