某高速公路預(yù)制T 梁混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

沙 鷗 趙寶生 趙 勇 李文和 李英男 李朝康 李 敏 邱成奇 朱黑沙

（1、云南建投第二水利水電建設(shè)有限公司，云南 昆明 650221 2、云南省建筑科學(xué)研究院有限公司，云南 昆明 650223）

預(yù)制混凝土T 梁因其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速公路建設(shè)中。目前現(xiàn)有的混凝土配合比，主要以混凝土強(qiáng)度等級結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出試配強(qiáng)度、水膠凝比，再依據(jù)混凝土的設(shè)計(jì)坍落度、粗骨料的種類及最大公稱粒徑確定用水量；計(jì)算出膠凝材料用量；根據(jù)水膠比、設(shè)計(jì)坍落度、粗骨料的種類及最大公稱粒徑，選擇砂率；結(jié)合擬定的混凝土試配單方質(zhì)量，計(jì)算出單方混凝土粗、細(xì)集料的質(zhì)量，后期再結(jié)合試配情況進(jìn)行微調(diào)。

現(xiàn)有混凝土配合比的設(shè)計(jì)，為半計(jì)算、結(jié)合經(jīng)驗(yàn)的形式，計(jì)算得到的混凝土配合比，由于水膠比相對較大，膠凝材料用量相對偏小，混凝土工作性能相對較差，混凝土強(qiáng)度及彈性模量增長較慢。本文以某高速公路預(yù)制混凝土T 梁為背景，開展相關(guān)研究，提出了配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

1 現(xiàn)狀混凝土配合比設(shè)計(jì)流程[3]

按照設(shè)計(jì)強(qiáng)度、混凝土種類、設(shè)計(jì)坍落度、是否有抗?jié)B抗凍等耐久性要求等，參照J(rèn)GJ55-2011 相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)就質(zhì)量法為基礎(chǔ)，以某高速公路預(yù)制混凝土T 梁C50 混凝土配合比為例進(jìn)行說明；設(shè)計(jì)步驟如下：

1.1 確定混凝土試配強(qiáng)度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算試配強(qiáng)度fcu,0，其中σ 為標(biāo)準(zhǔn)差，可根據(jù)統(tǒng)計(jì)確定，也可根據(jù)混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行取值fcu,k為混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度；

1.2 水膠比

根據(jù)混凝土所用膠凝材料的28d 齡期抗壓強(qiáng)度fb，根據(jù)擬用粗骨料品種選擇回歸系數(shù)ɑa、ɑb，根據(jù)公式得到水膠比W/B；

1.3 用水量和外加劑用量

按照干硬性和塑性的分類，結(jié)合粗集料的最大公稱粒徑及拌合物稠度指標(biāo)（維勃稠度和坍落度）選擇用水量（不加外加劑的）；再根據(jù)所加外加劑的減水率計(jì)算使用摻加外加劑的用水量；外加劑用量應(yīng)經(jīng)混凝土試驗(yàn)確定，實(shí)際中一般按照出廠時廠家推薦用量使用。

1.4 膠凝材料用量

根據(jù)水膠比及用水量，得出膠凝材料用量。

1.5 砂率

參考既有歷史資料；無可參考時，可按照下列規(guī)定確定：（1）坍落度小于10mm，開展相關(guān)試驗(yàn)；

（2）坍落度10mm 以上的，據(jù)坍落度設(shè)計(jì)要求、根據(jù)粗骨料品種、最大公稱粒徑及水膠比選取砂率。

1.6 粗、細(xì)集料用量

根據(jù)假定的單方膠凝材料重量（也可用體積），之前得到的水、膠凝材料、砂率等數(shù)據(jù)，得出粗、細(xì)集料用量。

設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50，坍落度為（180±20）mm 時，使用減水率為25%的聚羧酸高性能減水劑，摻量為膠凝材料用量的1%，設(shè)計(jì)彈性模量為34500MPa。

得到初算配合比1#：

對于初算配合比設(shè)計(jì)混凝土，進(jìn)行拌合物性能及力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該混凝土拌合物性能較差，施工難度大；抗壓強(qiáng)度及彈性模量增長速度較慢，后續(xù)工序間隔時間長且富余系數(shù)較小，質(zhì)量難以控制，見表1。

表1 混凝土初算配合比

2 配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]

2.1 全計(jì)算法混凝土配合比設(shè)計(jì)

從上述流程可以看出，目前所采用的規(guī)范的混凝土配合比為半計(jì)算式、經(jīng)驗(yàn)性的，主觀影響較大，按照此流程計(jì)算所得混凝土配合比水膠比較大，用水量不變的情形下，膠凝材料用量較少，工作性較差，混凝土強(qiáng)度增長較慢，實(shí)際使用過程中問題較多。采用全計(jì)算法進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)強(qiáng)度，σ 取6.0Mpa，擬定漿體與骨料的體積百分比固定為35:65，漿體體積Ve 取350，漿體中的空氣體積Va 取20,則混凝土試配強(qiáng)度為：膠凝材料的用量：

由表2 可知，混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于試配強(qiáng)度，但坍落度稍低于設(shè)計(jì)坍落度中值，通過摻加S75 級礦粉（10%）優(yōu)化坍落度；考慮后續(xù)工序銜接，為提高彈性模量，進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

表2 全計(jì)算法配合比

2.2 考慮級配下的混凝土配合比設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀配合比只考慮骨料最大粒徑，下面討論考慮顆粒級配情況下混凝土配合比。擬按照富勒理想級配曲線公式進(jìn)行顆粒級配分析；現(xiàn)在以最大骨料粒徑31.5mm、26.5mm、19.0mm、16.0mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、60mm、0.30mm、0.15mm、篩底，進(jìn)行說明。

擬采用二級配碎石，結(jié)合天然砂進(jìn)行分析；將碎石一、碎石二、天然砂分別進(jìn)行篩分試驗(yàn)后，碎石一中26.5mm累計(jì)篩余達(dá)60.8%，，在粗粒中起主要作用；據(jù)表3 所示，基準(zhǔn)級配曲線在26.5mm 孔徑下累計(jì)篩余為8.3%，碎石一26.5mm 孔徑累計(jì)篩余為60.8%，則碎石一占骨料總量百分比為：8.3÷60.8≈14%，碎石一各孔徑顆粒占混合料的百分比，可由表中數(shù)量乘以13%得到表3 中序號4 對應(yīng)行數(shù)據(jù)；碎石二中9.5mm 篩孔孔徑累計(jì)篩余量達(dá)68.4%，起主要作用；基準(zhǔn)級配曲線在9.5mm 孔徑下累計(jì)篩余為45.1%，結(jié)合碎石一9.5mm 孔徑對應(yīng)的用量為13.9%，則碎石二占混合料用量百分比為：（45.1-13.9）÷68.4≈46%，碎石二各孔徑顆粒占混合料的百分比，可由表中數(shù)量乘以46%得到表3 中序號5 對應(yīng)行數(shù)據(jù)；則砂占混合料總量百分比為：100-14-46=40%，表中序號3 列數(shù)值乘以40%，得到砂用量表1 中序號6 對應(yīng)行數(shù)據(jù)，骨料級配曲線如圖1 所示，顆粒級配配合比如表4 所示。

表4 考慮顆粒級配配合比

圖1 骨料級配曲線

表3 骨料合成計(jì)算

在聚羧酸高性能減水劑的作用下，礦物摻合料的填充、置換效應(yīng)，可改善拌合物的和易性；使用富勒理論得到的級配骨料拌制的混凝土，其抗壓強(qiáng)度、彈性模量均有提高；在較短齡期（7d）彈性模量即可滿足設(shè)計(jì)要求，砼抗壓強(qiáng)度達(dá)到試配強(qiáng)度，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，對于保證工期，及時開展后續(xù)工序，是有益的。

3 工程實(shí)際應(yīng)用分析

某高速公路項(xiàng)目預(yù)制混凝土T 梁為C50 混凝土，按本文試驗(yàn)進(jìn)行試配，留置抗壓強(qiáng)度試件400 組，彈性模量試件80 組，7d 抗壓強(qiáng)度最小值61.4MPa，彈性模量最小值37800MPa，方差較小，施工過程順利。

4 結(jié)論

4.1 運(yùn)用全計(jì)算法，減少人為主觀因素的影響，進(jìn)行配合比優(yōu)化，改善了預(yù)制T 梁混凝土膠凝材料用量較少，工作性較差，混凝土強(qiáng)度增長較慢的缺點(diǎn)。

4.2 摻加礦粉后，C50 混凝土配合比的工作性進(jìn)一步優(yōu)化。

4.3 考慮富勒理想級配曲線下的骨料級配，對現(xiàn)有配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了較好的彈性模量，表明提高混凝土的密實(shí)度可以提高混凝土的彈性模量。