铁路客运专线高性能混凝土配合比设计优化.pdf

铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 1 3 4 0 3 铁路客运专线高性能混凝土配合比设计优化 齐红 军 ( 陕西铁路工程职业技术学院 ， 陕西 渭南7 1 4 0 0 0 ) 摘要 ： 高性 能 混凝 土配合 比设计 的 目标是要 同时兼顾 耐 久性 、 强度 、 工作性 、 体积 稳定性 以及 经济性 的要 求来确定各组分的合理用量， 以保证在设计使用年限内的结构安全和正常使用功能。本文结合京沪高 铁 预 制 梁场 的制 梁 工作 ， 以混凝 土 的工作性 能 为约束 条 件 ， 以强 度 与耐 久性 指 标 为优 化 目标 ， 再 结 合砂 率 、 用水 量 、 外加 剂 等的调 整 ， 提 供 了一组 高性 能混凝 土 配合 比。 关键 词 ： 铁路客 专 高性 能 混凝 土 配合 比 设计优 化 中图分类 号 ： U 2 1 4 1 8 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 2 0 7 4 0 高性 能混凝土是基于混凝土结构的“ 耐久性 ” 提 出来 的新 型混 凝 土 ， 代 表 了近 期混 凝 土 的技术 发 展 方 向。高 性能混 凝 土是在 传统混 凝 土 中加 入 了超塑 化剂 和 其它 外加 剂 以及 矿 物 细 掺 料 ( 如粉 煤 灰 、 矿 粉 等 ) ， 并采用低水胶比。它具有 良好的工作性、 体积稳定性 ， 较高的力学性能 ( 如抗压、 抗折、 抗拉强度) 和高 耐久 性( 如高抗渗性 、 抗冻融 循环 、 抗碳化 和抗化 学侵蚀 等 ) ， 可 以满足一定 的使用需求。近 2 0年来 ， 在世 界 范 围内掀起 了以耐久性为基本要求的高性能混凝土研 究 的小高潮， 并提 出了“ 按服务年限或按耐久性设计 混凝 土 ” 的理念 。 高性能混凝土配合 比设计 的目标是要同时兼顾耐 久性 、 强度、 工作性 、 体积稳定性 以及经济性的要求来 确定各组分的合理用量， 以保证在设计使用年限内的 结构 安 全和 正常 使用功 能 。随着 混凝 土 中多种矿 物掺 合料和外加剂的掺入 ， 混凝土组分多样化 ， 以及混凝土 的性能 要求 的提 高 ， 相应 地 混 凝 土 配合 比设 计 亦更 为 复杂化 。影响混凝土配合 比的因素与配合 比各组成材 料 之 间存在 着非 常 复杂 的非 线 性关 系 ， 基 于经 典 的 半 经验半定量的配合 比设计方法难以配制 出组分复杂 、 具 有高 性 能的混 凝土 。本 文拟 寻找新 的途 径 ， 快 速 、 可 靠 、 准确地设计 出满足上述要求的混凝土配合比。 1 客 运 专 线 高 性 能 混 凝 土 配 合 比设 计 技 术 方案 根据客运专线混凝土耐久性 的要求 ， 混凝土配合 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 2 - 1 9； 修回 日期 ： 2 O l 2 O 4 1 O 基金项 目： 陕西铁路 工程 职业技术 学院 院级科研基金项 目( 2 0 1 0 1 8 ) 作者简介： 齐红军( 1 9 7 5 一 )， 男 ， 陕西宝鸡人 ， 副教授 ， 硕士。 比设计采 用 以下技 术方案 ： 1 ) 低 水胶 比， 高 流动 度 ， 选 择工 作 性最 优 时 的 砂 率 。 2 ) 不 同混 凝 土强 度等 级 、 不 同环 境 条 件 下混 凝 土 的最 大胶 凝 材 料 用量 、 最 大 水 胶 比应 满 足 规 范 要 求 。 在满 足设计 强度 的情 况 下 ， 水 泥 用 量 与胶 凝 材料 浆 体 体积应尽可能低。 3 ) 采用粉煤灰和矿渣粉双掺 ， 一般情况下矿物掺 合料掺量不宜小于胶凝材料总量的 2 0 。 4 ) 选用减水效果好及保坍能力强的高效减水剂， 提高混凝土耐久性能。 5 ) 混 凝土 的入模 含气 量应 满足要 求 。 按 照 以上 技术 方案 和 C 5 0设 计要 求 ， 结 合 实 际 工 程应用中的其它因素综合考虑 ， 选择配合 比设计试验 参 数 ， 见表 1 。 表 1 混凝土配合 比主要控制参 数 2原材料的试验与检验 1 ) 水 泥。 试 验 采用 亚 东 水 泥 股 份 有 限 公 司生 产 的 P O 4 2 5水泥 ， 物理性能 如表 2所示。P O 4 2 5 水泥所有性能均符合 G B 1 7 5 1 9 9 9及 客运专线 预 应力混凝土制梁暂行技术 条件 和 客运专线高性能 混凝土暂行技术条件 指标要求 。 2 ) 矿粉 。试 验 所 采 用 的 矿 粉来 自武 钢 华 新 水 泥 有限责任公司 ， 其性能指标如表 3 。 3 ) 粉煤灰 。试 验采 用 阳逻 I级 粉煤 灰 ( 干 排 ) ， 经 2 0 1 2年第 7期 铁路客运专线 高性 能混凝 土配合 比设计优化 1 3 5 表 4粉煤灰的物理性质 表 9高效减水剂 ( 液态 ) 的物理性能 检测 其 物理性 能 ( 如表 4 ) 符合 G B 1 5 9 6所规 定 的 I 级 粉煤灰的要求 。 4 ) 细骨料 。试 验采 用 巴河河 砂 ， 颗 粒 级 配 满 足要 求 ， 筛分试验结果如表 5 ， 细度模数为 3 0 ， 中砂； 河砂 的其 它 性能 如表 6 。 表 5河砂 的颗粒级配 检 测 项 目 含 泥 量 蓍 氯 化 物 轻 物 质 云 母 碱 活 性 检测结果 o 5 2 o 3 5 o o o 1 4 o 4 o 1 3 o 2 5 o 0 8 5 ) 粗骨料。试验采用 阳新碎石 ， 粒级符合 5 0 2 6 5 m m 的连续 级配 ， 最大 粒径 为 2 6 5 mm， 颗粒 级 配 及 主要 物理 性能 分别 见表 7与表 8 。 表 7碎 石 颗 粒 级 配 检 测 项 目 茎氯 化 状 萋 萎 指 标 要 求o 5 0 o 2 5 o 0 2 5 o 5 无 潜 在 活 性 1 0 检测结果0 1 7 0 0 8 0 0 0 3 4 2 9 0 1 5 无潜在活性8 0 6 ) 外 加 剂 。试 验 分 别 选 用格 雷斯 ( 中 国 ) 有 限 公 司生产的高效减水剂 A D V A 1 8 0 ， 江苏博特新材料有限 公 司生 产 的 J M P C A( I ) 混凝 土 超 塑化 剂 ， 上 海 诚 城 外 加剂有限公司生产的 L E X g H高效减水剂 ( 掺入量分 别 为胶 凝 材料 的 0 6 ， 1 0 ， 1 0 ) ， 其 性 能 指标 见 表 9 。此 三种 减 水 剂 均 为 聚 羧 酸 系 高 效 减 水 剂 ， 产 品 性 能符 合 G B 8 0 7 7 -2 0 0 0所 规定 的技 术指 标要 求 。 7 ) 拌 合水 。采 用洁 净 的 自来 水 。 3 高性 能混凝 土配合比优 化方案 在进行 c 5 o高性能混凝土配合 比优化时 ， 主要通 过调节各胶凝材料量之间的最优组合。在确保混凝土 工作性 、 强度等级的前提下 ， 尽可能地提高混凝土的耐 久性 指标 ， 以实现设计使用年限 1 o o年 的要求 。具体 体现 在智 能可 视化 数 学 模 型 上 ， 就是 以混 凝 土 的 工作 性为约束条件 ， 强度与耐久性指标为优化 目标 。配合 比主要控制参数 ： 胶凝材料总量 、 粉煤灰掺量和矿粉掺 量( 砂率 、 水灰 比根据试配的结果做略微的调整 ) 。 以表 1 0的控制参数设计配合比。通过试配 ， 确定 了基 准 配 比为胶 凝材 料 ： 砂 ： 石 ： 水 ： 外 加 剂 ( 每 m 混 凝土材料用量 ， 单位 k g m )=4 6 2 ： 6 9 2 ： 1 1 7 8 ： 1 4 6 ： 2 3 1 ， 外加剂选用 A D V A1 8 0 ， 再掺粉煤灰 、 矿粉设计了 以下 1 2组配合比， 并通过试验测试 ， 采集混凝土各项 性 能指 标 ， 作 为优 化设 计 的样本 数据 。 表 1 O样 本 数 据 1 3 6 铁道建筑 在满足混凝土工作性 ， 以及 5 6 d抗压强度的条件 下 ， 将降低 5 6 d C L 一 扩散系数和 电通量指标 为 目标 值 ， 以充分提高混凝土的耐久性能。 结合客运专线高性能混凝土 的性能要求 ， 选取配 合 比主要控 制参 数 ， 在 满足 混凝 土工作性 的条件下 ， 将 采集的混凝土性能指标作为样本数据。利用智能可视 化技术 ， 分别 以 5 6 d抗压强度与电通量值 、 5 6 d抗压 强度与氯离子扩散系数为 目标值 ， 通过 映射得到样本 数据的分布和 目标函数等值线 ， 确定 出一个平稳 的最 优 目标 区域 。然后 ， 根据 等值 线 的 分 布规 律 可 展 现 出 样 本 数据集 操作 空 间 的特 征 ， 预 测 优 化 后混 凝 土 的 配 合 比 A 为 ， 水 泥 ： 粉 煤 灰 ： 矿 粉 ： 细集 料 ： 粗 集 料 ： 水 ： A D V A - 1 8 0高效 减 水剂 ： 3 1 2 ： 1 1 5 ： 3 5 ： 6 9 2 ： l 1 7 8 ： 1 4 6 ： 2 3 1 ； 配合比 B为， 水泥： 粉煤灰： 矿粉： 细集料： 粗集料： 水 ： A D V A 一 1 8 0高 效 减 水 剂 =3 0 0 ： 1 1 5 ： 4 6 ： 6 9 2 ： 1 1 7 8 ： 1 4 6 ： 2 3 1 。硬化混凝土的 5 6 d抗压强度为 7 5 MP a ， 电 通 量为 2 3 4 5 C ， C 1 一 扩 散 系数 为 2 3 41 0 r n s ， 其 性 能指标达到 了充分 提高混凝土耐久性 的要 求 。 4推荐混凝 土配合 比 根 据 客运 专线 C 5 0高性 能混 凝 土设计 方 案 ， 为 了 分析不同掺量下粉煤灰 、 矿粉对混凝土渗透性的影响， 将 粉煤 灰 、 矿 粉等 量取 代 水 泥分 别 占胶凝 材 料 总 量 的 1 5 ， 3 0 ， 4 0 和 5 0 ， 并将 粉 煤 灰 和 矿 粉 复 掺 ； 另 外 ， 选 掺 引气 剂 ， 调 整 引气 量 ( 掺 量 分 别 为 0 0 5 和 0 1 0 o ) 来 分 析引入 的微 气孔 对 混 凝 土抗 渗 透 性 能 的 影响 。 在 上 述原则下 进行 配合 比设计 ， 再结 合砂 率 、 用 水 量 、 外 加剂 掺量 的调 整 ， 进行 混 凝 土 试 配 ， 以 配制 出具 有 良好 工作 性 的配合 比， 其 结果参 见表 1 1 。 表 l 1 混 凝 土 材料 用量 k g m 5 结 语 高性能混凝土在铁路客运专线中已被广泛采用， 克 服高性 能混凝 土引起 的性能缺 陷 ， 确 保客运 专线工 程 的 1 0 0年使用寿命 ， 意义重大。在高性能混凝土配合比设 计中， 宜将胶凝材料用量控制在 5 0 0 k g m 以下。配合 比中水胶比、 砂率、 外加剂等因素会对混凝土的强度、 和 易性、 坍落度等不同方面造成一定的影响。 选择合理的施工配合 比及施工控制措施 ， 使混凝 土达到最密实状态 ， 不但有助于降低工程成本 ， 提高混 凝土强度 ， 而且因混凝土 内部空隙少 ， 能抵抗外来腐蚀 介质的侵入 ， 保护钢筋 ， 大大提高混凝土耐久性 ， 确保 工程质 量 。 参 考 文 献 1 姚燕 ， 王玲 ， 田培 高性 能混凝 土 M 北京 ： 化学 工业 出版 社 ， 2 0 0 6 2 谢凯军 ， 郭小安 ， 赵洪学 ， 等 客运 专线 高性 能混凝土配合 比 设计与试验研究 J 水利水 电施工 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 7 9 8 6 3 张勇 ， 杨 富民， 谢永 江， 等 郑西铁路客运专线高性能混凝土 配制试验研究 J 铁道建筑 ， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 1 0 3 1 0 6 4 赵双林 ， 郑文军 ， 李忠生 武广 客运专 线高性能混凝 土 的配 制研究 J 路基 工程 ， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 1 2 2 1 2 4 5 吴刚 ， 孙树 高铁客运专线高性能混凝土配合 比设计及施 工 常见问题的解决措施 J 江苏建筑 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 6 2 6 4 ， 7 8 ( 责任审编 孟庆伶)