【摘 要】文章通过结合某高速公路工程实例，对该工程所采取的C55混凝土配合比设计以及原材料控制、拌制施工等环节展开探讨，总结出可采用的设计配合比以及有效的施工、质量控制措施以及应注意的事项，为同类工程提供参考。
【关键词】公路建设项目；主梁混凝土；C55混凝土；配合比；搅拌工艺
目前，C55混凝土广泛应用于现代桥梁的施工中，这就要求C55混凝土在设计应用过程中不光要满足强度需求,还要保证抗裂、抗渗等性能和外观质量，满足施工及设计要求，确保工程质量。考虑到在工程实践中，C55混凝土的配制应用技术复杂，必须从原材料选择和混凝土配合比的合理设计方面严格控制。文章结合工程案例，重点对配合比设计进行研究，包括了原材料选择、配合比设计等内容。
1 工程简介
某高速公路全长93.552km，其中桥隧总长17.337km，占18.57%。本项目有四座刚构桥，其中LJ－8合同段全长622.76m，最大跨径135m，主墩(7#)高114m；LJ－9合同段全长958m，最大跨径165m，主墩(4#)高132m；LJ－11合同段全长1688m，最大跨径185m，主墩(14#)183m，考虑到主梁压应力超限较大，为满足受力要求，主梁混凝土设计为C55。
2 设计考虑要求
2.1 规范要求
坍落度:180～220mm。
弹性模量:3.55×104MPa。
氯离子含量:≤0.06%。
2.2 设计文件要求
根据设计图纸，本项目桥梁结构的设计基准期为100年，混凝土需考虑桥梁耐久性设计。影响混凝土结构耐久性的主要因素有混凝土的碳化、氯离子对混凝土结构的侵蚀、混凝土的碱－集料反应、钢筋的锈蚀等。
(1)混凝土碳化速度取决于CO2气体的扩散速度及CO2与混凝土成分的反应性。在设计中适当的加大了构件保护层厚度，并增加表层防裂钢筋网，以防止构件出现表层裂缝，从而减缓CO2气体的扩散速度。
(2)对混凝土中氯离子含量控制首先应在原材料中控制氯离子含量，项目所在地生产用水为淡水，氯离子含量满足施工要求；设计中细集料选用渭河砂，很少含有氯离子，可以直接使用。由于混凝土本身固有的多孔性而存在着宏观与微观的缺陷等原因，外界环境的氯离子可以渗入混凝土中并且可以达到一定的浓度，使混凝土失去对钢筋的保护作用。因此在设计中适当增加了混凝土保护层厚度阻止或防止外界环境的氯离子渗入混凝土内部。
(3)根据碱——集料反应的机理及影响该反应的主要因素，防止碱——集料反应主要采用以下措施:采用低碱水泥、使用非活性集料、使用掺合料降低混凝土的碱性。
(4)钢筋的锈蚀问题在设计中适当的加大了构件保护层厚度，并增加表层防裂钢筋网，以防止构件出现表层裂缝，从而减小钢筋锈蚀的可能性。
2.3 施工性能、强度耐久性要求
(1)混凝土强度等级为C55，根据工期要求混凝土张拉强度及弹性模量的需要，混凝土72h强度必须≥49.5MPa，方能满足6～7天一个块段的施工进度要求。
(2)为保证项目总体进度目标，满足混凝土早期强度要求，尽量控制混凝土凝结时间，初凝时间6～8h，终凝时间12～16h。
(3)本项目最高墩达183m，混凝土泵送高度达194m以上，要求混凝土入泵坍落度为200mm±20mm，扩展度为500mm±50mm。混凝土坍落度2h经时损失＜20mm，且混凝土应具有良好的工作性、粘聚性和无泌水。
3 C55混凝土配合比设计
3.1 设计说明
C55混凝土配合比，用于刚构桥现浇主梁。根据施工泵送高度坍落度设计为180～220mm。
3.2 依据规范标准
《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55－2011)；
《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081－2002)；
《普通混凝土拌合物性能试验方法标》(GB/T50080－2002)；
《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF50－2011)；
《粉煤灰技术规范》(JGJ28－86)。
3.3 设计意向
(1)因为刚构桥主梁结构配筋密集，采用三向预应力结构，分纵向、竖向、横向三种预应力体系，预应力波纹管多，且刚构桥预应力混凝土箱梁是桥梁的主要受力构件，施工时采用泵送技术，要求混凝土在满足施工性能要求的情况下，具有良好的流动性、和易性，同时要有优异的抵抗长期变形的能力，即收缩徐变要低，要有良好的耐久性能和外观质量。
(2)本项目刚构桥主梁混凝土均采用C55混凝土，主梁结构混凝土如果采用纯水泥配合比，容易出现以下问题:
①混凝土采用纯水泥配合比，会因水泥含量高，水化热过大，导致温度应力增大，从而造成结构特殊部位产生温度裂缝。
②混凝土采用泵送技术施工时，通过地面上的混凝土输送泵和布设在墩身上的混凝土输送导管将混凝土输送至浇筑位置，由于墩身高，混凝土输送距离长，且纯水泥配合比的混凝土流动性、和易性相对较差，采用泵送施工时易出现堵管现象，导致施工进度缓慢。
③刚构桥主梁悬臂浇筑时，如果混凝土采用纯水泥配合比，虽然混凝土具有较高的早期强度，满足混凝土早期预应力张拉的要求，但纯水泥配合比的混凝土收缩徐变大，混凝土在浇注后的凝结硬化阶段容易产生塑性收缩而导致开裂，使梁体出现裂缝。
为了增加桥梁结构的耐久性，提高桥梁结构混凝土的施工和外观质量，确保施工过程中减少或避免以上问题，保证施工进度，本项目C55混凝土配合比设计掺加掺合料、改善混凝土性能是非常必要的。
当前，混凝土中掺入粉煤灰已成为改善混凝土性能的最有效方法。根据施工经验和工程上目前推广的施工工艺，初步计划采用粉煤灰作为掺合料进行配合比设计。
(3)粉煤灰在混凝土中的作用
①粉煤灰是燃烧煤粉后收集到的灰粒，亦称飞灰，其主要化学成分是二氧化硅、三氧化铝、三氧化二铁、氧化钙等，粉煤灰掺入混凝土后，不仅可以取代部分水泥，降低混凝土中的水泥用量，保护环境，而且能与水泥互补长短，均衡协合，改善混凝土的一系列性能，这是粉煤灰的“微集料效应”、“填充效应”以及“火山灰效应”综合作用的结果。粉煤灰主要是由海绵体和铝硅酸盐玻璃微珠矿物组成，这些玻璃呈圆球状，表面光滑，粒度小，质地致密，比表面积小，能与集料的接触点起轴承效果，促进水泥初期水化的解絮作用，改善拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种功能，尤其对泵送混凝土，使混凝土的流动性提高，增大可泵性。同时，粉煤灰颗粒比水泥小，均匀分布在水泥颗粒之中，能释放出更多的浆体来润湿集料颗粒，阻止水泥颗粒粘聚，改善混凝土的粘聚性，减少离析。
②掺入粉煤灰可改善新拌混凝土的和易性。新拌混凝土的和易性受浆体的体积、水灰比、骨料的级配、形状、孔隙率等影响。掺入粉煤灰可以增大新拌混凝土的浆体体积，大量的浆体填充了骨料间的空隙，包裹并润滑了骨料颗粒，降低骨料颗粒之间的摩阻力，补偿细骨料中的细屑不足，从而使混凝土拌合物具有更好的粘聚性、可塑性，抑制新拌混凝土的泌水。
③当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要取决于粉煤灰的火山效应，即粉煤灰中的活性氧化硅、氧化铝与水泥浆体中的氢氧化钙作用生成二次水化硅酸钙、水化铝酸钙，随着水解层被反应物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土不透水性、耐磨性和后期强度的增长。掺入粉煤灰可以有效防止碱集料反应，提高结构物混凝土耐久性。
④掺入粉煤灰可降低混凝土的水化热。混凝土中水泥的化学反应是放热反应，在混凝土中掺入粉煤灰，由于减少了水泥的用量可以降低水化热。水化放热的多少和速度取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量，温度升高时水泥水化速率会显著加快，一些大型、超大型混凝土结构，其断面尺寸增大，混凝土设计强度等级提高，所用水泥强度等级高，单位量增大，这些因素的叠加，导致混凝土硬化过程温升明显加剧，温度升高，导致许多混凝土结构物在施工期间出现大量裂缝。粉煤灰混凝土可以减少水泥的水化热，减少结构物由于温度而造成的裂缝。
3.4 配合比所用原材料
(1)水泥:华润水泥控股有限公司生产的“华润牌”P.O52.5R水泥。
(2)粉煤灰: 汕头市达濠区中业粉煤灰有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰。
(3)细集料:天然砂，II区中砂
(4)粗集料:将(5－10)mm、(10－20)mm碎石按3:7混合后符合5－25mm连续粒级配要求。
(5)外加剂: 佛山市恒宇混凝土外加剂厂生产的HT－HPC(HPWR－R)聚羧酸高性能缓凝减水剂，掺量1.2%。
(6)拌和水:当地河水。
3.5 混凝土配合比设计
3.5.1 计算初步配合比
(1)确定配制强度
根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55－2011)，混凝土的配制强度采用下式确定:fcu，o=fcu，k+1.645σ，强度标准差σ取6.0
则:fcu，o=fcu，k+1.645σ=55.0+1.645×6=64.9MPa
(2)确定水灰比W0/C
按强度要求计算水灰比
①计算水泥实际强度
采用华润水泥控股有限公司生产的普通硅酸盐52.5R级水泥，28天实际强度为54.3MPa
②计算水灰比
已知混凝土配制强度fcu.o=64.9MPa混凝土中采用碎石，则aa取0.53，ab取0.20，W/C=aa·fce/(fcu.o+aa×ab×fce)=0.53×54.3/(64.9+0.53×0.20×54.3)=0.41。
为了提高混凝土强度保证率，同时满足施工时混凝土拌和物的性能将W/C调整为0.30。
(3)选定用水量W0
已知混凝土设计坍落度为180～220cm，碎石最大粒径为26.5mm，为满足施工要求，在混凝土中掺入1.25%的规格为HT－HPC聚羧酸高性能缓凝减水剂，减水率为33.0%、确定单位用水量为240kg/m3。
则掺外加剂混凝土单位水量
mwo=240×(1－0.33)=160kg/m3
根据实际拌和单位用水量取152kg/m3
(4)计算胶凝材料用量C
C=W0÷W0/C=152÷0.30=507(kg/m3)，实际使用胶凝材料取500kg/m3
(5)计算粉煤灰用量
选择粉煤灰用量按胶凝材料的10%取，粉煤灰用量为50kg/m3
(6)确定砂率βS
据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55－2011，选定砂率为39%。
(7)计算外加剂用量WJ，按胶凝材料的1.25%的掺量计算
WJ=500×1.25%=6.25(kg/m3)
(8)确定粗骨料G、细骨料S用量:采用质量法计算(经体积法校核粗、细骨料用量差异很小)，假定混凝土容重为2459kg/m3
细集料用量:ms0=(mcp－mc0－mwa)βs=705kg/m3
粗集料用量:mg0=(mcp－mc0－mwa－ms0)=1102kg/m3
每方混凝土单位用量:水泥:细集料:粗集料:粉煤灰:水:外加剂=450:705:1102:50:152:6.25=1:1.57:2.45:0.11:0.34:0.01
则该混凝土初步配合比为:
C:S:G:F:W:WJ=450:705:1102:50:152:6.25=1:1.57:2.45:0.11:0.34:0.01
3.5.2 确定基准配合比
按以上初步配合比在试验室进行试拌，混凝土拌和物工作性能满足设计要求，此配合比为基准配合比。在用水量不变的情况下，水胶比分别增加和减少0.02，砂率增加和减少1%，得到相近的两个配合比进行拌和，见表1。
(1)配合比的调整与确定
按表1的配合比进行试拌，得到各配合比拌合物性能见表2。
2)按上述配合比拌制25L，检测其不同水灰比配合比(7d，28d)标准养护试件抗压强度，其试验结果见表3。
3.5.3 理论配合比的确定
根据上述试验结果，绘制强度和灰水比线性关系图，确定出略大于配置强度对应的胶水比，因此选定水胶比为0.30作为理论配合比，见表4。
(1)计算混凝土配合比校正系数
经测定混凝土拌和物的实际表观密度为2450kg/m3，与计算值2459kg/m3之差的绝对值小于计算值的2%，所以此配合比单方材料用量可以不予调整直接用于施工的理论配合比。
(2)理论配合比抗压强度、弹性模量如下
根据以上试验结果表明，掺入10%左右的粉煤灰，对混凝土的早期强度影响很小，混凝土的和易性明显得到改善。
经中心试验室验证，配合比试验过程和结果都得到了证实，配制的混凝土拌合物和易性较好，满足施工要求，可以指导现场施工。
4 施工应用情况
该项目刚构桥已全面进入主梁混凝土浇筑施工，其中LJ－11合同段11#～16#6个主墩已经完成0+1#块段的混凝土浇筑，最高墩14#已经完成3#块段的混凝土浇筑，13#～15#主墩刚构主梁施工混凝土泵送高度较高，均采用高塔高泵送及二次泵送施工，14#墩垂直高度194.5m，墩底水平管距离40m，采用二次接力泵施工，即先采取一台90泵完成第一次泵送，混凝土泵送至0#块后再采用一台60泵完成从0#块至现浇梁段的混凝土入模施工。
就目前现场施工情况来看，该混凝土出机坍落度实测值为220mm，入模坍落度实测值为210mm，混凝土和易性良好，塌落度损失较小，早期强度符合施工工艺要求，泌水率小，满足二次接力泵施工要求，能保证施工生产进度。
5 混凝土施工过程中应注意事项
(1)加强进场原材料质量控制和检测，确保混凝土拌合所使用原材料与配合比设计时料源、质量一致。
(2)严格按配合比设计进行拌制。混凝土的配料宜采用自动计量装置，各种衡器的精度应符合要求，计量应准确。计量器具必须定期标定，迁移后应重新进行标定。
拌制混凝土所用原材料应按质量投料，预制场集中拌制，配料数量应满足水、外加剂、水泥、干燥状态掺合料质量偏差不大于±1%；粗、细集料质量偏差不大于±2%。
混凝土的最短搅拌时间(自全部材料装入搅拌筒开始搅拌至开始出料)应按照搅拌机产品说明书的要求经试验确定。
加强和重视混凝土拌合质量，癖免含砂率不当或骨料级配不合理，确保混凝土拌合物拌合均匀，颜色一致，不得有离析和泌水现象，应具有良好的和易性、粘聚性、保水性以便于施工，确保工质量。
(3)混凝土的坍落度和工作性宜根据结构物情况和施工工艺确定，在满足施工工艺要求的前提下，宜采用低坍落度的混凝土施工。冬季生产时拌合用水必须加热，同时可以适当降低水胶比。严禁施工过程中随意加大拌合用水量或在混凝土拌合物中加水增大坍落度。
加强对混凝土坍落度及其损失的检测，宜在搅拌地点和浇筑地点分别取样检测，每一工作班或每一单元结构物不应少于两次，当混凝土拌合物从搅拌机出料起至浇筑入模的时间不超过15min时，其坍落度可仅在拌合地点取样检测。
(4)预留足够的同条件养生试件、标养抗压强度试件和抗压弹性模量试件。
(5)混凝土泵送速度应控制恰当，混凝土的供应应使输送混凝土的泵能连续工作，泵送的间歇时间不宜超过15min.。在泵送过程中，受料斗内应具有足够的混凝土，不得低于搅拌轴，以防止吸入空气产生阻塞。
6 结语
综上所述，文章介绍了本工程中C55混凝土在原材料的选择及配合比设计过程中的质量控制注意要点。并且通过对混凝土的工作性能、力学性能及各项耐久性性能的分析和研究，该工程中C55混凝土的质量得到了保证，工程性能稳定、技术效果显著,确保优质完成了高速公路的混凝土施工，确保了工程质量，说明该配合比的设计及施工工艺是科学合理有效的，可供类似工程参考。
参考文献：
[1]王军学.C55混凝土配合比设计及应用[J].城市建设理论研究:电子版.2013(07).
[2]姜锡东;胡君;潘江波.C55高性能悬浇箱梁混凝土配合比设计浅析[J].公路交通科技:应用技术版.2012(12).
[3]刘冠国;马爱斌;张萍.崇启大桥C55箱梁混凝土配合比设计与优化[J].河北工业大学学报.2015(05).
论文作者:赵军
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第16期
论文发表时间:2016/11/14
标签：混凝土论文; 粉煤灰论文; 水泥论文; 强度论文; 水化论文; 骨料论文; 用量论文; 《低碳地产》2016年8月第16期论文;