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1、铁路高性能混凝土配合比设计的体会高性能混凝土不仅要求混凝土的拌和物具有大流动性的施工性能，而且要求 混凝土具有良好的力学性能和耐久性。铁路高性能混凝土配合比设计和水工混凝 土相比，有其自己的特点，现对铁路高性能混凝土配合比的设计谈一下个人的理 解，仅供参考。铁路混凝土配合比设计主要依据为建筑物的设计使用年限、环境类别及其 作用等级和混凝土耐久性指标。铁路高性能混凝土耐久性指标主要为护筋性、抗 裂性、耐磨性、抗碱-骨料反应、抗冻性、耐蚀性、抗渗性等性能。而水工上的 大坝混凝土则主要控制指标为混凝土极限抗拉强度、弹模、抗冻、抗渗、热学性 能及变形性能指标。由于设计理念和对高性能混凝土考察的指标不一
2、样，在混凝 土配合比设计方法上，铁路高性能混凝土施工配合比的设计也有其不同之处。以 下主要针对不同点，对高铁混凝土施工配合比的设计过程加以阐述。1、设计要求不一样铁路高性能混凝土配合比的设计要求主要表现在以下方面：11混凝土结构的设计使用年限（一般为100年、60年、30年）。1.2混凝土结构所处环境类别及作用等级：碳化环境（T1T3）、氯盐环境（L1L3）、化学侵蚀环境（H1H4）、冻融破坏环境（D1D4）及磨蚀环境（M1M3）。1.3根据设计使用年限级别、混凝土结构所处环境类别及作用等级明确高性能混 凝土配合比设计耐久性指标（包括混凝土电通量、抗渗性、抗冻融、抗裂性、护 筋性、抗碱一骨料等
3、耐久性指标）。2、混凝土配合比用原材料的检验首先，在骨料选择方面。水工骨料料场的选择由设计单位在工程前期勘察 后确定，骨料母材的全性能指标检验已由设计单位完成，施工单位进场后可以根 据设计提供的资料选定石料加工场，不需要施工单位对石料场进行碱活性、氯离 子等试验。而铁路工程就完全不一样。一进场，就需要派专业人员对标段沿线的 石料场进行普查，对可能用的石料场（砂场）需监理见证取样，送到有资质并经 监理同意的检测机构进行骨料碱活性、氯离子等全性能指标检验，以判别该料场 是否能用。只有满足规范要求，才能作为混凝土配合比设计的材料使用。其次，混凝土配合比试验用原材料检验必须按铁建设2005【160】号
4、文件和 客运专线高性能混凝土暂行技术条件做全项目检验，在混凝土有害物质计算 时，要用其中的试验结果。原材料的选择：2.1水泥现在的水泥有以下四点特征：（1）早期强度高；（2）为保证水泥的高强与 早强，水泥熟料被磨得更细，且其中的C3A、C3S含量偏高，水化热大；（3）由 于上述两个原因，导致混凝土抗裂性能差，水泥的长期性能潜力变小、自愈合能 力遭到削弱（4）碱含量偏高，与外加剂的相容性问题突出。越来越多的研究和工程实践表明，水泥具有良好的颗粒级配并且保留一定比 例的粗颗粒水泥熟料是保证一般结构混凝土（某些特种混凝土除外）质量的重要 条件，因此高性能混凝土应用技术指南指出：“硅酸盐水泥和普通硅酸
5、盐水 泥的比表面积不宜大于350m2/kg。”除了水泥熟料粉磨过细以外，水泥生产中 混合材超掺、混合材成分不明的问题十分突出，这些因素都增加了混凝土质量控 制难度和技术风险。因此，高性能混凝土应用技术指南鼓励使用较粗的PI 或PII硅酸盐水泥，外掺优质矿物掺合料的胶凝材料配制高性能混凝土。2.2细骨料近年来，优质河砂资源逐渐枯竭，海砂、山砂、特细砂、再生骨料等地方资 源被逐渐开发利用，机制砂将逐渐成为未来的主流。其中，海砂与机制砂的应用 存在着一些不容忽视的问题。2.2.1海砂的应用在我国东部沿海地区，海砂应用既有成功的经验，也有惨痛的教训。误用或 偷用海砂建成的“海砂屋”，短短几年就会出现混
6、凝土开裂、钢筋锈蚀，甚至导 致房屋倒塌，触目惊心。1）开采方面一一规划有序海砂开采对海洋生态环境和地质环境存在影响。开采海砂，应由国家国土资源部 门详细勘探规划，有计划、有步骤地开采使用。盲目开采使用，后果十分严重。2）应用方面从严控制海砂的应用应遵循从严控制原则。海砂混凝土应用技术规范JGJ2062010 中，“海砂混凝土”被定义为采用海砂全部或部分代替细骨料的混凝土，体现了 从严控制的思想。海砂混凝土应用技术规范JGJ2062010中明确规定：用于配制混凝土的海 砂应作净化处理，且海砂不得用于预应力混凝土。其中净化处理技术即为淡水冲 洗。另外，还规定了配合比设计和生产过程中应检测海砂混凝土
7、拌合物的水溶性 氯离子含量。高性能混凝土应用技术指南中规定进一步规定海砂的水溶性氯 离子含量不得大于0.025%，比现行行业标准海砂混凝土应用技术规范 JGJ2062010 规定的 0.03%更严。2.2.2机制砂的应用机制砂应用中一个突出的问题是“石粉”问题。机制砂的“石粉”含量并非 越多越好，也并非越少越好。高性能混凝土应用技术指南规定：石粉含量不 大于10%，MB值不大于1.2；石粉含量较高时，可将部分石粉计入胶凝材料用量 设计配合比。2.3粗骨料高性能混凝土应用技术指南规定，对配制高性能混凝土的粗骨料各项指 标要求如下：（1）针片状颗粒含量不大于10%，有利于改善粗骨料粒型和级配， 增
8、进高性能混凝土性能；（2）坚固性指标不大于8%，有利于骨料的耐久性能， 进而保证高性能混凝土的耐久性能；（3）吸水率不大于2%，有利于控制混凝土 拌合物性能，也有利于硬化混凝土性能；（4）松散堆积空隙率不大于45%，有 利于粗骨料紧密堆积，对混凝土性能和节约胶凝材料和外加剂具有重要意义。2.4矿物掺合料传统掺合料如粉煤灰、矿渣粉日益紧俏，供需矛盾逐渐突出。因此，掺合料 种类范围逐渐扩大，磷渣、钢渣、炉渣、钢铁渣粉逐渐走上历史舞台。天然火山 灰、沸石、浮石、凝灰岩、石灰石粉、其他岩石粉等天然矿物材料以及超细矿渣 粉、超细粉煤灰、微珠等矿物掺合料逐渐向深加工方向发展。矿物掺合料的复合 化也逐渐成为
9、掺合料技术发展的一个必然趋势。2.4.1近年来粉煤灰应用中的突出问题1）“真假粉煤灰”按照现行的标准难以判定粉煤灰的纯度。表1为某地煅烧煤砰石粉按照现行粉煤灰标准的指标测试结果。由表可以看出， 该煅烧煤砰石粉完全符合粉煤灰鉴定的指标要求。因此，根据现有标准，难以判 断粉煤灰的纯度，甚至无法区分真假粉煤灰。2）“脱硫灰”采用循环流化床锅炉工艺可以高效燃烧高硫煤，为了减少SO2的排放，往往 需要采取脱硫措施，产生的粉煤灰即CFB脱硫粉煤灰。它含有大量的硫化物或硫 酸盐（如石膏等），不同于传统的粉煤灰。未经测试贸然用于混凝土，会造成严 重的混凝土开裂和崩解现象。现行的粉煤灰标准虽有SO3含量限制，但
10、对“脱硫 灰”的检验判定缺乏针对性。3）“脱硝灰”为了减少燃煤过程中NOx的排放，需要在燃煤过程中进行“脱硝”处理， 脱硝工艺不当可能会造成粉煤灰中残留一部分的NH4+，当粉煤灰与水泥搅拌时， 遇到碱性环境就会释放出NH3 （氨气），在混凝土塑性阶段产生大量气体。4）“浮黑灰”现代燃煤工艺中，为了提高燃煤效率或电厂的某些特殊操作要求，会在燃煤 过程中添加柴油或者其他油性物质作为助燃剂，这些助燃剂不能完全燃烧，会在 粉煤灰中存留油分。特别是粉煤灰经过分选后，收集的粉煤灰会含有更多的未燃 尽油分，用于拌制混凝土，这些油分上浮，在混凝土中容易漂浮的黑色油状物。 这种粉煤灰被称为“浮黑灰”，见图1。5
11、）矿物掺合料的深加工粉煤灰的深加工一种方法就是通过粉磨达到超细化。超细粉煤灰的粒度分布 主要集中在105左右，超细粉煤灰需水量比并不提高，而活性指数大大提高， 28d活性指数达到104%。获得超细粉煤灰的另一种途径就是通过“选”：将某些燃煤锅炉工艺产生的 很细的粉煤灰，通过物理手段进行分选，获得极细的那一部分，被称之为“微珠”。微珠的球状形态及微粒径尺度，使其具有良好的减水、填充增强作用。明显 改善混凝土或砂浆的流动度，并降低拌合物粘度，因此，在高强混凝土的超高层 泵送总，微珠往往是一个重要的可选择技术手段。除超细粉煤灰以外，超细矿渣粉也是一种常用的矿物掺合料。超细矿渣粉主 要特点是能够提供较
12、高的强度、特别是早期强度。2.4.2矿物掺合料的复合化优质矿物掺合料日益稀缺、低品质掺合料难以应用，复合掺合料性能优于单 一掺合料且价格便宜，矿物掺合料的复合化可以实现资源综合利用，解决掺合料 供给问题；可以取长补短，发挥几种掺合料的协同作用（矿物掺合料具有超叠加 效应）；可以解决预应力构件对早期张拉强度的要求，解决大流态及自密实混凝 土的技术需求。因此，复合化是掺合料技术发展的一个趋势。高性能混凝土应用技术指南中规定，复合掺合料是指采用两种或两种以 上的矿物原料，单独粉磨至规定的细度后再按一定的比例复合、或者两种及两种 以上的矿物原料按一定的比例混合后粉磨达到规定细度，并符合规定活性指数的
13、粉体材料。掺合料的复合并不是简单地两种或几种掺合料混合，还需要考虑以下 几点问题：1）考虑活性成分与惰性成分的搭配；2）考虑微颗粒的级配分布；3）考虑水化反应速度与产物（如凝胶类和结晶类）的匹配；4）考虑化学激发作用；5）考虑低品质与高品质资源的搭配利用。3、养护问题养护对高性能混凝土尤为重要，是含有较多矿物掺合料的胶凝材料水化反应 以及较低水胶比混凝土硬化发展的重要条件，只有及时、合理养护，才能保证浇 筑后高性能混凝土的性能。加强早期养护是减少收缩、控制高性能混凝土裂缝最 有效的技术措施之一。大掺量矿物掺合料混凝土相应需要延长养护时间，否则表 层混凝土碳化问题突出。3.1养护对混凝土收缩的影
14、响混凝土从浇筑后，其收缩可以分为两个阶段：第I阶段为快速发展阶段，这 一阶段从浇筑后到终凝点之后的约23小时内结束（一般情况下这一阶段大约为 浇筑后的前12小时）。绝大部分的收缩集中在这一阶段发生，急剧式发展，收 缩速率大。混凝土终凝后，收缩速率迅速下降，随即平稳发展阶段（第II阶段）。不同强度等级混凝土不同时间点的早期收缩率，将12h和72h收缩率作对比。可 以看出，从成型起12h内，混凝土的收缩量占据了前72h收缩量的绝大部分，是 产生早期收缩裂缝的最敏感时段。根据研究结果，混凝土早期收缩速率和收缩量与所处环境的蒸发速率成正相 关。水分散失对新拌混凝土收缩率的有极大的影响，保持持续的表面湿
15、润养护对 减小早期开裂的意义十分重大。3.2养护对混凝土抗渗性能的影响不同的养护条件对同一种C30混凝土渗透性能的影响。研究发现，早期养护 对硬化混凝土的抗渗性能影响极大。同一种混凝土，好的养护可以使得抗渗等级 达到NP25，相反，不好的养护（不养护），混凝土抗渗等级仅有P2。电通量指 标也有明显的差异。总的来说，混凝土特别是高强混凝土的养护应遵循“初凝以前保湿，终凝 以后补水”的原则。在气温高、湿度小、风速大的环境下，及时、正确的养护更 加重要。混凝土材料技术取得巨大进步集中体现在高性能混凝土的出现和发展， 由此带来设计、施工的变革。混凝土技术在发展中出现了很多新问题，需要加以 研究并解决，
16、更重要的是，我们必须以全新的眼光来认识和看待混凝土的新技术 高性能混凝土。如仍然采用对待传统混凝土的做法，必然带来很多质量问 题（如裂缝问题、早期碳化问题等）。甚至可以说，目前在工程建设中的某些问 题，是设计、施工不能适应新材料体系要求造成的。以新观点和新措施对待高性 能混凝土，不仅是推进混凝土技术本身进步的要求，也是推动设计、施工、验收 等工程建设体系变革和进步的要求。4、配合比初选4.1骨料级配、最佳砂率及单位用水量的确定4.1.1骨料级配确定：粗骨料从拌和楼成品料堆取样，按不同的石子比例混合，检测松散容重和紧密容重。确定骨料级配的原则：根据施工工艺及现场情况选择骨料级配最大粒径；选择空隙率较小容重最大的级配组合。（空隙率应小
