鐵路高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)探討

摘要：采用全計(jì)算法對(duì)鐵路高性能混凝土進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì), 并在此基礎(chǔ)上研究了粉煤灰摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能及耐久性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，全計(jì)算法是一種更科學(xué)、更合理、更準(zhǔn)確的配合比設(shè)計(jì)方法, 為提高混凝土的耐久性，應(yīng)該在保證混凝土早期強(qiáng)度的前提下盡可能多摻加礦物摻合料。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)耐久性能

中圖分類號(hào)：T U 5 2 8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：1672-3791(2007)05(b)-0092-01

　　高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土,是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的。它的高性能主要體現(xiàn)在良好的耐久性上,是以耐久性為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)的。使用優(yōu)質(zhì)的原材料如水泥和集料,再摻加足夠數(shù)量的礦物活性細(xì)摻料和高性能外加劑, 從而獲得混凝土的高性能。在鐵路工程上使用高性能混凝土,能夠大幅度減少后期維護(hù)費(fèi)用,符合當(dāng)前世界可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針。

1 全計(jì)算法設(shè)計(jì)原理

　　全計(jì)算法配合比設(shè)計(jì)的思路是首先建立普遍適用的混凝土體積模型，經(jīng)科學(xué)推導(dǎo)得出H P C 的單方用水量和砂率的計(jì)算公式，再結(jié)合傳統(tǒng)的水灰(膠)比定則，即可全面定量地確定混凝土中各原材料的用量。建立普遍適用的混凝土體積模型是基于以下觀點(diǎn)：

　　(1)混凝土各組成材料(包括固、液、氣三相) 具有體積加和性；

　　(2)石子的空隙有干砂漿來(lái)填充；

　　(3)干砂漿的空隙有水來(lái)填充；

　　(4)干砂漿由水泥、細(xì)摻料、砂和空氣隙所組成。

　　模型的建立如圖1 所示。

V=1000L

　　注：Ve 為水泥漿體積，Ves 為干砂漿體積，Vw 為用水量，Vc 、Vf、Va 和Vs 分別為水泥、摻合料、空氣、砂子和石子的體積用量。

　　由上圖可知:漿體體積:Ve=Vw+Vc+Vf+Va；集料體積:Vs+Vg=1000-Ve；干砂漿體積:Ves=Vc+Vf+Va+Vs。

　　若砂子和石子的表觀密度分別為ρ s，ρg，則可得到砂率的計(jì)算公式：Sp=( (Ves-Ve+Vw)ρ s/[( Ves-Ve+Vw)ρ s+(1000-Ves-Vw)ρ g × 100%其中, V e 的確定是根據(jù)美國(guó)M e h t a 和

　　Aitcin 教授的觀點(diǎn),要使HPC 同時(shí)達(dá)到最佳的施工和易性和強(qiáng)度性能,其水泥漿與骨料體積比應(yīng)為35:65,對(duì)HPC,可取Ve=350L。

　　Ves的確定可根據(jù)圖1模型,石子的空隙由干砂漿來(lái)填充，則:

Ves=1000P=1000(1- ρ,c/ ρ c).

　　其中,ρ,c 和ρ c 分別為石子的堆積密度和表觀密度。

　　根據(jù)以上推導(dǎo)公式,再結(jié)合強(qiáng)度- 水灰比規(guī)則,即可全面定量地計(jì)算出混凝土中各原材料用量。

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 設(shè)計(jì)要求

　　C50 預(yù)制混凝土箱梁配合比,坍落度要求150mm-180mm，56d 電通量小于1000C。

2.2 原材料

　　水泥：某集團(tuán)生產(chǎn)的P ·O42.5 普通硅酸鹽水泥,水泥28d 抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值fce= 45.4MPa,密度為3000kg/m3細(xì)骨料:某縣河砂,其細(xì)度模數(shù)Mx=2.9;堆積密度為1540kg/m3,表觀密度為2620kg/m 3 。

　　粗骨料:湖南衡山縣砂泉產(chǎn)花崗巖碎石,由5mm — 0mm 和10mm — 0mm 按3B7 組成5mm— 0mm 連續(xù)級(jí)配,堆積密度為1520kg/m3,表觀密度為2640kg/m3,壓碎指標(biāo)為8.4%,針片狀含量為3.7%,含泥量為0.2%。

　　粉煤灰：某電力粉煤灰有限公司生產(chǎn)的級(jí)灰,粉煤灰細(xì)度為0.045mm 篩余為 2.1%,密度為2400kg/m3。

　　外加劑:采用某新材料有限公司生產(chǎn)的高效減水劑。摻量0.8%。

　　水：飲用水。

2.3 設(shè)計(jì)步驟

　　(1)試配強(qiáng)度的確定。

fcu,p=fcu,k+1.645 σ =50+1.645 ×6=59.9MPa。

　　(2)水膠比(W/C1)

　　根據(jù)水灰(膠)比定則，fcu,p=A·fce(C1/W-B)，對(duì)于碎石A=0.48,B=0.52,則有:59.9=0.48 × 45.4(C1/W -0.52), C1/W =3.27，即W/ C1=0.306。

　　(3)用水量。

Vw=（Ve-Vf）/{1+[(1-x)ρ c+x ρ f(fcu,p/Afce+B)]}.

　　其中,ρ c、ρ f 分別為粉煤灰密度，x 為粉煤灰在膠凝材料中的體積摻量,按照Mehta和Aitcin 教授的觀點(diǎn),在HPC 中水泥與摻合料的體積比為75:25,本次試驗(yàn)也取x=0.25,取Va=32L(即含氣量為3.2%),根據(jù)上述公式可算得Vw= =148 kg/ m3。

　?。?）膠凝材料用量。

　　C 1= C 1/ W ·W = 3 . 2 7 × 1 4 8 = 4 8 4 k g /m3,粉煤灰的體積摻量為25%,則其在膠凝材料中的質(zhì)量百分比為21%,粉煤灰用量F=484× 2 1 % = 1 0 2 k g / m 3 , 水泥用量C = 4 8 4 -102=382kg/m 3。

　　（5）砂率及集料用量。

Ves=1000P=1000(1- ρ1g/ ρ g) × 100%=1000 ×(1-1520/2640) × 100%=424L,

Sp(%)=(Ves-Ve+Vw) ρ s / [ ( V e s -Ve+Vw)ρ s +(1000-Ves-Vw)ρ g]× 100%=34%,

S=(Ves-Ve+Vw)ρ s=582kg/m3,

G=(1000-Ves-Vw)ρ g=1129kg/m3。

3 結(jié)果分析

3.1 計(jì)算法配合比設(shè)計(jì)

　　通過(guò)本次試驗(yàn)可知,采用全計(jì)算法配制的高性能混凝土除砂率偏低外,材料用量相對(duì)準(zhǔn)確, 施工性能良好, 結(jié)構(gòu)均勻性好, 致密程度高, 混凝土的強(qiáng)度和耐久性都有足夠的保證。之所以會(huì)出現(xiàn)砂率偏低的情況,應(yīng)該是因?yàn)榧俣ǖ乃酀{體體積與骨料體積的定量關(guān)系與實(shí)際的情況有偏差,希望在實(shí)際的應(yīng)用中加以注意。與普通的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法相比,全計(jì)算法是一種更科學(xué)、更合理、更準(zhǔn)確的配合比設(shè)計(jì)方法。

3.2 粉煤灰摻量的影響

　　隨粉煤灰摻量的增加,混凝土早期的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),但隨齡期的增長(zhǎng),其強(qiáng)度卻增長(zhǎng)很快,這是因?yàn)榛炷猎缙诘牧W(xué)性能的增長(zhǎng)主要是靠水泥的水化作用,而粉煤灰的火山灰效應(yīng)主要是在28d 齡期以后才開(kāi)始。

　　隨粉煤灰的增加，電通量呈下降趨勢(shì)，這說(shuō)明，粉煤灰的摻入除了火山灰效應(yīng)促進(jìn)水泥的進(jìn)一步水化，其未水化的顆粒還能夠填充結(jié)構(gòu)中的空隙,雙重作用優(yōu)化了混凝土的孔結(jié)構(gòu),同時(shí)也提高了其后期強(qiáng)度, 提高了其耐久性。因此，在不影響早期強(qiáng)度的前提下應(yīng)盡可能地多摻加礦物摻合料。

4 結(jié)語(yǔ)

　　全計(jì)算法是一種科學(xué)準(zhǔn)確的配合比設(shè)計(jì)方法,采用這種方法配制的高性能混凝土除砂率偏低外,材料用量相對(duì)準(zhǔn)確,施工性能混凝土良好,結(jié)構(gòu)均勻性好,致密程度高,混凝土的強(qiáng)度和耐久性都有足夠的保證。比普通混凝土更適合高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)。

　　粉煤灰的摻入能夠提高混凝土的耐久性能和后期強(qiáng)度,在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)該在不影響早期強(qiáng)度的前提下盡可能地多摻加細(xì)摻料,以提高工程結(jié)構(gòu)的耐久性。