摘要：结合铁路施工中设计重载铁路高性能配合比的过程，得出对于重载铁路高性能混凝土配合比的设计不仅要采用优质的原材料，而且要运用添加高效外加剂以及足够数量的掺和料的方法，从而设计出满足耐久性及其他工作性能的高性能混凝土。
关键词：重载铁路；混凝土；配合比；耐久性
引言
新建山西中南部铁路通道19标（DK1049+400-DK1133+900），为正线双线，设计速度目标值采用120km/h，世界上第一条按30吨重载铁路标准建设的铁路。主要工程为桥涵隧对于高性能混凝土需求量大质量要求严，在配合比设计过程中不仅要严控原材料质量还要做好配合比选定工作。本文以此重载铁路中大量用到的C30高性能混凝土配合比设计工作为例进行阐述。
1.配合比设计参数
在《高性能混凝土应用技术规程》（CECS207-2006）对高性能混凝土定义为：采用常规材料和工艺生产，具有混凝土结构所要求各项力学性能，具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。就重载铁路高性能混凝土配合比的设计来说，主要是以混凝土的耐久性以及结构物的使用期限等作为依据的，本重载铁路的主体结构混凝土的耐久性设计寿命为100年，C30高性能混凝土使用部位为墩身、台身、托盘、基础、承台、二衬、洞口工程等部位。设计环境作用等级为T1、T2，原材料已检验合格此处不再赘述。混凝土配合比设计参数见表1
表1
项目 要求 最大胶凝材料用量 400kg/m3 坍落度 160～200mm 施工工艺 机械振捣 56d电通量（C） ＜1200 最小含气量（％） 2.0 泌水率（％） 不泌水 氯离子总含量 kg/m3） ≤0.0006B（B为胶凝材料用量） 总碱含量（kg/m3） 不限制（采用非活性骨料时） ≤3.5（当骨料碱-硅酸盐反应砂浆膨胀率在 0.10%～0.30%时） 抗碱—骨料反应性 采用非活性骨料 三氧化硫总含量 ≤0.04B（B为胶凝材料用量）
2.确定试配强度（fcu，0）
2.1根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）和《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）的要求，其中JGJ55-2011自2011年12月1日起实施增加并突出了混凝土耐久性的规定，混凝土试配强度采用下式确定：
fcu，0≥fcu，k+1.645σ
=30+1.645×5.0
=38.2（MPa）
式中：fcu，0——混凝土配制强度（MPa）；
fcu，k——混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）；
σ ——混凝土强度标准差（MPa），取5.0。
2.2混凝土配制强度对生产施工的混凝土强度应具有充分的保证率，对于强度等级小于C60的混凝土，实践证明传统的计算公式是合理的。混凝土强度标准差σ的取值与目前实际控制水平比较是偏于安全的，也与国际上提高安全性的总体趋势是一致的。
3.确定1m3混凝土各项材料的单位用量
3.1执行JGJ55-2011标准后新调整的回归系数与老规范的规定不一样，此次调整也是为了使混凝土水胶比计算公式更符合实际情况以及普遍掺加粉煤灰和粒化高炉矿渣等矿物掺和料的技术发展情况下进行的调整。根据《铁路混凝土工程施工技术指南》（铁建设[2010]241号）表6.5.2-2的要求，设计使用年限100年最大胶凝材料用量为400kg/m3。按《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）确定水胶比W/B=（αa×fb）/（fcu，0+αa×αb×fb）=（0.53×39.4）/（38.2+0.53×0.20×39.4）=0.49，式中αa、αb回归系数（碎石采用0.53、0.20）。fb=γf×fce=0.80×42.5×1.16=39.4：本项目采用淄博双凤山水普通硅酸盐水泥等级为42.5，水泥富余系数取1.16，粉煤灰影响系数取0.80。经前期试验，水胶比取0.434，取较小的水胶比可以提高混凝土的密实性从而使其有较好的强度和抗渗抗冻性能，耐久性也相应提高。
3.2确定单位用水量
采用聚羧酸系高效减水剂可以大幅度提高混凝土的早期、后期强度，具有掺量低，减水率高，收缩小，氯离子含量低、碱含量低的特点，有利于提高混凝土的耐久性，可用更多的矿渣或粉煤灰取代水泥，从而降低成本。根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）表5.2.1-2和试验确定不掺减水剂时用水量225 kg/m3，掺外加剂用水量经试验确定为165 kg/m3（外加剂采用山东华伟的NOF-AS标准型聚羧酸系高性能减水剂）。
3.3确定胶凝材料用量
胶凝材料如果用量太少，水胶比大则浆体太稀，黏度不足，混凝土容易离析，水胶比小则浆体不足，混凝土中骨料量相对过多，两种情况都对混凝土强度和耐久性不利。根据《铁路混凝土工程施工技术指南 》铁建设[2010]241号规定，C30混凝土胶凝材料最大用量宜为400 kg/m3。为提高混凝土的耐久性，改善混凝土的施工性能，在混凝土中掺入适宜的粉煤灰、矿渣粉或硅灰等矿物掺合料，粉煤灰掺量取26.3%。本项目粉煤灰为中国华电章丘发电责任有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰，掺加粉煤灰后不仅节约了成本还可以显著提高混凝土的耐久性，适合本重载铁路的实际要求。
mb0=mw0/（W/B）=165/0.434=380kg/m3；
mc0=380×（1-26.3%）=280 kg/m3；
mf0=380×26.3%=100kg/m3。
3.4确定砂率
砂率对混凝土拌合物性能影响较大，可调整范围略宽，也关系到材料成本。在选择砂率时可以根据规范初步选取，在试配过程中调整以确定合理砂率。根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）表5.4.2和试验调整，砂率取44%。
3.5确定粗骨料和细骨料用量
采用质量法计算混凝土配合比，粗细骨料按下式计算：
mf0+mc0+mg0+ms0+mw0=mcp
βs=ms0/（mg0+ms0）×100%
mg0—计算配合比每立方米混凝土的粗骨料用量（kg/m3）
ms0—计算配合比每立方米混凝土的细骨料用量（kg/m3）
mcp—每立方米混凝土拌合物的假定质量（kg），可取2350 kg/m3～2450 kg/m3。
假定混凝土拌合物的为2370 kg/m3
280 kg/m3+100 kg/m3+ mg0+ms0+165=2370 kg/m3
ms0/（mg0+ms0）=44%
得：ms0=803kg/m3，mg0=1022 kg/m3（5-16mm：16-31.5mm=715：307）
3.6每立方米混凝土外加剂用量：
外加剂掺量是胶凝总量的1%，故外加剂用量ma0=3.80
3.7根据上述计算，确定试配用理论配合比为：
C：F：S：G：W：WJJ= 280：100：803：1022：165：3.8
3.8混凝土浆体体积：（280+100+165）/2350=0.23≤0.32
4.试配及调整
根据上述试配理论配合比进行配比优化和组合，另外两个配合比的水胶比分别增加和减少0.05，砂率分别增加或减少1%。确定两个相近的配合比。
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C30-2配合比C：F：S：G：W：WJJ =251：90：839：1025：165：3.41
C30-3配合比C：F：S：G：W：WJJ =317：113：763：1012：165：4.30
根据上述情况，确定C30混凝土初步配合比见表2
表2 C30混凝土配合比（kg/m3）
编号 水胶比 砂率 水泥 粉煤灰 细骨料 粗骨料 外加剂 水 C30-1 0.434 44% 280 100 803 1022 3.80 165 C30-2 0.484 45% 251 90 839 1025 3.41 165 C30-3 0.384 43% 317 113 763 1012 4.30 165
5.高性能混凝土试配及拌合物性能
对表1各配合比进行混凝土拌合物性能试验，经过试验，相应混凝土配合比的拌合物性能结果见表3
表3 C30混凝土拌合物性能试验结果
编号 坍落度 （mm） 含气量（%） 扩展度 （mm） 1h后坍落度（mm） 1h后含气量（%） 1h后扩展度（mm）（mm） 实测混凝土表观密度kg/m3） C30-1 195 3.6 485 185 3.2 440 2350 C30-2 190 3.9 480 175 3.5 430 2360 C30-3 180 3.7 465 170 3.1 430 2380
6.高性能混凝土力学性能及耐久性能
按上述配合比进行力学性能试验（3d、7d、28d、56d）、耐久性能（56d电通量）试验以及抗裂性，试验结果见表4
表4 C30混凝土力学性能及耐久性能试验结果
编号 抗压强度（MPa） 电通量（C） 抗裂性 3d 7d 28d 56d 28d 28d C30-1 20.2 23.0 41.0 47.2 801 未开裂 C30-2 16.4 19.6 36.8 43.6 847 未开裂 C30-3 24.0 28.3 45.7 50.1 1039 未开裂
7.混凝土理论配合比确定
根据上述试验结果，按照工作性能优良、强度和耐久性满足要求、经济合理的原则，选用编号C30-1配合比作为试验室理论配合比。采用工程实际使用原材料和搅拌方式搅拌的混凝土实测表观密度平均值为2350 kg/m3，计算表观密度为2370 kg/m3，（2370-2350）/2370=0.8%，因小于计算值表观密度的2%，所以该配合比不需要校正。
确定C30混凝土理论配合比见表5
表5 C30混凝土配合比（kg/m3）
强度等级 每立方材料用量 水泥 粉煤灰 细骨料 粗骨料 水 外加剂 C30 280 100 803 1022 165 3.80
8.混凝土中有害物质含量计算
8.1每方混凝土总碱量计算表：
原材料 水泥 （kg/m3） 粉煤灰 （kg/m3） 拌合水 （kg/m3） 外加剂 （kg/m3） 总碱量 （kg/m3） 碱含量 280×0.47%=1.316 100×0/6=0 165×16.08×10-6=0.0027 3.8×0.61%=0.023 1.342
8.2每方混凝土引入的氯离子总含量计算表：
原材料 水泥（kg/m3） 砂（kg/m3） 碎石（kg/m3） 粉煤灰（kg/m3） 拌合水（kg/m3） 外加剂（kg/m3） 氯离子总含量（kg/m3） 氯离子含量 280×0.009%=0.0252 803×0%=0 1022×0=0 100×0.007%=0.007 165×24.57×10-6=0.0041 3.8×0.21%=0.00798 0.044
8.3每方混凝土三氧化硫总含量计算表：
原材料 水泥 （kg/m3） 粉煤灰 （kg/m3） 拌合水（kg/m3） 外加剂 （kg/m3） 三氧化硫总量（kg/m3） 三氧化硫总量占胶凝材料总量（%） S03含量 280×2.23%=6.244 100×0.88%=0.88 165×77.69×10-6=0.013 3.8×0.61% =0.023 7.16 1.9
9.结语
采用该配合比的高性能混凝土已生产20多万方，经过多次自检、监理及第三方检测无论外观还是强度耐久性均满足设计及规范要求，根据检测数据分析此次重载铁路高性能混凝土配合比设计比较成功的，对今后重载铁路高性能混凝土的配合比设计具有指导意义。重载铁路高性能混凝土配合比设计的特点：即采用低水胶比，尽量降低混凝土单位用水量，选用高性能减水剂，掺入较多的掺合料，以减少水泥用量，减少混凝土内部孔隙率，减少体积收缩，提高混凝土耐久性。
参考文献：
[1]CECS207：2006.高性能混凝土应用技术规程.中国计划出版社.2006
[2]JGJ55-2011.普通混凝土配合比设计规程.中国铁道出版社.2011
[3]TB10424-2010.铁路混凝土工程施工质量验收标准.中国铁道出版社.2011
[4]铁建设[2010]241号.铁路混凝土工程施工技术指南.中国铁道出版社.2010
论文作者:栾成
论文发表刊物:《基层建设》2015年11期
论文发表时间:2016/11/2
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