萬(wàn)惠文，董群喜，王 銀，戴 鵬

（武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

嚴(yán)寒地區(qū)C50混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量控制的研究

萬(wàn)惠文，董群喜，王 銀，戴 鵬

（武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

結(jié)合內(nèi)蒙古二連浩特疏港互通立交橋?qū)嶋H工程，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，利用當(dāng)?shù)卦牧?，在?shí)驗(yàn)室采用正交實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行大量試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用P·O52.5R水泥及當(dāng)?shù)卮旨?xì)集料所配制C50混凝土的28d抗壓強(qiáng)度可達(dá)63.9MPa，且新拌混凝土性能滿足施工要求，硬化混凝土抗凍性達(dá)到F250以上。此外，文章還討論了嚴(yán)寒地區(qū)高強(qiáng)混凝土的施工質(zhì)量控制措施。

配合比設(shè)計(jì)； 正交試驗(yàn)； 質(zhì)量控制

我國(guó)幅員遼闊，地理環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，在嚴(yán)寒地區(qū)工程建設(shè)中對(duì)混凝土的性能要求較高。混凝土的抗凍耐久性設(shè)計(jì)是嚴(yán)寒地區(qū)混凝土配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。近些年人們從混凝土的破壞機(jī)理和提高其耐久性對(duì)高強(qiáng)度、高抗凍混凝土的性能及其配制過(guò)程的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了研究和探討，提供了許多寶貴資料。但混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的科學(xué)基礎(chǔ)、理論背景和設(shè)計(jì)方法仍將是今后研制高強(qiáng)度高耐久性混凝土的支持與依靠［1］。

內(nèi)蒙古屬于我國(guó)北部嚴(yán)寒和風(fēng)沙較大的地區(qū)，研究高強(qiáng)混凝土的性能和工程應(yīng)用對(duì)該地區(qū)交通基礎(chǔ)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要的意義。結(jié)合內(nèi)蒙古二連浩特疏港互通立交工程及環(huán)境特點(diǎn)，開(kāi)展了C50箱梁混凝土配合比設(shè)計(jì)和影響混凝土性能的施工因素的試驗(yàn)研究，并成功配制適用于該工程的箱梁混凝土，對(duì)類(lèi)似嚴(yán)寒地區(qū)混凝土工程建設(shè)具有參考意義。

1 工程背景及混凝土性能要求

二連浩特南互通立交橋位于二連浩特疏港公路與二廣公路相交處，為該地區(qū)在建的第一座橋梁工程。立交橋預(yù)制主梁、端橫梁、中橫梁、橋面現(xiàn)澆層等上部結(jié)構(gòu)均采用C50混凝土。由于該地區(qū)資源缺乏，荒漠化嚴(yán)重，氣候環(huán)境惡劣，春秋季節(jié)風(fēng)沙較大，夏季短暫炎熱，冬季漫長(zhǎng)寒冷，最低氣溫可達(dá)－46.2℃，年平均氣溫3.4℃左右，每年正常施工時(shí)間為5～9月份，因此對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)和高抗凍耐久性要求較高。結(jié)合工程施工技術(shù)與具體規(guī)范要求，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和原材料資源狀況，C50箱梁混凝土設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 混凝土性能要求

其中混凝土試配強(qiáng)度的計(jì)算公式為

式中：fcu，o為混凝土的試配強(qiáng)度，MPa；fcu，k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，取6MPa。

2 原材料選擇及技術(shù)指標(biāo)要求

2.1 水泥

水泥是混凝土的重要膠凝組成材料，它直接影響混凝土的強(qiáng)度、溫度徐變和干縮等性能。本地區(qū)內(nèi)可供選用的水泥有唐山市冀東水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O52.5R水泥和內(nèi)蒙古冀東水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O52.5水泥。在實(shí)驗(yàn)室分別采用以上兩種水泥進(jìn)行混凝土試配，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用P·O52.5水泥配制的混凝土早期強(qiáng)度偏低，而且28d抗壓強(qiáng)度一直在56～58MPa范圍內(nèi)，無(wú)法滿足當(dāng)?shù)厥┕ひ?。另外，由于?dāng)?shù)貨](méi)有礦物摻合料，在混凝土組成材料中沒(méi)有摻粉煤灰、礦渣粉、硅灰等材料，因此混凝土后期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢甚至沒(méi)有增長(zhǎng)。經(jīng)反復(fù)試配，決定采用唐山市冀東水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O52.5R水泥。該水泥的物理性能技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 P·O52.5R水泥物理性能技術(shù)指標(biāo)

2.2 粗集料

由于混凝土的試配強(qiáng)度較高，粗集料應(yīng)選取質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、級(jí)配較好的碎石。碎石級(jí)配對(duì)混凝土的和易性和強(qiáng)度有很大影響［2］，箱梁端部鋼筋分布較密，碎石粒徑較大不利于混凝土澆筑與振搗，該箱梁混凝土采用公稱(chēng)最大粒徑不超過(guò)20mm的二級(jí)配碎石，其中4.75～9.5mm 占40%，9.5～19mm占60%。試驗(yàn)選用二連浩特市趙永明碎石場(chǎng)碎石，其主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 碎石技術(shù)指標(biāo)

2.3 細(xì)集料

細(xì)集料優(yōu)先選用級(jí)配良好的河砂或江砂，河砂和江砂相對(duì)比較干凈，含泥量小，且砂中石英顆粒含量較多，質(zhì)地較為堅(jiān)硬。試驗(yàn)采用細(xì)度模數(shù)為2.80的二連浩特市查干沙場(chǎng)生產(chǎn)的河砂，經(jīng)檢測(cè)，該河砂的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，其篩分級(jí)配圖如圖1所示。

2.4 外加劑

外加劑采用鄭州冠達(dá)建筑材料有限公司生產(chǎn)的GD－聚羧酸引氣減水劑，液態(tài)，固含量27.0%，減水率28.0%，含氣量達(dá)2.8%，對(duì)膠凝材料摻量為1.4%，其它技術(shù)指標(biāo)符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》規(guī)范要求。

2.5 水

試驗(yàn)中所用水為二連浩特市當(dāng)?shù)仫嬘盟?/p>

3 混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)

在混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)中采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。由于正交表設(shè)計(jì)的試驗(yàn)具有很強(qiáng)的代表性，各試驗(yàn)方案對(duì)比明顯，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠快速的選取有代表性的試驗(yàn)方案［3］。通過(guò)分析，本試驗(yàn)方案中選取三因素三水平進(jìn)行正交表設(shè)計(jì)。其因素水平表如表4示。

該試驗(yàn)是一個(gè)三水平試驗(yàn)，選用正交表L9（33）較合適。將各因素水平按正交表組合后的試驗(yàn)方案如表5所示。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表

表5 正交試驗(yàn)方案表

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及其分析

混凝土試拌時(shí)采用60L強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行拌合，攪拌時(shí)間共為3min。按規(guī)范要求對(duì)新拌混凝土進(jìn)行坍落度和含氣量測(cè)定，其中含氣量使用直讀式含氣量測(cè)定儀測(cè)定。然后將混凝土裝模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，測(cè)定其7d、28d的抗壓強(qiáng)度。上述正交試驗(yàn)組合的新拌混凝土的測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從表中可以看出，7＃、9＃配合比試驗(yàn)中混凝土測(cè)試結(jié)果較為接近理想狀況，對(duì)兩組配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，把兩組配合比的水灰比、砂率進(jìn)行微調(diào)，然后對(duì)調(diào)整后的混凝土配合比進(jìn)行試拌、性能測(cè)試，最終得到各項(xiàng)性能均滿足規(guī)范和施工要求的C50混凝土的配合比如表7所示，新拌和硬化混凝土的性能檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖8所示。

表7 施工混凝土配合比

表8 新拌及硬化混凝土性能

4 混凝土施工質(zhì)量控制

混凝土的質(zhì)量與施工工藝和技術(shù)有很大關(guān)系，僅有好的配合比設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在施工過(guò)程中需加強(qiáng)混凝土原材料質(zhì)量及施工工藝和技術(shù)控制。結(jié)合橋梁實(shí)際工程，混凝土施工中注意以下幾點(diǎn)：

1）混凝土所用原材料的質(zhì)量要經(jīng)嚴(yán)格檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)需符合規(guī)范要求。

2）混凝土拌合樓需經(jīng)過(guò)計(jì)量檢定，降低原材料的稱(chēng)量誤差。

3）在箱梁混凝土澆筑期間，該地區(qū)白天氣溫較高、風(fēng)沙較大，新拌混凝土坍落度損失較大，不利于澆筑和振搗，因此混凝土的澆筑時(shí)間選擇在晚間進(jìn)行，降低其入模溫度。

4）箱梁澆筑時(shí)采用逐步推進(jìn)法依次灌注底板、腹板、翼緣板、頂板，用插入式振搗棒進(jìn)行搗固［4］，為使底板混凝土密實(shí)人工進(jìn)入箱室內(nèi)進(jìn)行振搗、抹面。

5）混凝土在澆筑中，確保混凝土無(wú)離析現(xiàn)象發(fā)生，振搗到位，避免出現(xiàn)過(guò)振和漏振現(xiàn)象。

6）梁體混凝土澆筑完以后對(duì)頂板混凝土表面進(jìn)行二次趕光、抹面，當(dāng)混凝土快達(dá)到終凝時(shí)，表面先覆蓋一層濕麻袋，然后用特制棉被對(duì)箱梁進(jìn)行完全覆蓋養(yǎng)生，同時(shí)注意定時(shí)灑水，使棉被內(nèi)外處于潤(rùn)濕狀態(tài)。

7）箱梁拆模以后，腹板表面粘貼一層塑料薄膜，防止腹板混凝土水分蒸發(fā)而出現(xiàn)干縮裂紋，白天溫度較高時(shí)使用空壓機(jī)向箱室內(nèi)鼓風(fēng)以及在箱室內(nèi)蓄水，降低混凝土的溫度應(yīng)力避免溫度集中［5］。

5 結(jié) 論

a.配制嚴(yán)寒地區(qū)C50混凝土，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況和施工性能要求，選用P·O52.5R水泥，質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、級(jí)配較好的集料和具有引氣效果的聚羧酸高效減水劑。

b.混凝土施工配合比中，水泥用量493kg／m3，水灰比0.32，砂率0.35，減水劑摻量1.4%，該配合比能夠滿足新拌混凝土施工性能及硬化混凝土力學(xué)性能。

c.根據(jù)實(shí)際施工環(huán)境，混凝土澆筑完成后應(yīng)采取必要養(yǎng)護(hù)措施，加強(qiáng)防風(fēng)、保濕等系列控制措施。

［1］杜天玲，孟云芳，王治虎.提高混凝土抗凍耐久性技術(shù)的研究綜述［J］.寧夏農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，23（2）：80－83.

［2］徐 琦.水泥混凝土中集料級(jí)配的試驗(yàn)研究［J］.公路工程與運(yùn)輸，2005，12：120－122.

［3］吳 翊，李永樂(lè)，胡慶軍.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2005.

［4］吳 銜.高寒干旱地區(qū)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁翼板裂縫病害分析與防治［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（24）：60844－6087.

［5］Young Hoon Parka，Cheolwoo Parkb，Yong Gul Parke.The Behavior of an In－service Plategirder Bridge Strengthened with External Prestressing Tendons［J］.International Journal of Engineering Structures，2005，10（6）：379－386.

Study on the Mixture Ratio Design and Quality Control of C50 Concrete in Cold Region

WAN Hui－wen，DONG Qun－xi，WANG Yin，DAI Peng
（State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecturres，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

A large number of tests have done in the laboratory，combining with the Erenhot port interchange overpass project in Mongolia，according to the local climate characteristic and using local raw materials.The results show that，with P·O52.5Rcement and local aggregates the C50concrete’s compressive strength of 28dcan reach 63.9 MPa.The fresh concrete performance can meet the construction requirements and hardened concrete frost resistance reach more than F250.In addition，the paper also discusses the quality control measures of high－strength concrete in cold regions.

mixture ratio design； orthogonal test； qualitycontrol

10.3963／j.issn.1674－6066.2014.02.004

2013－12－26.

萬(wàn)惠文（1963－），博士，教授.E－mail：wanhw＠whut.edu.cn