郑西铁路客运专线耐久性混凝土配合比设计

摘要：本文讨论了HPC配合比设计全计算法在郑西铁路中的应用及应注意的问题

关键字：客运专线 HPC配合比设计全计算法

1概况

我集团公司承建的郑西铁路客运专线华县北至新临潼段位于陕西省渭南市、西安市境内。该项目混凝土按耐久性混凝土设计，设计寿命不低于100年。传统混凝土配合比设计理论已不能满足要求，而要采用高性能混凝土（HPC）配合比设计理论，并综合考虑混凝土的工作性、强度和耐久性等问题，以满足施工及质量的要求。

2HPC配合比设计要点

我标段HPC配合比设计的理论基础为王栋民、陈建奎教授所研究发展的HPC配合比设计全计算法。

2.1 HPC配合比设计的基本原则

•满足工作性的情况下，用水量要小

•满足强度的情况下，水泥用量少，细掺量多

•材料组成及其用量合理，满足耐久性及特殊性能要求

•掺加新型高效减水剂，改善与提高混凝土的多种性能

2.2全计算法配合比设计的技术基础

•混凝土各组成材料（包括固、液、气三相）具有体积加和性；

•石子的空隙由干砂浆来填充；

•干砂浆的空隙由水来填充；

•干砂浆由水泥、细掺料、砂和空气所组成。

该模型假定混凝土总体积为 1m 3 (1000L)， 由水、水泥、细掺料、空气、砂、石部分组成，对应的体积分别为 V w ，V c ，V f ，V a ，V s ，V g ，浆体体积（Ve）=V w+V c+V f+V a，Vs+Vg（骨料体积）=1000- Ve；干砂浆体积（Ves）= V c+V f+V a+ Vs。在 HPC配合比计算时，式中Ve和Ves应根据原材料及现场施工具体确定，理论值可作为参考。

3C50HPC配合比设计实例

以C50HPC配合比设计为例， 来说明全计算法混凝土配合比设计步骤：

我们假定 V e= 350； V es= 460，混凝土设计含气量4%。

原材料水泥采用冀东P.O42.5R低碱水泥，细集料采用渭河Ⅱ区中砂，细度模数2.8；粗集料为蒲城尧山二级级配碎石，最大粒径25mm；外加剂为江苏苏博特聚羧酸高效减水剂，试验减水率26%,掺量（1.0%×胶体材料用量）；各原材料经检验符合《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》要求。

3.1配制强度

---------1

=50+1.645×6=60MPa

fcu. p----------混凝土试配强度（MPa）；

fcu. o----------混凝土设计强度（MPa）；

σ----------混凝土的强度标准差（MPa）；

3.2水胶比

---------2

=1/((60/0.48×42.5×1.09)+0.52)=0.31

A、B--------回归系数；

回归系数A、B资料显示以下取值都有人使用计算过，而且更倾向于后者，实际上水胶比很大程度上主要仍要以经验试验确定，因此读者可以根据具体情况及经验计算选取合理的水胶比。

表1 回归系数选用表

3.3用水量

-----------3

=(350-40)/(1+0.335/0.31)=149 Kg/m3

其中0.335为体积掺量修正系数，与细掺料的体积掺量有关。计算表明体积掺量的变化对掺量系数影响不大，见下表。在一般计算中采用0.335就可以，当细掺料的密度与设计值相差较大时，可用下表系数进行精确用水量计算。

表2 细掺料的体积掺量对系数的影响

3.4胶凝材料用量

mB=mC+mF+mK=W/（W/B）=149/0.31=481 Kg

取mF=mK=100 Kg则mC=281 Kg

W/B---------水胶比；

mB、mC、mF、mK分别为每立方米胶凝材料、水泥、粉煤灰、矿粉用量（Kg）；

3.5砂率及集料用量

---------4

=(460-350+149)/(1000-350)=40

容重取2380 Kg/m3可得ms=700 Kg/m3 mg=1051 Kg/m3

Sp--------混凝土砂率；

ms 、mg---------砂、碎石每方用量（Kg）；

3.6配合比计算结果汇总

表3 C50HPC的配合比计算结果

3.7混凝土拌和物性能

根据以上计算的配合比设计值，试拌的混凝土拌合物性能如下表所示。

表4 新拌混凝土拌和物性能

3.8混凝土耐久性指标检测结果

表5 混凝土各项检测结果

4总结及体会

4.1关于Ve及Ves

通过我标段实际HPC配合比的试配和调整工作，发现低标号或低坍落度混凝土在Ve小于350L时，也具有很好的工作性和和易性，具体数据范围见下表：

表6 郑西客专HPC配合比参数表-1

注：C30混凝土分为墩身和灌注桩两种，这两个配合比无论从坍落度、容重，还是含气量方面都有较大的差别，因此数据离散较大。F---粉煤灰；K---矿粉

可以看出对于高强度的HPC由于胶凝材料用量大，浆体体积Ve基本在350L左右，而对于C50以下标号HPC，浆体体积Ve基本处于300～330L之间。

另外，根据配合比全计算法理论，可由碎石最大粒径，通过表观密度和堆积密度得出空隙率，进而计算出Ves，

表7石子最大粒径与Ves的关系

但以上计算中未考虑混凝土含气量大于其自然状态下含气量（约1%）的情况，例如加入引气成份。因此笔者建议Ves的取值应考虑到这部分额外含气所增加的部分，可参考以下公式：

Ves=（Q-1%）×1000+ Ves取用值-------5

Q----混凝土设计含气量（%）

这是混凝土配合比全计算法在实际应用中应注意的一个问题。这也是在上例子中我们假定Ves=460的原因。

4.2关于细掺料掺量问题

根据配合比全计算法理论，水泥和细掺料的体积比Vc：Vf=3：1，换算为细掺料质量掺量为21%时，满足Ve =V w+V c+V f+V a，但试验研究证明：混凝土中粉煤灰掺量超过25%时，对混凝土的性能才会有明显的改善；而另一主要矿物掺和料――磨细矿渣通常在混凝土中的最佳掺量为30%～50%。因此经过现场实际的拌和调整，最终确定细掺料合适的掺量范围见下表：

表8 郑西铁路客专HPC配合比参数表-2

在用配合比全计算法进行矿物细掺料的计算时，可结合水泥的性质、细掺料的性质权衡考虑，找到质量与成本的平衡点，再结合工程上的特殊要求，确定合适掺量。

4.3关于容重计算选取问题

在试验中发现，用配合比全计算法算出的混凝土容重普遍偏低，而且设计标号越低越明显，在上面所举例子中，砂石料通过计算所得如下：

ms = （Ves- V e+W）×ρs ---------6

=（460-350+149）×2.65=686Kg/m3

mg = （1000-Ves- W）×ρg---------7

=（1000-460-149）×2.70=1056 Kg/m3

ρs、ρg----------砂 、碎石密度（g/cm3）；

混凝土容重=2371 Kg/m3

此外随着引气成分的加入，混凝土含气量增加，密度会随之减小，根据密度与混凝土耐久性的关系，笔者认为根据混凝土设计含气量适当提高混凝土的容重是合适的。

在计算砂石料时我们仍可以沿用JGJ55-200《普通混凝土配合比设计规范》中的方法，先假定容重，根据砂率计算出砂石用量，效果较好。此外因为这种方法经验成熟，也是我们采用的原因之一。

5 结束语

由上论述可得出结论：全计算法建立了普遍适用的混凝土体积模型，以此推导出用水量公式和砂率计算公式，这是全计算配合比设计的基础，它使得HPC配合比设计从半定量走向定量、从经验走向科学，是混凝土配合比设计上的一大进步。

由于工程实际中原材料复杂多变，施工环境千差万别，工程要求不尽相同，所以混凝土耐久性是一个非常复杂的问题，涉及到很多其他的方面，还需要不断地探索研究。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看