高速铁路高性能混凝土配合比优化设计研究.pdf

65现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 4 期2024 年 2 月Vol.3 No.4Feb.2024高速铁路高性能混凝土配合比优化设计研究陈建春中铁十二局集团第一工程有限公司，陕西西安 710000摘 要：针对高速铁路高性能混凝土配合比及优化设计问题展开探讨，阐述了高性能混凝土的特点。结合当前高性能混凝土情况，分析了实际运用过程中存在的主要问题，开展混凝土性能试验，分析水胶比与矿物掺合料的掺入量对混凝土力学性能以及耐久性能的影响，并提出高性能混凝土配合比优化设计建议。研究结果表明，合理优化混凝土配合比，有助于提升混凝土力学性能以及耐久性能，延长混凝土的使用寿命。研究结果可应用于类似工程项目中，也可为相关技术理论研究提供参考。关键词：高速铁路；高性能混凝土；配合比中图分类号：U214.18 文献标识码：AResearch on Optimization Design of High Performance Concrete Mix Proportions for High Speed RailwaysChen JianchunChina Railway 12th Bureau Group First Engineering Co.,Ltd.,Xian,Shaanxi 710000Abstract:Explored the mix proportion and optimization design of high-performance concrete for high-speed railways,and elaborated on the advantages and characteristics of high-performance concrete.Based on the current situation of high-performance concrete,this paper analyzes the main problems that exist in the actual application process,conducts concrete performance tests,analyzes the influence of water cement ratio and mineral admixture dosage on the mechanical properties and durability of concrete,and proposes optimization design suggestions for high-performance concrete mix proportion.The research results indicate that reasonable mixing and optimization of concrete mix proportions can help improve the mechanical and durability properties of concrete,and prolong its service life.The research results can be applied to similar engineering projects and can also provide reference for related technical and theoretical research.Keywords:high speed railway;high performance concrete;mix proportion作者简介：陈建春（1985），男，中铁十二局集团第一工程有限公司工程师，研究方向为工程质量控制。随着交通运输事业的不断发展，高速铁路建设项目逐渐增多，相较于普通建设工程，为保障运输安全、减少后续维修养护投入，高速铁路对于混凝土要求更高，需要使用高性能混凝土。此类混凝土不仅强度大，而且耐久性、稳定性都相对较好，而当前市面上供应的高性能混凝土，其水胶比、矿物掺合料的掺入量等存在一定差异，这对混凝土性能产生了极大影响。因此，为保障高速铁路的安全、可靠运输，加强对高性能混凝土配合比及优化设计的研究和分析是十分必要的。1 高性能混凝土特点高性能混凝土的主要特点包括以下3个方面。（1）耐久性高。高性能混凝土具有较高的耐久性，能长期抵抗外界环境带来的破坏和影响，保障工程完整和功能正常，提高高速铁路混凝土结构的安全性，延长铁路使用寿命。不同环境类别对混凝土耐久性要求如表1所示。（2）强度大。高速铁路对混凝土结构强度要求极高，混凝土强度大能够更好地满足铁路运行需求，保障实际运行安全。（3）稳定性好。通过调整高性能混凝土的配比，能够提升混凝土稳定性，降低由于温度、应力等变化造成的混凝土结构变形等问题发生的概率。2 高性能混凝土应用的主要问题影响高速铁路混凝土耐久性的主要因素包括氯离子渗透、硫酸盐侵蚀以及冻融循环。结合当前行业实际情况，发现市面上高性能混凝土主要存在以下问题：662024 年 2 月第 3 卷第 4 期现 代 工 程 科 技66市面上的矿物掺合料性能存在较大差异，将其掺入混凝土中，对混凝土性能有着不同的影响，为确保矿物掺合料掺入量的变化和种类不对混凝土性能造成负面影响，就需要展开大量试验研究；由于高速铁路实际运行环境较为恶劣，为更好地评估混凝土使用年限和保障工程安全，在设计混凝土配合比的过程中，需要展开大量试验，深入分析矿物掺合料对混凝土性能的影响；抗盐类结晶环境中，为进一步提高硫酸盐腐蚀环境内混凝土性能，需要明确抗硫酸盐防腐剂与矿物掺合料之间的相容性对混凝土性能的影响，但当前研究缺乏相关试验数据1-2。表1 不同环境类别对结构混凝土材料的耐久性基本要求环境类别最大水灰比 最低混凝土强度等级 最大氯离子含量（%）最大碱含量（kg/）一0.60C200.3不限制二 a0.55C250.23.0二 b0.50（0.55）C30（C25）0.153.0三 a0.45（0.50）C35（C30）0.153.0三 b0.40C400.13.03 高速铁路高性能混凝土配合比及性能试验方法3.1 原材料高性能混凝土配置所需要的原材料包括胶凝材料、骨料、外加剂以及拌和水。此次试验选用的各种材料化学成分以及物理力学性能均符合相关规范要求。水泥为42.5强度等级的普通硅酸盐水泥，密度为3133kg/m，细度为324/kg；初凝时间为236min，终凝时间为308min；3d抗折强度为5.1MPa，28d抗折强度为7.8MPa；3d抗压强度为24.9MPa，28d抗压强度为47.2MPa。粉煤灰的密度为2342kg/m，比表面积为406/kg，需水量比为84%，28d活性指数为73.3%。硅灰的密度为2149kg/m，需水量比为101.7%，28d活性指数为97.8%。矿粉的密度为2998kg/m，比表面积为438/kg，28d活性指数为97.6%。抗硫酸盐腐蚀外加剂的密度为2703kg/m，比表面积为380/kg，28d活性指数为102%。细骨料为河沙，粗骨料为石灰岩碎石，最大粒径为20mm，骨料级配及其他指标符合相关标准规范要求。外加剂采用的是聚羧酸高效减水剂标准型（PS）和皂甙类引气剂，减水剂及引气剂质量均符合现行标准要求，其中，减水剂减水率为27%，含固量为23%，含气量为1.9%。3.2 配合比结合上述分析，为进一步探讨在相同胶材用量和水胶比情况下，矿物掺合料的掺入量变化对混凝土力学性能以及耐久性能的影响，矿物掺合料的掺入量满足相关标准规范要求，设计了15种混凝土配合比，具体配比信息见表2。表2 高性能混凝土配合比信息序号水泥（kg/m）粉煤灰 FA（kg/m）硅灰 SF（kg/m）矿粉GGBS（kg/m）防腐剂 AS（kg/m）水（kg/m）减水剂 PS（%）引起剂（%）1405045001622.61.02405004501621.61.033600454501622.41.043604545001622.21.053604504501621.81.0631545454501622.21.0731567.567.5001622.31.0831567.5067.501621.81.09247.567.567.567.501622.41.01032445450361622.01.01132445045361621.71.012279454545361621.91.01330645450541621.81.01430645045541621.51.015261454545541621.71.03.3 试件浇筑完成配比设计后，进行混凝土试块浇筑，搅拌环节在室内完成，将室内的温度控制在1525，RH50%，按照相关规范标准进行浇筑。此次试验过程中，混凝土坍落度控制为18020mm。3.4 力学性能检验力学性能检验项目主要指抗压强度，试件为边长150mm的立方体，龄期为1d、28d和56d。1d养护条件为60恒温8h；28d和56d养护条件为温度202，RH95%。采用液伺服压力试验机，展开力学性能试验。3.5 耐久性能检验耐久性能检验项目包括电通量检测、RCM检测、抗硫酸盐侵蚀性能检测、抗冻性能检测，以及胶凝材料抗67陈建春：高速铁路高性能混凝土配合比优化设计研究材料科技硫酸盐快速检测。电通量检测和RCM检测，试件尺寸均为10050mm，龄期为56d，养护条件为温度202，RH95%。其中，电通量法主要用于检验混凝土抗氯离子渗透性的能力，先进行真空饱水试验，然后使用电通量测定仪进行检验；RCM法则主要通过测定氯离子在混凝土中的非稳态迁移系数，判断混凝土性能。抗硫酸盐侵蚀性能检测，试件为边长150mm的立方体，龄期为56+120次循环、56+150次循环，其中干循环养护条件为6h，2530，湿循环养护条件为235%Na2SO4溶液中15h。主要使用硫酸盐侵蚀试验机展开试验。胶 凝 材 料 抗 硫 酸 盐 快 速 检 测，试 件 尺 寸 为10mm10mm60mm，龄期为7+28、7+56，7d养护条件为501恒温水浴，28d、56d养护条件为203饮用水中浸泡，以及2033%Na2SO4溶液中浸泡，浸泡到期后，进行抗折强度测试，计算抗蚀系数。抗冻性能检测，试件为边长100mm100mm 400mm的棱柱体试件，龄期为28+500次循环；每次冻融循环应24h内完成，且用于融化的时间不得少于整个冻融循环时间的1/4；在冷冻和融化过程中，试件中心最低和最高温度应分别控制在2016和37；每块试件从3降至16所用时间不得少于冷冻时间的1/2；冷冻和融化之间的转换时间不宜超过10min。使用冻融试验机展开循环试验3，每隔25次循环宜进行一次外观检查，称量其试件的质量并测量试件的横向基频。4 高速铁路高性能混凝土配合比优化设计策略分析4.1 力学性能混凝土抗压强度试验结果如表3所示。矿物掺合料占比较高时，对于混凝土的早期抗压强度不利。在粉煤灰和矿粉复掺，或者粉煤灰、硅灰、矿粉三掺时，随着掺量的增加，对28d抗压强度逐渐降低；但是，56d混凝土抗压强度随着掺量的增加，混凝土抗压强度逐渐增加，且矿物掺合料增加对后期强度的增长效果显著，表明合理增加矿物掺合料对混凝土的强度起到提升效果。此外，当防腐剂加入量适当提高时，无论是粉煤灰、硅灰、矿粉三掺，还是粉煤灰、硅灰、矿粉、抗硫酸盐腐蚀外加剂四掺，混凝土的抗压强度也都有一定程度的提升，相较于防腐剂添加之前，抗压强度大约提升10%，且适当提高防腐剂添加量，也对试块抗压强度提升起到明显作用。表3 混凝土抗压强度试验结果序号1d 蒸养抗压强度（MPa）28d 抗压强度（MPa）56d 抗压强度（MPa）序号1d 蒸养抗压强度（MPa）28d 抗压强度（MPa）56d 抗压强度（MPa）125.454.158.11020.753.365.3228.852.255.31122.651.163.8324.253.859.71220.255.067.7421.152.659.21320.354.568.3524.751.757.81421.952.966.5619.650.161.21519.756.371.1716.651.361.3818.550.459.6913.948.662.7因此，在实际优化混凝土配合比的过程中，可根据实际高速铁路建设项目要求和掺和情况，复掺时适当提高粉煤灰、矿粉的占比，三掺时提高粉煤灰、矿粉、硅灰占比，并通过添加适量的防腐剂，可有效提高混凝土抗压强度。通过不同掺合料之间的有效配合，达到所需要的混凝土抗压强度效果。4.2 耐久性能在耐久性能检测方面，经过上述试验发现，混凝土抗氯离子的渗透能力及其抗硫酸盐的侵蚀能力，与自身强度之间正相关，因此，提高混凝土强度，有助于提升其抗氯离子的渗透能力以及抗硫酸盐侵蚀能力，混凝土耐久性能方面试验结果如表4所示。粉煤灰、硅灰复掺后，混凝土的抗氯离子渗透效果相对较好，在此基础上，加入抗硫酸盐腐蚀剂，对于改善混凝土抗氯离子能力的效果并不明显，因此，粉煤灰、硅灰复掺时，可不加入抗硫酸盐腐蚀外加剂；但在粉煤灰、矿粉复掺中，矿粉对混凝土抗氯离子渗透能力效果不佳，而加入抗硫酸盐腐蚀剂，能够相应提高混凝土抗氯离子渗透能力，提升混凝土耐久性；而当粉煤灰、矿粉、硅灰复掺时，需要加入抗硫酸盐腐蚀剂，以此有效提升混凝土的抗氯离子渗透能力，提高高性能混凝土的耐 久性4。抗硫酸盐腐蚀剂的加入，能够有效提高混凝土抗硫酸盐侵蚀能力，而且矿粉与抗硫酸盐腐蚀剂之间有着较强的协同效果。此外，粉煤灰、硅灰复掺在混凝土抗硫酸682024 年 2 月第 3 卷第 4 期现 代 工 程 科 技68盐侵蚀能力方面也有着良好的效果，在此基础上加入抗硫酸盐腐蚀剂，并不能进一步提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，因此复掺时可不加入抗硫酸盐腐蚀剂。表4 混凝土耐久性能方面试验结果序号氯离子扩散系数（10-12m2/s）120 次循环后侵蚀组与对照组混凝土抗压强度之比150 次循环后侵蚀组与对照组混凝土抗压强度之比28d 凝胶材料抗蚀系数56d 凝胶材料抗蚀系数11.12100.699.01.021.0521.6393.790.30.840.9430.95104.2103.60.920.9640.11107.8108.01.350.8851.2797.299.30.900.9860.76101.698.81.031.2370.14108.8115.71.031.0781.0698.198.00.961.0290.61114.2112.51.080.89100.12105.6102.91.001.02110.85105.7102.70.951.00120.11114.1117.21.031.03130.1096.0107.61.001.11140.78106.1102.70.981.03150.10109.9104.50.990.97结合上述抗压强度、氯离子渗透、硫酸盐腐蚀试验结果，选择5组不含硅灰的混凝土展开冻融试验，并在试验后检测相对动弹性模量，检测结果如图1所示。根据试验结果可知，500次冻融循环后，掺入少量矿粉的第2组混凝土，相对动弹性模量下降速度较快，其余4组混凝土的相对动态弹性模量下降幅度在5%以内，而且混凝土的相对动弹性模量与混凝土强度之间呈现正相关性5。图1 混凝土经历冻融循环后的相对动弹性模量图5 结语综上所述，高速铁路高性能混凝土配合比及优化设计过程中，需要充分结合高速铁路周围环境情况以及特点，明确混凝土在力学性能以及耐久性等方面的要求，并结合不同原材料对混凝土性能的影响程度和特点，合理进行混凝土配比的优化设计，如通过合理选择矿物掺和料及掺配，提高矿物掺合料占比，加入防腐剂等方式提高混凝土抗压强度，保障高强度混凝土应用效果。参考文献1 王栋.高速铁路桥面防水层纤维混凝土配合比优化设计及施工工艺研究J.安徽建筑,2021,28(1):169-171.2 黄国福.高速铁路C50预应力混凝土配合比设计和质量控制J.黑龙江交通科技,2021,44(1):117-119.3 曹得成.高速铁路预制梁施工中高性能混凝土质量控制策略J.交通世界,2020(34):87-88.4 何克亮.聚羧酸高性能减水剂在高速铁路高性能混凝土中的试验与应用J.四川水泥,2019(4):28,49.5 叶超.C60高强混凝土配比设计优化及质量控制措施分析J.建筑技术开发,2023,50(10):153-155.