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2 0 1 5年 l 2月 第 6卷 第 6期 高速铁路 S P EE D RAI L WAY 技术 T EC HN0L 0G Y No . 6, Vo 1 . 6 De c . 2 O1 5 文章编号 :1 6 7 4 —8 2 4 7 ( 2 0 1 5 ) 0 6 —0 0 8 5 —0 5 戈壁沙漠地区高性能混凝土配合 比优化设计 李雁 曹新刚 ( 中铁一局集团物资工贸有限公司, 西安 7 1 0 0 5 4 ) 摘要: 兰新客运专线( 新疆段) 沿线干燥缺水 , 昼夜温差大, 紫外线照射强烈 , 春、 秋季多风沙, 夏季短促而炎 热 , 冬季漫长且严寒的恶劣 自然环境 , 造成了该地区混凝土结构常见质量缺陷是表面开裂。为确保混凝土结 构安全使用和耐久性指标的实现, 减少、 克服和预防施工阶段混凝土表面裂纹的出现及后续运营阶段的发 展, 施工中从配合比设计方面着手, 按照低水胶比和低用水量双控的关键因素对混凝土配制进行优化。找出 了影响混凝土开裂的关键因素, 通过不断试验、 试配, 得出戈壁沙漠地区预防高性能混凝土开裂的配合 比设 计基本参数, 实践验证取得了良好的效果, 对同类工程的高性能混凝土施工具有重要的借鉴意义。 关键词: 戈壁大温差;高性能混凝土; 配合比优化 中图分类号: T U 5 2 8 . 3 1 文献标志码: A Op t i mi z a t i o n De s i g n o f M i x Ra t i o o f Hi g h Pe r f o r ma nc e Co n c r e t e i n Go b i De s e r t Ar e a LI Ya n CAO Xi ng a ng ( Ma t e r i a l &I n d u s t ri a l T r a d e C o . , L t d .o f C h i n a R a i l w a y F i r s t G r o u p C o . , L t d .X i ’ a n 7 1 0 0 5 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e b a d n a t u r a l e n v i r o n me n t s u c h a s s c a r c i t y o f w a t e r ,l a r g e t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e b e t we e n d a y a n d n i g h t , s t r o n g u l t r a v i o l e t r a d i a t i o n,wi n d y a n d d u s t y i n s prin g a n d a u t u mn,s h o r t a n d h o t s u mme r a n d l o n g a nd c o l d wi n t e r a l o n g L a n z h o u—S i n k i a n g p a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e ( S i n k i a n g s e c t i o n )c a u s e s t h e s u rf a c e c r a c k i n g w h i c h i s t h e c o m mo n q u a l i t y d e f e c t o f c o n c r e t e s t r u c t ur e i n t h i s a r e a . I n o r d e r t o e n s u r e t h e s a f e u s e a n d d ur a b i l i t y o f c o n c r e t e s t ru c t ur e,r e d uc e,0 一 v e r c o me a n d p r e v e n t c o n c r e t e s ur f a c e c r a c k s i n t h e c o n s t ru c t i o n s t a g e a n d t h e i r d e v e l o p me n t i n t h e f o l l o w — — u p o p e r a t i o n s t ag e,s t a r t e d f r o m t he d e s i g n o f t h e mi x p r o po rti o n,t h e pr e p a r a t i o n o f c o n c r e t e i s o p t i mi z e d a c c o r d i n g t o t h e k e y f a c t o r s s u c h a s l o w wa t e r—b i n d e r r a t i o a n d l o w wa t e r c o n s ump t i o n.Th e k e y f a c t o r s aff e c t i n g t h e c r a c ki n g o f c o n c r e t e a r e f o u nd o u t . Th r o u g h c o n t i nu o us t e s t i n g a n d t r i a l—mi x,t h e b a s i c pa r a me t e rs o f mi x de s i g n t o pr e v e n t h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e c r a c k i ng i n Go b i d e s e rt a r e a i s o b t a i n e d.Th e p r a c t i c e t e s t i n g g a i ns g o o d e f f e c t ,h a v i n g a n i mp o r t a n t r e f e r e n t i a l s i g ni fi— c a n c e f o r t h e h i g h p e r f o rma n c e c o n c r e t e c o n s t ruc t i o n o f s i mi l a r p r o j e c t s . Ke y wo r d s: Go bi l a r g e t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e;hi g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e;mi x p r o p o rti o n o p t i mi z a t i o n 1 概述 目前高性能混凝 土在客运专线 、 铁路施 工中得 到 了大量应用。高性能混凝土使用寿命长, 结构设计中 耐久性尤为重要 。高性能混凝土应用的主要 目的是使 混凝土结构能够在设计使用 寿命期 间安全可靠地工 收稿 日期 : 2 0 1 5 - 0 8 — 1 1 作者简 介: 李雁 ( 1 9 8 2 一 ) , 女 , 工程师 。 作。虽然其具有 良好 的性能, 但是 由于组成材料的物 理 、 化学性能、 混合搅拌及入模成 型和养护工艺 的差 别 , 将会直接影响成型结构物 的使用功能。兰新客运 专线 ( 新疆段 ) 混凝 土结构采用 了高性能混凝土。由 于沿线恶劣的 自然环境 , 混凝土表面开裂是最常见的 质量缺陷, 混凝土施工质量能否得到保障 , 决定了混凝 土结构物是否能满足 1 0 0年的设计使用寿命要求 。 中铁 一 局 承担 了兰 新 客 运 专 线 ( 新 疆 段 ) L X T J 3标D K 1 2 4 5+ 0 0 0~D K 1 3 0 0+ 6 0 0正线范围内 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6期 李雁, 等: 戈壁沙漠地区高性能混凝土配合比优化设计 2 0 1 5年 1 2月 5 5 . 6 k m施 工任务 。工程位于哈密市管辖 内, 主要结 构物有特大桥 3座 2 0 4 4 1 . 9 3 m, 其中: 现浇( 3 2+ 4 8+ 3 2 ) I n连续梁 2联 , ( 6 0+1 0 0+ 6 0 ) m连续梁 1联 ; 制 、 运 、 架简支箱梁 5 8 4孔 , 架设 T梁 6 8孔 ; 箱形涵 总计 4 0座 ; 轨枕预制 5 5 . 4万根。C R T S I型双块式无砟轨 道工程数量 : ① 路基地段 : 支 承层为 3 5 . 1 1 4 k m, 道床 板为 3 5 . 1 1 4 k m; ②桥梁段 : 底座为 2 0 . 4 8 6 k m, 道床板 为 2 0 . 4 8 6 k m。总计混凝土方量为 1 5 1 0 1 9 4 n l ’ 。 2 混凝土结构所处环境 ( 1 ) 混凝土耐久性是指混凝土结构在实际使用条 件下抵抗各种破坏因素 的作用 , 能够长期保持强度和 外观完整性 的能力。即混凝土结构在规定 的使用年限 内, 在各种环境条件作用下 , 不需要额外的费用加固处 理而保持 其安全性 、 正常使 用和保持外 观完整性 的 能力 。 ( 2 ) 混凝土是一种离散性较大 的材料 , 应根据结 构设计使用年限、 所处环境和作用等级 、 原材料性能 、 耐久性 指标 等内容来进行混凝土配合 比选定 , L X T J 3 标混凝土 主体结构 物 的环境作用 类别 和等级如表 1 所示 。 表 1 L X T J 3标混凝土主体结构物的环境作用类别和等级 桥梁 结 构 碳化 氯盐 冻融 化学 磨蚀 名称 部位 锈蚀环境 锈蚀环境 破坏环境 侵蚀环境 环境 哈密 桩体 T 2 I 2 H 3 立交 墩台体 q 2 L 2 D 3 H 3 M 2 大桥 梁体 T 2 M 2 3配合比设计优化思路 ( 1 ) 应根据混凝 土的工作性 、 设计强度和耐久性 指标要求 , 结合所选水泥 、 外加剂 、 地材 的性能以及不 同环境( 不同工艺 ) 相关技术标准参数要求 , 进行配合 比设计。 ( 2 ) 针对戈壁沙漠地 区大温差 、 大风沙 、 干燥 、 少 水的气候特点 , 高性 能混凝土配合 比设计按照低水胶 比和低用水量双控进行设计 。 ( 3 ) 采用低水胶比对提高混凝土强度和耐久性非 常重要 。较低的水胶 比能够降低混凝土孔隙率并减小 孔隙尺寸。在满足和易性的条件下 , 尽量减少用水量 , 可 以抑制混凝土干缩裂缝。 ( 4 ) 从配合比方面考虑, 影响混凝土开裂的因素 有 : 水 泥 品种 、 水 灰 比、 砂率 、 粉煤 灰掺 量 以及 含 气 量等。 4配合比优化 结合兰新客运专线 ( 新疆段 ) 所处的戈壁沙漠地 区大温差 、 大风沙 、 干燥 、 少水的气候条件 , 在初选基础 上 , 选定了 3种不同的品牌水泥 、 水胶比相同的 3种水 灰 比( W/ C)( 0 . 6 5 、 0 . 5 5 、 0 . 4 8 ) 、 3种 砂 率 ( 3 8 % 、 4 2 % 、 4 5 % ) 、 3种粉煤灰掺量( 1 0 % 、 2 0 %、 3 0 %) 、 3种 含气量( 0 % 、 2 . 5 % 、 5 . 0 %) 。分别对各类} 昆凝土的收 缩发展情况( 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 4 5 d 、 6 0 d 、 9 0 d 、 1 2 0 d 、 1 5 0 d 、 1 8 0 d ) 、 开裂情况 ( 初裂时间 、 裂缝数量 、 裂缝宽度 ) 展开试验 。 4 . 1 试验方法 ( 1 ) 混凝土收缩试验按照 G B / T 5 0 0 8 2— 2 0 0 9 (( 普 通? 昆 凝土长期性能和耐久性能试验方法》 “ 收缩试验” 进行。采用 1 0 0 m m1 0 0 m m5 1 5 m m 的棱柱体试 件 。试验应在温度 为 ( 2 02 ) ℃、 相 对湿度 为 ( 6 0 5 ) %的恒温恒湿条件下进行。分别在 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 4 5 d 、 6 0 d 、 9 0 d 、 1 2 0 d 、 1 5 0 d 、 1 8 0 d时测长度 , 然后计算收缩值。 ( 2 ) 早期抗裂试验 , 按照 G B / T 5 0 0 8 2— 2 o o 9 ( ( 普通 混凝土长期性能和耐久性 能试验方法》, 采用尺寸为 8 0 0 m l T l 6 0 0 m m X1 0 0 n q m的平面薄板型试件进行测 试 。试验温度为( 2 0 2 ) ℃ 、 相对湿度为 ( 6 05 ) % 的 恒温恒湿条件下进行。测定混凝土出现裂缝的时间及 裂缝宽度 、 数量的发展情况 。 4 . 2 试 验 用材料 ( 1 ) 水泥: 新疆哈密新天山牌 P 0 4 2 . 5普通硅酸 盐水泥、 新疆哈密新天山牌低碱 P 0 4 2 . 5水泥 、 潞安 新疆煤化工建材有限公 司生产 P 0 4 2 . 5普通硅 酸盐 ( 低碱 ) 水泥。 ( 2 ) 砂 :哈密市七星工贸有限公 司生产的水洗砂 。 ( 3 ) 石 : 新疆中闽建设南山 口石料厂生产碎石。 ( 4 ) 外加剂 :山西凯迪建材有 限公司生产 的聚羧 酸减水剂和引气剂。 ( 5 ) 水 : 普通井水。 ( 6 ) 粉煤灰 、 矿渣粉 : 粉煤灰采用新疆齐辉贸易有 限公司的 I 级粉煤灰, 矿渣粉采用新疆 曲沃县旭东建 材有限责任公司生产的 $ 9 5矿渣粉 。 4 . 3 配合比优化试验 4 . 3 . 1 不同品种水泥对混凝土收缩的影响 ( 1 ) 3种不同品种的水泥} 昆凝土配合 比如表 2所 示 , } 昆 凝土收缩试验结果如图 1 所示。 ( 2 ) 对混凝 土收缩影 响: 混凝土收缩与混凝 土的 强度发展快慢密切相关。对于强度发展相对较慢 的普 通硅酸盐水泥, 其早期收缩则较小 , 反之低碱水泥早期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 李雁, 等: 戈壁沙漠地区高性能混凝土配合比优化设计 2 0 1 5年 1 2月 强度发展较快 , 其早期收缩程度相对要大一些 , 但是在 2 8 d之后两者收缩的差别就不是很明显。 表 2不同品种 水泥混凝土配合 比 ( k g r n ) 品种 哈密新天 山普硅 哈密新天山低碱 潞安新疆低碱 水泥 用量 2 8 0 2 8 0 2 8 0 品种 水洗砂 水洗砂 水洗砂 砂 用量 7 5 6 7 5 6 7 5 6 碎石 1 0 4 4 1 0 4 4 1 0 4 4 粉煤灰 8 6 8 6 8 6 矿渣粉 6 4 6 4 6 4 ~ H J tl 剂 4 . 7 3 4 . 7 3 4 . 7 3 水 1 5 5 1 5 5 1 5 5 水胶 比 O . 3 6 0 . 3 6 O . 3 6 砂率/ % 4 2 4 2 4 2 强度等级 C 4 O C 4 0 C 4 0 骠 廷 1 3 7 1 4 2 8 4 5 6 O 9 O 1 2 O 1 5 O l 8 0 混凝土龄期/ d 图 l 不同水泥品种混凝土收缩试验结果( 1 O“) 4 . 3 . 2不同砂率对混凝土收缩的影响 ( 1 ) 不同砂率混凝 土配合 比如表 3所示 , 混凝 土 收缩试验结果如图 2所示 。 表 3 不同砂率时的混凝土配合比 ( k g m ) 品种 哈密新天山低碱 哈密新天山低碱 哈密新天山低碱 水泥 用 量 2 8 0 2 8 0 2 8 0 品种 水洗砂 水洗砂 水洗砂 砂 用 量 6 8 4 7 5 6 8 l O 碎 石 l 1 1 6 1 0 4 4 9 9 0 粉煤灰 8 6 8 6 8 6 矿渣粉 6 4 6 4 64 外加剂 4 . 7 3 4 . 7 3 4 . 7 3 水 1 5 5 1 5 5 1 5 5 水胶 比 0 . 3 6 O . 3 6 O . 3 6 砂率/ % 3 8 4 2 4 5 强度等级 c 4 o c 4 o c 4 o .6 0 0 5 0 0 - 4 0 0 一 1 1 3 0 0 葵. 2 0 0 骥 一1 0 0 O 1 0 O 1 3 7 1 4 2 8 4 5 6 O 9 0 1 2 0 l 5 O l 8 O 混凝土龄期/ d 图2 不同砂率混凝土收缩试验结果( 1 0 ) ( 2 ) 对混凝土收缩影 响: 砂率 越大混凝土的收缩 值越大 , 主要与碎石相 比, 砂的细颗粒多 、 含泥量大 , 混 凝土内部吸附水所 占比例较大 , 随着混凝 土内部吸附 水的蒸发混凝土的收缩值较大 。龄期延长 , 这种作用 越明显 , 因此 , 在满足和易性的情况下 , 应采用较小 的 砂率 。 4 . 3 . 3 不同水灰 比( 水和水泥 的比例 ) 对混凝土收缩 的影响 ( 1 ) 不同水灰 比时 的混凝土配合 比如表 4所 示 , 混凝土收缩试验结果如图 3所示 。 表 4 不 同水灰 比时的混凝土配合 比( k g m。) 品种 哈密新天山低碱 哈密新 天山低碱 哈密新天 山低碱 水泥 用量 2 4 0 2 8 0 3 2 0 品种 水洗砂 水洗砂 水洗砂 砂 用量 7 5 6 7 5 6 7 5 6 碎石 1 0 4 4 l 0 4 4 1 0 4 4 粉煤灰 8 6 8 6 8 6 矿渣粉 6 4 64 6 4 外加剂 4 . 7 3 4 . 7 3 4 . 7 3 水 1 5 5 l 5 5 1 5 5 水灰 比/ 水胶 比 O . 6 5 / 0 . 3 6 0 . 5 5 / 0 . 3 6 0 . 4 8 / 0 . 3 6 砂率/ % 4 2 4 2 4 2 强度等级 C 3 5 C 4 0 C 4 5 删 嫖 爨 廷 l 3 7 1 4 2 8 4 5 6 O 9 O 1 2 O 1 5 0 1 8 O 混凝土龄期/ d 图 3 不 同水 灰比/ 水胶 比混凝 土收 缩试 验结果 ( 1 0 ) 口 O 0 0 O O 0 O O 枷 勋 枷 号 : 加 ∞∞ ∞ ∞∞∞0∞ 4 0 ● 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 李雁, 等: 戈壁沙漠地区高性能混凝土配合比优化设计 2 0 1 5年 l 2月 ( 2 ) 对混凝土收缩影 响: 随着水灰 比的增加, 混凝 土早期的收缩增大, 水灰 比越大混凝土早期收缩值越 大 。这是因为水灰 比越大 , 用水量越多 , 而单位用量的 水泥水化所需的水量是固定的, 所以多余的水就会挥 发, 从而引起混凝土的体积收缩。另外水泥用量越多, 单位体积释放的水化热也就越多, 造成混凝土内、 外的 温差也就越大。因此, 对于在戈壁沙漠地区施工的混 凝土 , 在满足施工和易性的条件下, 尽量采用较小的水 灰 比, 或尽量降低胶凝材料用量。 4 . 3 . 4 不同粉煤灰掺量对混凝土收缩的影响 ( 1 ) 不同粉煤灰掺量混凝土配合 比如表 5所示 , 混凝土收缩试验结果如图 4所示。 表 5 不同粉煤灰掺量时的混凝土配合比 ( k g m ) 品种 哈密新天 山低碱 哈密新天 山低碱 哈密新天 山低碱 水泥 用量 2 3 7 2 8 0 3 2 3 品种 水洗砂 水洗砂 水洗砂 砂 用量 7 5 6 7 5 6 7 5 6 石 1 0 4 4 】0 4 4 1 0 4 4 粉煤灰 1 2 9 8 6 4 3 矿渣粉 6 4 6 4 6 4 外加 齐 《 4 . 7 3 4 . 7 3 4 . 7 3 水 l 5 5 1 5 5 1 5 5 水胶 比 0 . 3 6 O . 3 6 O . 3 6 砂率/ % 4 2 4 2 4 2 强度等级 C 4 0 C 4 0 C 4 0 , 珊 姆 嫫 图 4 不 同粉煤灰掺量混凝土收缩试验结果 ( 1 0“) ( 2 ) 对混凝土收缩影响 : 随着粉煤灰掺量 的增加 , 7 昆 凝土收缩逐渐减小。从早期强度 、 和易性等方面综 合考虑掺 2 0 %左右较为适宜。 4 . 3 . 5 掺引气剂对混凝土收缩的影响 ( 1 ) 不同引气剂掺量混凝土配合 比如表 6所示 , 混凝土收缩试验结果如图 5所示 。 ( 2 ) 对混凝土收缩影响: 掺加引气剂 的混凝土, 随 着含气量的逐渐增加 , 混凝土收缩逐渐减小。但是过 大的含气量对混凝土的强度影响较大, 所以从强度 、 和 易性等方面综合考虑含气量在 5 . 4 % , 掺量在 0 . 1 %左 右较为适宜。 表 6 不同含气量时的混凝土配合比( k g m。) 品种 哈密新天 山低碱 哈密新天山低碱 哈密新天 山低碱 水泥 用量 2 8 0 2 8 0 2 8 0 品种 水洗砂 水洗砂 水洗砂 砂 用量 7 5 6 7 5 6 7 5 6 碎石 1 0 4 4 l 0 4 4 1 0 4 4 粉煤 灰 8 6 8 6 8 6 矿渣粉 6 4 6 4 6 4 夕 n 口 齐 U / 弓 I 气齐 0 4 . 7 3 / 0 4 . 7 3 / 0 . 2 4 . 7 3 / 0 . 4 3 水 1 5 5 l 5 5 l 5 5 水胶比 0 . 3 6 0 . 3 6 O . 3 6 砂率/ % 4 2 4 2 4 2 强度等级 C 4 0 C 4 O C 4 0 含气量/ % 2 . 5 5 . 0 删 I 姆 廷 图5 不同含气量混凝土收缩试验结果( 1 0 ) 4 . 4影响混凝土配合比因素分析 ( 1 ) 通过试验结果看 出, 影 响混凝土和易性 、 含气 量 、 坍落度 、 强度 、 收缩及开裂 的因素很多, 从原材料、 外加剂的选择到砂率 、 水灰 比及矿物外加剂 的掺量 , 所 有这些因素均对混凝土的开裂产生影响。 ( 2 ) 从配合 比方面考虑, 影响混凝土开裂 的主要 因素有 : 水灰 比、 砂率 、 矿物外加剂掺量等。 ①配合 比设计时 , 各项性能均满足要求时 , 要尽量 降低水泥用量 、 用水量 、 坍落度 、 砂率。严格控制混凝 土的坍落度 , 其他条件一定 , 坍落度越大 , 需要的水量 就越大 , 混凝土收缩和开裂的可能性就越大。 ②严格控制水胶比及水泥用量 。水胶 比不仅影响 混凝土强度, 而且影响其密实性、 耐久性。严格控制水 泥用量的上 、 下限, 是保证混凝土密实性和耐久性的重 要措施。 ③采用较小砂 率。砂率越大 , 混凝土的收缩值越 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 李雁, 等: 戈壁沙漠地区高性能混凝土配合比优化设计 2 0 1 5年 1 2月 大 , 在满足和易性的情况下 , 应采用较小的砂率。 ④结合混凝土结构所在地气候和施工季节特点 , 夏季施工时, 以掺粉煤灰为主 , 掺矿渣粉为辅 , 用以降 低混凝土水化热 , 减少 内、 外温差 , 避免混凝土温度裂 纹 ; 冬季施工时 , 以掺入矿渣粉为主, 掺粉煤灰为辅 , 可 以提高混凝土早期强度 , 防止冻害。 ⑤为改善混凝土工作性能, 提高拌和物和易性, 并 降低水化热 , 粉 煤灰 可按水 泥用 量 的 1 5 % 一2 5 %掺 用 , 这样可以减少裂缝的发生 。 ⑥可以考虑在混凝土中掺用纤维材料, 纤维在混 凝土中起到“ 拉结” 作用 , 不同程度地抑制了裂缝的发 展 , 但大面积使用成本高 , 可在特殊结构物使用。 5 结束语 通过兰新客运专线 ( 新疆 段) L X T J 3标 的高性能 混凝土配合比优化分析, 从水泥品种选择、 水胶比、 砂 率、 粉煤灰用量、 引气剂掺量的控制等方面得出了戈壁 沙漠地区预防高性能} 昆 凝土开裂的配合比设计的基本 参数 , 工程实践验证达到了预期 目的 , 这些参数对戈壁 沙漠地区防开裂高性能混凝土配合 比设计提供借鉴和 指导 , 可供类似工程借鉴。 参 考文献 : [ 1 ] 周丽霞. 高性能混凝土[ J ] . 贵州工业大学学报( 自然科学版) , 2 0 0 5 , 3 4 ( 3 ) : l 1 1一l 1 4 . 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