高速铁路高性能混凝土配合比优化及性能研究

张孝斌

（中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

高性能混凝土又叫HPC，能在普通混凝土的基础上加大性能。然后采用现代建筑混凝土配置技术，产生高质量、高性能的工程混凝土。根据混凝土的不同使用需求，可在强度、工作性、经济性和实用性等诸多性能上有选择地加以保证。高性能混凝土在配制过程中，通常具有水胶比低、原材料优质和掺量大等特点，对铁路的发展起到了积极的推动作用。基于此，有必要对铁路桥梁高性能混凝土配合比设计参数进行深入研究。

1 高性能混凝土的优良性能

随着交通运输的不断发展，越来越多的新材料被应用到工程中。与传统混凝土相比，高性能混凝土在强度、稳定性和使用寿命等方面具有突出的优势，已成为工程研究的热点之一[1]。

1.1 高耐久性

混凝土耐久性主要表现在混凝土是否能很好地抵抗外界环境带来的破坏，保证工程的外观完整性和功能性，使混凝土的结构更安全，延长使用年限。高性能混凝土的耐久性能减少高速铁路被化学侵害的可能性。根据调查研究，在高速铁路中使用高性能混凝土，能使安全寿命达50～100 a。

1.2 强度大

现在，高速铁路越来越多，为了使铁路的安全性提高，必须加强混凝土的强度程度。高性能混凝土通过改善混凝土界面结构，大大提高了混凝土的强度，在铁路建设中显示出其优越性。

1.3 稳定性好

高速铁路作为城市的基础设施，因为长期使用，会造成很大的荷载。混凝土的稳定性能决定高速铁路结构的承载力。高性能混凝土采用高效减水剂，通过调整原材料的配比，提高混凝土的稳定性，避免因温度和应力变化引起的混凝土破坏引起工程结构变形。

2 高性能混凝土配合比设计要点

高性能钢筋混凝土以其高品质耐久性、高机械工作性、一定的抗强度、体积和高稳定性与实用经济性而著称。在我国高性能结构混凝土研究发展应用过程中，混凝土行业使用者往往过度注重使用混凝土的结构强度，而完全忽视了使用混凝土的整体弹性和结构韧性。目前国内使用的新型高性能钢筋混凝土大多增长过快，强度过高，使高性能钢筋混凝土的整体弹性和结构韧性明显不足。高性能新型混凝土在发生变形时，其整体抗压和变形腐蚀能力相对较差，降低了性能混凝土的使用耐久性。通过对部分高性能防水混凝土土质配合结构比的初步优化分析设计，在充分保证性能混凝土使用所需结构强度的基本前提下，尽可能多地降低部分高性能防水混凝土的土质脆性，提高性能混凝土的防水抗压和变形腐蚀能力[2]。

2.1 胶材用量

胶凝复合材料一般泛指各种用于人工配制活性混凝土的活性胶凝矿物质和掺合料（即例如胶凝水泥、粉煤灰、磨细粉的矿渣粉或结晶硅粉），统称材料为活性混凝土料或胶凝复合材料。配制使用高性能钢筋混凝土时，要对混凝胶料的使用进行有效控制。当不符合混凝土结构强度控制要求的时候，适当减轻对胶材的使用，选择用一种良好的骨料。细砂砂骨料应尽量多地选用不同级别匹配良好、洁净的中性细砂，能有效减少各层混凝土内部的空隙，减少混凝胶的使用量与内部混凝土的自流和收缩。同时，由于混凝胶量的大大减少，能有效抑制建筑混凝土的内部水化化学反应与建筑混凝土的外部水化热和内部孔隙，改善建筑混凝土整体内部结构，提高内部结构的整体密实度。

目前现场常用的煤粉外加剂的主要成分是有机粉煤灰。由于钢筋粉煤灰的细度要远远小于普通水泥，比泥的表面积大，能很好地用于填充钢筋混凝土内部孔隙和上下水道，提高钢筋混凝土的结构密实度。而且由于粉煤灰的有机水化化学反应处理周期长，水化处理反应慢，混凝土结构强度含量可以不断得到提高，对混凝土后期结构强度提高有很大的经济贡献。相同浓度条件下的掺粉对比测量试验结果表明，掺粉为褐煤灰后，强度提高10%～20%，在56 d内达到30%以上。

对不同类型、不同掺量的矿物掺合料的室内拌和结果进行了对比分析。结果表明，粉煤灰和矿渣微粉掺量分别为20%时，混凝土的耐久性、力学性能和其他性能均满足设计要求[3]，见表1。掺粉煤灰后钢筋混凝土早期水化强度继续上升缓慢，28 d后强度明显低于未再次掺粉煤灰时，但后期温度强度继续上升水化空间较大，说明未掺粉煤灰对钢筋混凝土早期控制水化化学反应中具有很好的主动控制水化作用，改善钢筋混凝土基层内部结构，提高钢筋混凝土基层密实度。那么在实际工业应用中如何有效控制使用粉煤灰的废气掺量呢?理论上，20%～30%的钢筋粉煤灰强度可以直接替代钢筋水泥将其掺杂到钢筋混凝土中，此时强度是最好的，但实际上，在钢筋混凝土早期硬化强度不高时，有时强度可以直接达到40%以上。

表1 粉煤灰和矿渣粉的优缺点

2.2 水胶比

水胶的配比不仅直接影响整体混凝土的结构强度和使用耐久性，而且对整体混凝土的整体流动性和阻力也是具有很大的直接影响。过大的混凝水胶比不利于建筑混凝土内部和微观整体结构的科学发展，会在建筑混凝土中直接形成大量的管道开闭孔隙或压缩气泡，以及由于混凝水的快速运动而直接形成的管道贯通上下水道，将极大地影响建筑混凝土的结构强度和建筑耐久性。因此，在确定高性能钢筋混凝土水泥配合比例的设计中，水泥油胶比质量是我们需要仔细考虑和严格控制的关键参数，一般正常情况下，水胶比最好控制在0.42以下，见表2。

表2 高性能混凝土水胶比

2.3 坍落度

目前，通过在掺杂材料中添加大量人工粉煤灰和其他施工外加剂，高性能新型钢筋混凝土的施工简易性和工艺综合性的工作性已经分别得到了很大程度的提高，相对容易并且得到质量保证也是能够满足降低建筑墙体坍落度的一种有效施工工艺。但由于我国建筑专用减水剂涂料整体使用性能的巨大性和不稳定性以及受建筑施工现场自然环境、温度等多种环境因素的双重变化影响，坍落度经常发生变化，特别是这一点对于建筑减水剂的施工质量损失影响尤为重要，因此在建筑油水涂料配合使用比例的标准设计中它还可以严格控制，降低建筑坍落度与造成质量损失的标准数值。混凝土钢筋完成配制后在施工进行过程60 min内对于墙体钢筋坍塌剥落应力度数的最大损失一般不应达到或大于30 mm。

2.4 混凝土含气量

含水排气量对于目前高性能钢筋混凝土含气配合比例的设计应用有着重要的指导作用。混凝土的内部空气量不但有可能使其具有很好的防水抗冻性，还有可能直接影响涉及到钢筋混凝土的拌合容易性、流动性和耐久性。混凝土吸水中的气体含水空气量较高，能在固体混凝土中迅速产生大量的白色球形球状气泡，在不同含气介质的吸水界面之间可以起到良好的吸水润滑保护作用，并在固体混凝土中逐渐形成均匀密度分布的小孔。这些立体孔隙结构能有效防止堵塞内部空气通孔，减少内部毛细水的大量渗透和吸收，保护和抵抗外部有害化学品的侵蚀。这些通道孔隙主要是由混凝土中均匀紧密分布的各种气泡混合形成的一种封闭通道孔隙，与混凝水胶比过大或由于水路通道连接不良引起的孔隙缺陷也与通道孔隙有一定本质区别，二者不能互相混淆。虽然这种混凝土的材质含量和气量较有利于提高混凝土的材质耐久性和耐磨和易性，但是所含有的气量一般不宜过大。混凝土的固体含水掺气量主要是由固体掺气吸水剂或其他具有掺气吸水作用的固体减水剂引起的。如果建筑空气气泡含量过大，一方面可能会使建筑混凝土材料内部空间不断充满大量建筑气泡，导致建筑混凝土内部混合土材料表观结构密度明显降低，混凝土内部密实度明显不足，强度和损失大；另一方面，由于内部大量气泡随着施工时间的持续推移不断发生破裂，流动的建筑混凝土不断减少，导致建筑混凝土内部坍落度和损失较大，在国家规定的施工时间内根本无法完全满足建筑施工工艺上的要求。

3 铁路高性能混凝土配合比配置途径分析

3.1 配比设计准备工作

高性能混凝土有和易性的特征，在混凝土混合料成型期间不能离析。在设计配合比之前，要预先做准备，相关技术人员应该好注意几个问题：（1）充分消化设计图纸，了解其对混凝土结构的系列要求，严格控制各种参数：构件截面尺寸、钢筋布置密度与材料的强度和耐久性；（2）执行混凝土成果要求，确定需要何种水泥和粗骨料的粒径；（3）熟悉、掌握运输与浇筑过程的具体方法和机械化水平，在选择外加剂和用量时能正确掌握凝结时间；（4）了解可采购材料的品种、质量和供应能力。在相关数据的指导下，更好地选择合适的配合比设计方案。

3.2 混凝土配置的途径及方法

在配置高性能混凝土的过程中，要注意混凝土中常见矿物的配置，即在实际配置中要掌握矿物与混凝土的比例。当高性能混凝土应用于混凝土结构时，是为了让高性能混凝土的矿物组成来减低裂缝的温度，当水泥水化之后，就会在混凝土界面处产生氢氧化钙和二氧化硅沉淀现象。在产生反应的时候，因为高性能碱水剂的结合使混凝土拌合料中出现了很多的凝胶颗粒。在转化过程中，凝胶粒子会形成荷电反应，被电排斥现象所分散，最终使混凝土的应用具有流动性。

3.3 混凝土配置的过程分析

在对铁路混凝土应用配比的过程基本上有6个方面。第一方面是计算混凝土构型含水率，应根据混凝土构型的具体应用材料进行估算和计算；第二方面是计算混合膏体的体积。在此过程中，应预估掺有粉煤灰和凝胶颗粒的混凝土体积。同时，在混凝土体积预测过程中，应测量混凝土搅拌时的孔隙，基本上，混凝土孔隙率是在0.35%～0.45%中间；第三方面是计算混凝土骨料消耗。在这过程中，要凭借现场实际工程的所需量来进行计算混凝土配合比骨料；第四方面是分析混凝土搅拌中所用的材料。在这期间，需要根据实际情况对混凝土实施混合搅拌，搅拌混合时要注意不同材料的密度和体积；第五方面是混料实验。根据实际需要对计算出的混凝土和各种材料进行专题试验，挑选任何一个施工现场当作试验场地，在试验过程中要适当改变混凝土的配合比和配料，以便更好地实施；第六方面是根据不同的地区分析不同的特殊实验材料。在使用混凝土进行配合比时，不能忽视区域因素。因为铁路施工的环境各不相同，在实际施工中应根据现场的地理环境进行特殊的配合比设计。

3.4 加强混凝土养护质量控制

在完成混凝土浇筑之后，要加强保护工作。基本上从4个部分着手：（1）从各式各样的施工环境、施工对象、水泥的种类、外加剂和混凝土性能上，挑选出详细适合的保护措施，关于混凝土结构的保养方案和维护时间都必须按要求来制定；（2）一旦新浇结构和流水融合在一起，就得强化防水方案，避免混凝土在保护过程中受到水流的破坏；（3）当混凝土拆掉模具后，应该在上面加盖保温保湿的无纺土工布或麻袋，同时固定浇水达到保温保湿。每天浇水的次数取决于环境湿度；浇水时要使混凝土的表面一直湿润，使质量得到保障。（4）混凝土的早期养护，应派专人保持混凝土湿润。在进行浇水时，混凝土和水温之间的温度差不能大于15℃，而当环境温度低于5℃时，混凝土表面禁止洒水。

4 结束语

总而言之，在铁路高性能混凝土的配置中，应该选择用低水胶比，适当地减轻混凝土单位的用水量；选择用高性能减水剂，加大外加剂的使用性，节约水泥使用；降低混凝土内部孔隙率，缩减体积，使混凝土更实用。混凝土耐久性主要体现在混凝土电通量、抗渗性、抗冻融性、抗裂性、钢筋防护性和抗碱集料等耐久性指标上。