预应力简支T梁C60高强度耐久性混凝土配合比设计.pdf

3 2 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 3 2 0 4 预应 力简支 T梁 C 6 0高强度耐久性混凝土配合 比设计 瞿腾 飞 ， 陈 霞 ( 济南铁路诚意工程检测有限公 司 ， 山东 济南2 5 0 0 0 1 ) 摘要 ： 高强度耐久性混凝土是重载铁路桥梁承载并长期安全运营的重要保障， 现有规范通常对混凝土配 合 比材料 用量 限值 、 耐 久性指 标作 出规 定 ， 但 在材 料 品质及 用量 对耐 久性指 标 、 强度增 长 、 和 易性 影响 方 面 尚无 明确 规 定。本 文对 重载铁路 预 制 预 应 力后 张 法 简 支 T梁 C 6 0高强 度 耐 久性 混 凝 土 配合 比设 计 过程 中所遇到的材料品质、 耐久性、 强度增长等问题进行分析 ， 通过对工点周边现有一般品质材料进行 试验 ， 分析配合比设计参数之 间的关系， 在规定限值范围内平衡设计参数之 间的矛盾， 确定最佳设计参 数 ， 解决 了混凝 土 配合 比设 计 时材料 品质 、 耐久性 、 水胶 比、 强度 、 和 易性 不 易兼顾 的技 术难 题 。 关键 词 ： 预 应 力 简支 T梁 混凝 土 配合 比设计 高强度 耐 久性 中图分类 号 ： T U 5 2 8 3 1 ； T U 5 2 8 3 3 文献 标识 码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 1 2 0 9 1 工程概况及技术要求 山西 中南 通道 重载铁 路一 5 3 2 m预 制后 张法 预 应力简支 T梁桥 ， 2 0 1 0年 9月开工建设 ， 梁体设计混 凝土强度等级为 C 6 0 ， 设计使用年限为 1 0 0年， 环境作 用等级为碳化环境 T 2级。梁体钢筋较密 ， 插捣困难 ， 要求混 凝土坍落度 1 8 0 2 2 0 m m， 扩展度 4 0 0 m m 以上 ， 泵送施工。初张拉时要求混凝土强度达到设计强度的 5 0 ， 终张拉时要求混凝土强度及弹性模量达到设计强 度的 1 0 0 ， 并至少养 护 1 4 d ， 按照 1 5 d进行设计 。 混 凝土 耐久性 指标 2 8 d氯离 子 电通 量 1 0 0 0 C， 抗 冻 等级 F 2 0 0 ， 2 0 0次 冻融 循 环后 质 量 损失 率 5 ， 相对动弹性模量 6 0 ， 抗渗等级 P 2 0 ， 含气量 2 4 。 2 配合 比设计遇到的实际问题及参数选定 2 1 混凝 土耐 久性 、 水胶 比与高 强度 之 间的平衡 问题 中港 集 团 所 做 水 胶 比 对 耐 久 性 影 响 试 验 及 N G A L A所做 的波特 兰水 泥混凝 土试 验结 果显 示 ： 随着 水胶 比降低 ， 毛细孑 L 减 少 ， 扩 散 系 数 、 氯 离子 电通 量 均 会明显减小 ， 也就是要提高耐久性应尽量降低水胶 比， 但水胶比要在一定限度范围内。这是 因为要使混凝土 和易性满足施工要求 ， 应保证一定用水量。降低水胶 比意味着 胶凝 材料 用量 增 加 ， 水 泥 作 为胶 凝 材 料 主 要 组 分 ， 若 其用 量过大 ， 混凝 土 的早 期水 化 热 增 多 ， 开 裂 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 9 - 1 0； 修回 日期 ： 2 0 1 4 1 1 一 1 0 作者简介 ： 瞿腾飞( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 山东临沂 人， 工程师。 趋势 也 随之增 强 ， 同时 施 工 中还 会 造 成 混凝 土 的泛 浆 分层 ， 对 混凝 土耐久 性 反 而 不 利 ， 且 明显 增 加 成 本 ， 故 规 范规定 胶 凝 材 料 用 量 不 应 大 于 5 0 0 k g m 。 此 外 ， 通过提高胶凝材料掺合料比例来提高混凝土和易性与 耐久 性 时 ， 水 泥用 量 比例减少 ， 混凝 土早 期强 度无 法满 足 T梁 张拉强 度要求 ， 进 而影 响工期 。 表 1为水 胶 比 0 3 1 、 总 胶凝 材料 4 8 0 k g m 、 骨料 用 量一 定时 不 同掺合 料 掺 量 的混 凝 土 性 能试 验 结 果 ， 可 以看 出水 泥用 量 4 0 3 k g m 以下时 2 8 d混 凝土 抗压 强 度难 以达 到 C 6 0试 配 强 度 6 9 0 M P a 。胶 凝 材 料 用 量一定 ， 随掺合料掺量增大 ， 耐久性指标电通量呈先减 小 后增 大 的趋 势 ， 掺 合 料 掺 量 在 3 5 4 0 时 ， 电通 量开 始增 大 。 表 1 不同掺合料掺 量的混凝土性能试 验结果 在 满 足 C 6 0试 配 强度 6 9 0 MP a的前 提 下 ， 通 过 采用高性能减水剂 、 高标号水泥来尽量降低胶凝材料 中水 泥 用 量 ， 将 P O 5 2 5 水 泥 用 量 控 制 在 4 0 0 4 1 0 k g m ， 总 胶 凝 材 料 总 量 控 制 在 4 7 04 9 0 k g m 时， 混凝土氯离子电通量满足要求 ， 且具有 良好的抗裂 2 0 1 4年第 1 2期 瞿腾飞等 ： 预应力简支 T梁 C 6 0高强 度耐 久性混凝土配合 比设计 性 ， 并能满足 1 5 d终张拉 的强度及弹性模量 的要求。 2 2碎石 粒径 小 与混 凝土 强度 高 的矛盾 研究表明配制高强度混凝土应尽量选择粒径较大 的碎石( 不能一味增大粒径 ， 采用过大粒径碎石 ， 其所 减少 的混 凝 土用水 量 带 来 的强 度 增 长 ， 会 被 较 少 的粘 结面积及大粒径集料产生的不均匀性导致的不利影响 所抵消) 以降低用水量 ， 减 小水胶 比， 提高试配强度。 但受 钢筋 密集 及最 小 钢筋 间距 3 0 m m 影 响 ， 按 照 现场 施工要求及标准规定预应力混凝土碎石粒径最大不超 过 2 0 m m， 这不利于 C 6 0高强度混凝土的配制 。为解 决这一问题 ， 首先要提高碎石中较大颗粒 的比例 ， 其次 要尽量降低碎石之 间的孔隙以保证混凝土和易性 。试 配时将 51 0 m m碎石与 1 0 2 0 m m碎石按一定 比例 掺配获得连续级配， 可降低碎石孔隙率 ， 利于拌和物的 和易性及得到更高的强度等级。在满足碎石连续级配 范 围的情 况 下 ， 碎 石 大 小 粒 级 按 2 0 ： 8 0 配 制 要 比 按 3 0 ： 7 0 配制同龄期强度高出 5 且保持和易性 基本相同。因此 ， 采用小粒径碎石配制高强度混凝土 时 ， 可采取适当提高碎石 中较大颗粒 比例的措施 降低 用水 量 ， 提高 混凝 土配 制强 度 。 2 3选 用粗 砂时 提 高 砂 率导 致 胶 凝 材 料 用 量 超 出标 准规 定 限值 的 问题 采用 粗砂 时 ， 如砂 率 不 足 骨 料 总 量 不 变 就会 缺 少 砂浆来包裹碎石 ， 填充碎石空 隙， 导致混凝土离析 ， 水 泥浆流失 。为保证混凝 土和易性 ， 采用粗 砂 时 ， 要 通 过提高砂率来 保证 混凝土 的和易 性 ， 但粗 砂颗粒 之 间空 隙相 对 中 砂 要 大 ， 同 时 又 增 大 了 砂 在 骨 料 总 量 中的比例 ， 从 而需 要更 多的水 泥浆来 填充 砂粒 间的 空隙 ， 减小砂粒 间的摩擦力 ， 以保证混凝 土拌和物的 流 动性 。这 就 导 致 胶 凝 材 料 用 量 增 加 ， 超 出 标 准 规 定 的限值。 由于 当地 的天 然河 砂含 泥量 普遍 超标 ， 经 水洗 后 ， 细颗 粒被 水 冲走 ， 成 为 细 度模 数 为 3 23 3的粗 砂 ， 试配时采用 3 8 砂率 时出现离析倾 向、 泌水 、 石子包 裹性不 良等情况 。砂率 提高 至 3 9 后 ， 在 保持 用水 量 、 胶凝材料用量不变 的情况下 ， 坍落度 、 扩展度又过 小 。经多次试拌 ， 在水胶 比不变的情况下适 当提高砂 率 ， 增加水泥浆用量 ， 以拌 和物性能满足要求为基准， 找出砂率与胶凝材料用 量最佳值。最 终将砂率 定为 4 0 ， 水 胶 比 0 3 1 ， 胶 凝 材 料 用 量 4 8 5 k g m ， 解 决 了 浆体的包裹性及充盈度不良、 离析泌水倾向。 牌 P 05 2 5低碱、 低水化热普通硅酸盐水泥 ， c ， A含 量 8 ， 主要性能指标见表 2 。 表 2水泥主要性能指标 3 2粉煤 灰 采取掺加粉煤灰 的方式降低早期水化热 ， 减少开 裂 ， 提高和易性。选取邹县发电厂 I级粉煤灰 ， 其主要 性能 指标 见表 3 。 表 3粉煤灰主要性能指标 3 3磨 细矿渣 粉 采取高活性矿粉以满足前期张拉强度及和易性的 要求 。选取的矿渣粉主要性能指标见表 4 。 表 4磨细矿渣粉主要性能指标 3 4砂 选用级配合理 、 质地坚固、 吸水率低 、 孔隙率小、 非 碱活性的天然河砂 。经水洗减小泥、 云母等有害成分 ， 以提高混凝土耐久性。水洗后细度模数 3 2 ， 为粗砂。 其主要性能指标见表 5 。 表 5砂主要性能指标 3 5碎石 选 取粒 形 良好 、 质地 坚 固 、 吸水 率小 的石 灰岩 。为 保证 5 2 0 m m连续级 配， 采取将 51 0 mm碎石与 1 0 2 0 mm碎石 按 2 0 ： 8 0 掺 配 的方 法 。碎 石 主要 性 能指 标 见表 6 。 表 6碎石 主要性能指标 3 原 材料选定 3 6 外加剂 3 1 水泥 采用具备高减水率复合引气减水剂。选用华伟牌 考虑耐久性 ， 首选低碱 、 低水化热水泥 。选用东岳 聚羧酸系高性能减水剂 ， 其与选取的胶凝材料具有良好 铁道建筑 的适应性。减水率要求I2 5 ， 掺量为胶凝材料质量的 1 0 1 2 。高性 能减水剂主要性 能指标见表 7 。 表 7高性能减水剂主要性能指标 4 配合 比设计与试 配结果 4 1配合 比设计 基 于 混凝 土 的 抗氯 离 子渗 透 、 抗 碳 化 、 抗 冻融 、 抗 裂性等耐久性指标， 采取掺加矿物掺合料 、 高性能减水 剂复合引气剂的设计思路。根据 普通混凝土配合 比 设计规程 ( J G J 5 5 2 0 1 1 ) ， 试配 强度 6 9 0 MP a 。经 多次试验 ( 表 8 ) ， 确定 0 2号为基准配合 比， 0 1 ， 0 3号 水胶 比较 0 2号 分别 减 小 和增 大 0 0 1 ， 用 水 量 与 基 准 配合 比相 同 。所 选定 的参 数 为 ： 减 水剂 掺 量 1 2 ， 砂 率 4 0 ， 水 胶 比 0 3 1 ， 水 泥 4 0 5 k g m ， 胶 凝材 料 总 用 量 4 8 5 k g m ， 用水 量 1 5 0 k g m 。 4 2试 配 结果 拌和 物性 能见 表 9， 标 准 养 护 试 件抗 压 强 度 及 弹 性模 量 见 表 1 0 ， 2 8 d标 准 养 护 试 件 耐 久 性 指 标 见 表 1 1 。 从表 9可以看出， 0 1 0 4号拌和物性能均满足要 求 ， 其 中0 2 ， O 3号 出机坍落度、 扩展度及经时坍落度保 持性 要 比 0 1 ， 0 4号 好 。0 4号 6 0 m i n后 扩 展度 勉 强 符 合要求 ， 考虑到现场 T梁浇筑时间较长及振捣难度 ， 单掺粉煤灰的0 4号配合 比不宜选用。 表 8 C 6 0高强耐 久性预 应力混凝 土配合 比 k g m 表 1 0标准养护试件抗压强度及弹性模量 表 l l 2 8 d标准养护试件耐久性指标 从 表 1 O可 知 ， 0 l ， 0 2 ， 0 3号 配 合 比均 能满 足 1 4 d 张拉混 凝土 达 到 1 0 0 设计 强 度 的要 求 ， 但 0 3号 1 4 d 强 度较 低 ， 在 平 均 温 度 低 于 ( 2 0-I- 2 ) 时 就 无 法 满 足 现 场 张 拉 强 度 要 求 ， 且 2 8 d强 度 也 不 满 足 试 配 强 度 6 9 0 MP a的 要求 。0 3 ， 0 4号 达不 到试 配强 度 ， 不 满 足 混凝土配合 比设计保证率要求。 从 表 1 1可看 出 ， 0 1 ， 0 2 ， 0 4号 氯 离子 电通 量 均 在 9 0 0 C以下， 0 3号明显增大 ， 达到 9 8 2 C， 接近临界值 1 0 0 0 C， 理论配合 比应在 0 1 ， 0 2 ， 0 4中选取。0 10 4 号均具有 良好的抗裂性、 抗渗性 ， 2 0 0次冻融循环后的 质量 损失 率和 相对 动弹模 量也 均能 满足要 求 。 根据 以上分 析 ， 0 l 号 和 0 2号配 合 比拌 和物 性 能 、 强度增长、 耐久性指标均满足要求 ； 0 3号配合 比拌和 物性 能 、 强 度增 长 、 耐久 性 指标 均 满 足要 求 ， 2 8 d强 度 不满足配制要求， 存在强度增长 速率偏慢 、 电通 量偏 高、 配制强度保证率低等问题； 0 4号配合 比拌和物性 2 0 1 4年第 1 2期 瞿腾飞等 ： 预应 力简支 T梁 C 6 0高强度耐久性 混凝 土配合 比设计 能 、 耐久性指标满足要求 ， 但强度增 长达不 到设 计要 求 ， 2 8 d强度也不满足保证率要求 。 综合以上拌 和物性能 、 强度、 弹性模量 、 耐久性指 标 的试验结果 ， 对 0 1号和 0 2号配合比按照经济 、 合理 的原则进行 比选 ， 选 取 0 2号配合 比作为理论配合 比。 经多次重复性试验验证 ， 重复性 良好。 5现场应用情况 在 混凝 土 生产 过程 中 ， 对 原 材料 质量 严格 把关 ， 尤 其是地材的含泥量 、 泥块含量 、 砂石含水率检测要做到 准确可靠 ， 严格控制施工配合 比用水量。现场混凝土 坍落度损失在 1 0 m m左右， 基本与实验室 内测试结果 吻合。现场浇筑泵送顺利 ， 流动性 、 保水性 良好 ， 未 出 现堵管现象。拆模后混凝土表面带光泽 ， 无蜂窝缺陷 ， 张 拉完 成后 表 面 无裂 纹 。对 混 凝 土 2 8 d试 件 多 次 抽 检 进行 电 通 量 试 验 ， 试 验 结 果 均 稳 定 在 8 7 09 0 0 C， 离散性较小 ， 随着掺合料火山灰效应的完成 ， 耐久性指 标会越来越好 ， 配合 比耐久性指标保证率较高。 6 结 语 本 文 在设计 高 强 度 耐 久性 混 凝 土 配 合 比时 ， 以现 有成熟地材为基础 ， 不刻意挑选无法批量供应的料源， 以避免配合 比设计与现场实际使用 的材料偏差过大。 此外 ， 充分考虑影响混凝土耐久性 、 强度 的不 良因素 ， 并在设计阶段充分掌握现场施工工艺对混凝土拌和物 性能 、 工期对混凝土强度 的要求 ， 通过大量试验 ， 合理 选定混凝土配合 比设计参数。通过使用聚羧酸系高性 能减水剂 、 双掺矿物掺合料等成熟技术平衡各项参数 间的矛盾 ， 从而解决 了预应力简支 T梁高强度耐久性 混凝土在耐久性指标 、 强度增长 、 现场浇筑 、 张拉工期 等方 面不 易兼 顾 的技术 难题 。 参 考 文 献 1 刘 秉京 混凝 土结 构耐 久性 设计 M北 京 ： 人 民交通 出版 社 2 0 0 7 2 S O MME R H 高性 能混 凝 土 的耐久 性 M 冯乃 谦 ， 译 北 京 ： 科学 出版社 ， 1 9 9 8 3 冯建 铁路客运专 线耐久 性混凝 土技 术研究 D 上 海 ： 同 济大学 ， 2 0 0 9 4 邹传学 ， 欧 阳兴华 预应力大体积混凝土配合 比优化设计研 究 J 青 岛理工大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 6 ) ： 2 5 3 5 5 中华人 民共 和 国铁道 部 T B 1 0 0 0 5 -2 0 1 0铁 路混凝 土 结 构耐久性设计规范 S 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 1 0 6 中华人 民共 和国铁道部 T B T 3 0 4 3 -2 0 0 5 预制后张法 预 应 力混凝土铁路桥简支 T梁技术条件 S 北京 ： 中 国铁 道 出 版社 ， 2 0 0 5 7 中华人 民共 和 国铁 道 部 T B T 3 2 7 5 2 0 1 1 铁路 混 凝 土 S 北京 ： 中国铁道出版社， 2 0 1 1 8 中华人 民共 和 国住 房 和城 乡建设 部 J G J 5 5 2 0 1 1 普通 混凝 土配合 比设计规程 S 北京 ： 建筑工业 出版社 ， 2 0 1 1 Hi g h s t r e n g t h a n d hi g h- d u r a b i l i t y C6 0 c o n c r e t e m i x d e s i g n f o r p r e s t r e s s e d s i mp l y - s u p p o r t e d T- b e a m Q U T e n g f e i ， C H E N Xi a ( J i n a n R a i l w a y S i n c e r i t y E n g i n e e r i n g D e t e c t i o n C o ， L t d ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： The h J g h s t r e ng t h d ur a b ili t y o f c o nc r e t e i s i mpo r t a n t f or t he a p pl i c a ti o n a nd d e ve l o p m e nt of he a vy h a u l r a il wa y， e n s u r i n g s a f e ty a n d s e r v i c e a b i l i ty As for e x i s t i n g s t a n d a r d s ， t h e d o s a g e l i mi t o f c o n c r e t e c o mp o n e n t s wa s g i v e n a n d the d u r a b il i ty i n d e x e s we r e p r o v i d e d Ho we v e r ， i t i s n o t c l e a r in t e r ms o f the e ff e c t o f ma t e r i a l q u a l i t y a n d d o s a g e o n d u r a b il i t y， s t r e n g t h i n c r e a s e a n d wo r k a b il i ty I n t h i s p a p e r ， t h e mi x d e s i g n o f C6 0 h i g h s t r e n g t h d u r a b il i t y c o nc r e t e u s e d f o r p r e s tre s s e d s i m p l y s u pp or t e d T g i r de r s o n he a v y h a u l r a i l wa y wa s s t ud i e d a nd th e s e e ffe c t s we r e a na l yz e d Th e r e l a ti o ns h i p be t we e n th e d e s i g n pa r a m e t e r s for the mi x de s i g n wa s i n ve s ti g a t e d thr o ug h o n- s i t e ma t e r i a l t e s t s Th e o p t i ma l d e s i gn wa s c o n d u c t e d thr o u g h the b a l a n c ing t h e d e s i g n p a r a me t e r s w i t h i n t h e gi v e n l i mi t s I n t h i s wa y， t h i s t e c h n i c a l p r o b l e m wa s s o l v e d thr o u g h the b a l a n c e am o n g ma t e r i a l q u a l i ty ， d u r a b il i t y， wa t e r t o b i n d e r r a t i o， s t r e n g t h a n d wo r k a b i l i ty Ke y wo r d s ： P r e s tr e s s e d s i mp l y s u p p o r t e d T gir d e r ； Co n c r e t e ； Mix d e s i g n ； Hi g h s t r e n g t h ； Du r a b i l i t y ( 责任审编 李付军)