胡佐平，胡永梅

(1.湖州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖州　313000；2.湖州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，湖州　313001)

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高原凍土地區(qū)樁基混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

胡佐平1，胡永梅2

(1.湖州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖州313000；2.湖州市交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，湖州313001)

本文主要研究了水膠比、膠凝材料用量、礦物摻合料種類和摻量等配合比關(guān)鍵參數(shù)對(duì)C30樁基混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響規(guī)律。研究表明，低溫環(huán)境下樁基混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能均隨著水膠比的增加而顯著降低；樁基混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性能均隨著膠凝材料用量的降低而降低；低溫環(huán)境下“FA10-SF10”組混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性能均最佳；高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土配合比設(shè)計(jì)中建議水膠比不大于0.45，膠凝材料用量不低于380kg/m3,建議采用10%粉煤灰和5%硅灰復(fù)摻。

凍土地區(qū)； 樁基混凝土； 低溫環(huán)境； 配合比設(shè)計(jì)； 礦物摻合料

1　引　言

對(duì)處于高原凍土地區(qū)的樁基混凝土工程來說，低溫是混凝土工程不可避免面對(duì)的環(huán)境因素，在低溫凍土環(huán)境中樁基混凝土強(qiáng)度往往發(fā)展緩慢，同時(shí)，樁基混凝土水化熱對(duì)凍土熱穩(wěn)定性的產(chǎn)生不利影響[1-3]。國內(nèi)外研究表明，高原凍土區(qū)常見的樁基工程病害為融沉和凍脹[4,5]，因此，如何保證在較低溫度下混凝土強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求對(duì)于凍土地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的安全是非常重要的。

國內(nèi)外大量的研究表明[6-8]，高原凍土地區(qū)樁基混凝土配合比設(shè)計(jì)主要面臨三大關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決：一是如何在低溫環(huán)境下保證混凝土強(qiáng)度的增長，盡早達(dá)到混凝土抗凍的臨界強(qiáng)度；二是如何減少混凝土水化熱對(duì)凍土溫度場(chǎng)的擾動(dòng)，保證樁基周圍凍土盡早回凍，形成樁基承載力；三是混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能提高混凝土耐久性的要求，尤其是抗凍性能，以滿足工程耐久性要求。因此，針對(duì)高原凍土地區(qū)樁基混凝土性能的特殊要求，開展混凝土配合比設(shè)計(jì)研究工作具有重要的意義。

本文針對(duì)高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土強(qiáng)度性能和抗凍性能的要求，采用室內(nèi)模擬低溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境，系統(tǒng)研究了低溫條件下水膠比、膠凝材料用量、礦物摻合料等配合比關(guān)鍵參數(shù)對(duì)樁基混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響規(guī)律，并對(duì)高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土配合比關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)提出相應(yīng)要求和建議。

2　試　驗(yàn)

2.1原材料

水泥：采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5；粉煤灰(FA)：I級(jí)粉煤灰；硅灰(SF)：?？瞎旧a(chǎn)的硅灰；細(xì)集料：選擇級(jí)配良好的中砂；粗集料：選擇5～31.5mm連續(xù)級(jí)配的碎石；外加劑：聚羧酸系高效減水劑；早強(qiáng)劑：復(fù)配早強(qiáng)劑。

2.2試驗(yàn)方案

根據(jù)在實(shí)際工程應(yīng)用中樁基混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，坍落度為(180±20)mm。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究樁基混凝土配合比關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)混凝土性能的影響，主要研究了水膠比(0.45、0.48和0.50)、膠凝材料用量(320、350和380)、礦物摻合料(考慮摻入粉煤灰和硅灰)等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)樁基混凝土力學(xué)性能和抗凍性能的影響。其中礦物摻合料考慮粉煤灰的優(yōu)勢(shì)在于降低水化熱的同時(shí)，提高混凝土密實(shí)性，增加混凝土耐久性能；硅灰的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展有著顯著的促進(jìn)作用，本文主要研究粉煤灰和硅灰復(fù)摻情況下混凝土的性能。

具體配合比如表1所示，其中減水劑摻量為膠凝材料用量的0.5%，早強(qiáng)劑摻量為膠凝材料總量的10%，表中“WB-0.45”表示水膠比為0.45，“B-320”表示膠凝材料為320，“FA10-SF10”表示粉煤灰等量取代10%的水泥、硅灰等量取代10%水泥，以此類推。

表1　樁基混凝土配合比

2.3試驗(yàn)方法

為模擬高原凍土地區(qū)樁基混凝土的環(huán)境特征，本研究采用低溫方式進(jìn)行混凝土試件養(yǎng)護(hù)，具體為混凝土試件成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下預(yù)養(yǎng)4h，再放入冰凍箱內(nèi)，在(-2±2) ℃條件下用薄膜覆蓋混凝土表面養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期，進(jìn)行力學(xué)性能和抗凍性能試驗(yàn)。

樁基混凝土力學(xué)性能主要是測(cè)試不同齡期(3d、7d、14d、28d、56d)下混凝土的抗壓強(qiáng)度，具體按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)。

樁基混凝土抗凍性能主要采用快凍法進(jìn)行試驗(yàn)研究，具體按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)，其中采用經(jīng)150次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈模量指標(biāo)評(píng)價(jià)樁基混凝土抗凍性能。

3　結(jié)果與討論

3.1水膠比的影響

(1)水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

不同水膠比對(duì)不同齡期(3d、7d、14d、28d、56d)下混凝土的抗壓強(qiáng)度如圖1所示。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，水膠比為0.45和0.48時(shí)，28d強(qiáng)度基本能滿足C30混凝土的要求。隨著水膠比的增加混凝土的抗壓強(qiáng)度隨之降低，28d齡期時(shí)，當(dāng)水膠比分別從0.45增加到0.48、0.50時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度從35.1MPa分別降低了8.3%、15.9%。這主要是水膠比的增加，混凝土的孔隙率增加，密實(shí)性降低，從而表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度降低。從圖1還可明顯看出，三組混凝土抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，早期增長速率大于后期增長速率。

圖1　水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1　Effect of water binder ratio on compressive strength

圖2　水膠比對(duì)抗凍性能的影響Fig.2　Effect of water binder ratio on freezing resistance

(2)水膠比對(duì)抗凍性能的影響

不同水膠比的樁基混凝土的抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著水膠比的增加而顯著降低，當(dāng)水膠比從0.45增加到0.48、0.50時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈性模量分別從85%下降到72%、65%。這主要是由于較大水膠比的混凝土孔隙率較大而且孔徑較大，這會(huì)顯著降低混凝土的抗凍性能。

通過水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響規(guī)律研究，對(duì)于高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土水膠比而言，為保證其較好的強(qiáng)度性能和抗凍性能，建議其水膠比不大于0.45。

3.2膠凝材料用量的影響

(1)膠凝材料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

不同膠凝材料對(duì)不同齡期(3d、7d、14d、28d、56d)下混凝土的抗壓強(qiáng)度如圖3所示。從結(jié)果可看出，膠凝材料為380kg時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度滿足C30混凝土力學(xué)要求，膠凝材料為350kg時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度剛剛達(dá)到30MPa，然而膠凝材料320kg，28d抗壓強(qiáng)度不達(dá)到C30。

從圖3中還可明顯看出，在相同齡期的條件下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著膠凝材料用量的減小而減小，而且隨著齡期的增加，之間的差別越大。對(duì)于56d抗壓強(qiáng)度來說，當(dāng)膠凝材料從380kg分別降低到350kg、320kg時(shí)，抗壓強(qiáng)度從39.8MPa分別降低了19.3%、26.1%，這主要由于膠凝材料用量降低時(shí)，混凝土中水化產(chǎn)物減少，從而導(dǎo)致密實(shí)度下降的原因。

(2)膠凝材料對(duì)抗凍性能的影響

不同膠凝材料混凝土的抗凍性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量隨著膠凝材料的降低而降低，即膠凝材料用量降低，混凝土抗凍性能也明顯降低。這主要是膠凝材料降低使得混凝土密實(shí)性降低。

根據(jù)膠凝材料用量對(duì)抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響規(guī)律，在高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土配合比中膠凝材料用量參數(shù)的選擇時(shí)，建議其不低于380kg/m3。

圖3　膠凝材料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3　Effect of binder content on compressive strength

圖4　膠凝材料對(duì)抗凍性能的影響Fig.4　Effect of binder content on freezing resistance

3.3礦物摻合料的影響

(1)礦物摻合料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

礦物摻合料摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖5所示。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，除了“FA20-SF5”組，其余各組混凝土28d抗壓強(qiáng)度均能滿足C30混凝土強(qiáng)度要求，其中“FA10-SF10”組混凝土抗壓強(qiáng)度最佳，為38.2MPa。

對(duì)比相同粉煤灰摻量不同硅灰摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度可看出，硅灰的摻入對(duì)于混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展具有顯著地促進(jìn)作用，對(duì)混凝土后期的強(qiáng)度也有一定的提高。在粉煤灰摻量為10%時(shí)，硅灰從5%增加到10%時(shí)，混凝土56d抗壓強(qiáng)度增加了5%，在粉煤灰摻量為20%時(shí)，硅灰從5%增加到10%時(shí)，混凝土56d抗壓強(qiáng)度增加了20.9%。這是因?yàn)楣杌曳浅４蟮谋缺砻娣e，能夠很好的與水接觸并主要參與膠結(jié)料的早期水化，這也是提高混凝土早期強(qiáng)度的一個(gè)重要的手段。

另外，對(duì)比相同硅灰摻量不同粉煤灰摻量的混凝土抗壓強(qiáng)度可看出，混凝土的強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而顯著降低，在硅灰摻量為10%時(shí)，粉煤灰從10%增加到20%時(shí)，混凝土56d抗壓強(qiáng)度降低了10.7%，在硅灰摻量為5%時(shí)，粉煤灰從10%增加到20%時(shí)，混凝土56d抗壓強(qiáng)度降低了22.5%。

圖5　礦物摻合料對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5　Effect of mineral admixture on compressive strength

圖6　礦物摻合料對(duì)抗凍性能的影響Fig.6　Effect of mineral admixture on freezing resistance

(2)礦物摻合料對(duì)抗凍性能的影響

礦物摻合料對(duì)混凝土抗凍性能的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖可看出，各組混凝土抗凍性能和抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出來的規(guī)律是一致的，其中“FA10-SF10”組混凝土抗凍性能最佳，150次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量為92%，“FA20-SF5”組混凝土抗凍性能最差，150次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量僅有58%，比不摻礦物摻合料的基準(zhǔn)組抗凍性還要差很多。

通過研究礦物摻合料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性能的影響規(guī)律，對(duì)高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土來說，建議采用粉煤灰和硅灰復(fù)摻，同時(shí)發(fā)揮粉煤灰和硅灰優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)兩種不同礦物摻合料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。同時(shí)考慮硅灰的摻入對(duì)混凝土流動(dòng)性能有顯著地降低作用以及對(duì)早期水化放熱的增加作用，建議采用10%粉煤灰和5%硅灰復(fù)摻。

4　結(jié)　論

(1)低溫環(huán)境下混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗凍性能均隨著水膠比的增加而降低；混凝土抗壓強(qiáng)度隨著膠凝材料用量的減小而減小，且齡期越大，差別越大；膠凝材料用量降低，混凝土抗凍性能也明顯降低；

(2)低溫環(huán)境下“FA10-SF10”組混凝土抗壓強(qiáng)度和抗凍性能均最佳；硅灰的摻入對(duì)于混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展和抗凍性具有顯著地促進(jìn)作用；粉煤灰摻量的增加而顯著降低混凝土強(qiáng)度和抗凍性能；

(3)高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土配合比設(shè)計(jì)中建議水膠比不大于0.45，膠凝材料用量不低于380kg/m3；為提升樁基混凝土耐久性能，建議采用10%粉煤灰和5%硅灰復(fù)摻。

[1] 石人俊,潘庭玉,劉美茹.青藏高原多年凍土地段灌注樁混凝土的研究和對(duì)策[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2006,03:56-61.

[2]LaiYM,LiJJ,NiuFJ,etal.NonlinearthermalanalysisforQing-Tibetrailwayembankmentsincoldregions[J].Cold Regions Engineering,2003,17(4):171-184.

[3]GoeringDJ.Passivelycooledrailwayembankmentsforuseinpermafrostareas[J].Cold Regions Engineering,2003,17(3):119-133.

[4] 原喜忠,馬巍,劉永智.橋梁鉆孔灌注樁施工中高溫凍土地基溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(6): 1052-1055.

[5] 劉志國,巴恒靜,劉紅霞.多年凍土環(huán)境下混凝土灌注樁強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的研究[J].混凝土,2005(6):11-17.

[6]SegoDC,AsceM,BiggarKW,etal.Enlargedbase(Belled)pilesforuseiniceorice-richpermafrost[J].Cold Regions Engineering,2003,17(2):68-88.

[7] 劉國玉.高原高寒多年凍土區(qū)橋墩及樁基混凝土施工質(zhì)量控制技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)學(xué)位論文,2008.

[8] 張守國.多年凍土地區(qū)鉆孔灌注樁早期承載能力增長規(guī)律研究[D].西安：長安大學(xué)學(xué)位論文,2013.

MixProportionDesignofPileFoundationConcreteinPlateauFrozenSoilRegion

HU Zuo-ping1,HU Yong-mei2

(1.HuzhouTrafficPlanDesignInstitute,Huzhou313000,China;2.HuzhouCityTrafficEngineeringQualityandSafetySupervisionStation,Huzhou313001,China)

Theeffectsofconcretemixkeyparametersoncompressivestrengthandfreezingresistanceofpilefoundationconcretewerestudiedinthispaper.Theconcretemixkeyparametersincludedwater-binderratio,bindercontent,mineraladmixturetypeandcontent.Theresultsshowthatthecompressivestrengthandfreezingresistanceofpilefoundationconcretearesignificantlydecreasedwiththeincreaseofwater-binderratiounderlowtemperatureenvironment.Thecompressivestrengthandfreezingresistanceofpilefoundationconcretearedecreasedwiththedecreaseofbindercontent.Thecompressivestrengthandfreezingresistanceof"FA10-SF10"concretearebest.InmixproportiondesignofC30pilefoundationconcreteinplateaufrozensoilregion,waterbinderratioshouldnotbegreaterthan0.45,bindercontentshouldnotbelowerthan380kg/m3, 10%flyashand5%silicafumearesuggestedtoreplaceequalcement.

frozensoilregion;pilefoundationconcrete;lowtemperatureenvironment;mixproportiondesign;mineraladmixture

胡佐平(1980-)，男，高工.主要從事路橋設(shè)計(jì)方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0297-05