混凝土碱氯离子.docx
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混凝土碱氯离子
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32m铁路箱梁C50混凝土配合比研究
一、前言
随着我国铁路建设的快速发展，箱梁预制生产技术有了很大提高，大跨度、大体积是重点发展之一，另外，设计年限有了很大提高，从60年使用寿命跃升至100年设计使用寿命，混凝土耐久性成为重点。
采用高性能混凝土技术是解决客运专线预应力混凝土箱梁结构耐久设计的重要内容。
高性能混凝土技术应用试验是客运专线预应力混凝土箱梁试制、试验的关键技术内容之一，是实现结构耐久性设计思想重要组成部分。
这就给我们试验工作者提出了严峻考验。
如何实现混凝土的耐久性成为混凝土配合比的设计关键。
武广客运专线施工中，中铁十九局韶关制梁厂承担218片32m预制混凝土箱梁施工生产任务，该预制混凝土箱梁为武广客运专线设计时速350公里的32m预制后张法施工双线铁路箱梁，科技含量高，施工难度大，箱梁架设工期紧，C50高性能混凝土配合比设计为施工关键点，施工前我们试验人员进行了大量的试验技术储备工作。
二、混凝土配制原则
（一）设计依据
客运专线箱梁C50预应混凝土的配制依据主要是《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》、《客运专线预应混凝土预制梁暂行技术条件》以及试验梁拟采用的主要生产工艺，其技术要求具体体现为：
1水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、石、外加剂和水等原材料的品质要求。
2混凝土胶凝材料用量、矿物掺合料掺量、水胶比、碱含量、氯离子含量以及容重等配合比参数的限值要求。
3混凝土拌合物的性能要求。
主要包括体现箱梁制造工艺要求的混凝土坍落度及其经时损失，混凝土的黏聚性和保水性；体现混凝土抗冻要求的含气量；泌水性等。
4混凝土力学性能要求。
主要为C50混凝土在不同龄期的立方体抗和静力抗压弹性模量要求。
5混凝土的抗裂性要求。
应进行混凝土的抗裂性对比试验。
（二）混凝土配制原则
根据《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》、《客运专线预应力混凝土暂行技术条件》、原材料品质以及试验梁拟采用的主要工艺，C50预应力混凝土的配制应体现以下主要原则：
1进行原材料的比选复试，确定品质性能符合《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》要求的水泥、粉煤灰、矿渣粉、砂、石、外加剂和水用于C50预应力混凝土的试配。
2混凝土的配合比参数
胶凝材料用量：
胶凝材料总量不宜超过500㎏/m3，其最低用量按最不利环境作用等级（H4或L3或D4）设计考虑应不少于360㎏/m3，实际控制值为460～490㎏/m3为宜。
矿物掺合料掺量：
采用单掺粉煤灰技术或采用矿渣粉与粉煤灰复掺技术时，粉煤灰的掺量均不宜大于30%
水胶比：
按最不利环境作用等级（H4或L3或D4）设计考虑时应不大于0.36。
碱含量：
采用非碱活性骨料（砂、石）时，混凝土的总碱含量没有要求；采用砂浆棒膨胀率在0.10～0.20%的碱—硅酸反应活性骨料时，由水泥、矿物掺合料、外加剂和水带入混凝土的碱含量之和应不大3.0㎏/m3；采用砂浆棒膨胀率在0.20～0.30%的碱—硅酸反应活性骨料时，由水泥、矿物掺料、外加剂和水带入混凝土的碱含量之和应不大于3.0㎏/m3，且应在混凝土中掺加具有明显抑制效能的矿物掺合料和外加剂；不得采用砂浆棒膨胀率在0.30%以上的碱—硅酸反应活性骨料。
氯离子含量：
由水泥、矿物掺合料、砂、石、外加剂和水带入混凝土的氯离子总量应不超过胶凝材料总量的0.06%。
容重：
混凝土的容重应控制地2400～2500㎏/m3。
3混凝土的拌合物性能
由于采用在预制场内泵车入模浇灌的生产工艺，混凝土的坍落度在入模时要求不得小于120㎜，一般按入模坍落度150-180㎜进行控制为宜。
考虑混凝土经时损失、泵压损失、温度损失，因此混凝土的出机温度一般仍按180-200㎜进行控制，30min静置坍落度损失控制一般不超过60㎜，最大不超过80㎜。
含气量：
根据《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》的要求，混凝土应具有F200的抗冻性，因此混凝土应引入微气泡，新拌混凝土的含气量宜控制为2～4%，具体的控制值应根据硬化混凝土的抗冻性试验结果进行确定。
泌水率；混凝土入模后不得泌水。
在配合比试配过程中可按30min的工序间隔进行控制，即将混凝土静置30min后复搅拌测试其泌水率。
4混凝土的力学性能
立方体抗压强度：
实体箱梁28d龄期混凝土的强度不小于50MPa，在配合比设计时，混凝土的28d龄期配制强度应控制不小于58.2MPa。
静力抗压弹性模量：
实体箱梁28d龄期混凝土的弹性模量应不小于35GPa，在配合比设计时，混凝土的28d龄期弹性模量应与强度相适宜。
5混凝土的抗裂性
对混凝土拌合物性能满足要求的试拌配合比进行抗裂性对比试验，选择抗裂性相对较好的混凝土配合比进行耐久性试验。
6混凝土的耐久性能
电通量：
混凝土的56d龄期电通量应不大于1000库仑。
抗冻性：
混凝土的56d龄期抗冻性应不小于F200。
抗掺性：
混凝土的抗渗性应不小P20。
抗碱—骨料反应：
采用砂浆膨胀率在0.20～0.30%的碱—硅酸反应活性骨料时，矿物掺合料和外加剂抑制碱—骨料反应有效性的评价应合格。
三、原材料试验及选定
根据客运专线高性能混凝土暂行技术条件及“客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件”所有原材料均按《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》规定的试验项目进行复检，并将原材料的性能复检结果与《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》的要求进行了列表对比。
（一）水泥
采用广东省韶关市昌山建材水泥厂粤海牌P.O42.5水泥。
水泥性能复检试验结果见表1。
表1
水泥性能复检试验结果
序号
检验项目
技术要求
复检结果
1
烧失量，%
≤5.0
2.25
2
氧化镁含量，%
≤5.0
2.52
3
三氧化硫含量，%
≤3.5
2.10
4
细度，%
≤10.0
2.5
5
凝结时间,min
初凝
≥45
142
终凝
≤600
279
6
安定性
合格
合格
7
强度,MPa
3d抗折
≥3.5
5.7
28d抗折
≥6.5
8.3
3d抗压
≥16
25.5
28d抗压
≥42.5
48.3
8
碱含量，%
≤0.80
0.24
9
氯离子含量
≤0.06
0.001
（二）矿渣粉
矿渣粉采用广东省韶关市昌山建材有限公司S95级矿渣粉
矿渣粉性能复检结果见表2
表2
矿渣粉性能复检试验结果
序号
检验项目
技术要求
复检结果
1
比表面积，%
350～500
428
2
烧失量，%
≤3.0
0．6
3
氧化镁含量，%
≤14
6．28
4
三氧化硫含量，%
≤4.0
0．33
5
氯离子含量，%
≤0.02
0．001
6
含水率，%
≤1.0
0．1
7
需水量比，%
≤100
95
8
碱含量，%
—
0.26
9
28d活性指数
≥95
99
（三）细骨料
采用广东省韶关市小北江水洗中砂。
细骨料性能复检试验结果见表3
表3
细骨料性能复检试验结果
序号
检验项目
技术要求
复检结果
1
细度模数
—
2.9
2
堆积密度，㎏/m3
—
1520
3
表观密度，㎏/m3
—
2620
4
紧密空隙率，%
—
38
5
坚固性，%
≤8
2.0
6
吸水性，%
≤2
1.2
7
含泥量，%
≤2.0
0.72
8
泥块含量
≤0.5
0.10
9
云母含量，%
≤0.5
0.08
10
轻物质含量，%
≤0.5
0.08
11
氯离子含量，%
＜0.02
未检出
12
硫化物及硫酸盐含量，%
≤0.5
0.05
13
有机物含量
合格
合格
14
碱活性
砂浆棒膨胀率，%
0.10
0.01
（四）粗骨料
试验结果见表7
采用广东省韶关市龙归碎石场二级配的碎石复配成5-25mm连续级配碎石,最大公称粒径25㎜石灰岩碎石，粗骨料试验结果见下表4。
根据复结果，以方案一复配结果为理想级配。
表4
碎石复配试验结果
规格种类
复配方案（复配比例，%）
方案一
方案二
方案三
10-20㎜
90
85
80
5-25㎜
10
15
20
试验项目
方案一
方案二
方案三
松散堆积密度，㎏/m3
1540
1520
1520
紧密空隙率，㎏/m3
36
37
37
筛孔尺寸，㎜
累计筛余百分率，%
技术要求
方案一
方案二
方案三
31.5
0
0
0
0
25
0～5
2
3
3
20
—
26
28
32
16
30～70
53
55
57
10
79
82
80
5
90～100
97
98
98
2.5
95～100
100
100
100
碎石的品质及有害物复检结果见表5
表5
碎石品质及有害物复检试验结果
序号
检验项目
技术要求
复检结果
1
压碎指标，%
≤10
5
2
坚固性，%
≤5
0
3
吸取水率，％
≤2
0.25
4
含泥量，％
≤0.5
0.25
5
泥块含量，％
≤0.25
0.2
6
针片状颗粒总含量，％
≤8
3.8
7
硫化物及硫酸盐含量，％
≤0.5
0.04
8
氯离子含量，％
＜0.02
未检出
9
活性矿物
—
无碱活性矿物
（五）水 采用拌合站场区井水。
（六）减水剂
采用上海城诚LEX-9H聚羧酸减水剂。
外加剂性能复检结果见表6
表6
掺外加剂混凝土性能复检试验结果
序号
检验项目
技术要求
复检结果
1
减水率，%
≥20
29
2
含气量，%
≥4.5
4.0
3
常压泌水率，%
≤20
0
4
抗压强度比，%
3d
≥130
162
7d
≥12.5
150
28d
≥120
132
5
对钢筋锈蚀作用
无锈蚀
无锈蚀
6
收缩率比,%
112
7
相对耐久性指标,%,200次
≥80
85.0
1
水泥净浆流动度，㎜
≥240
270
2
硫酸钠含量，%
≤10.0
1.08
3
氯离子含量，%
≤0.2
0.001
4
碱含量，%
≤10.0
2.5
（七）粉煤灰
采用广州粉煤灰建材厂恒运牌粉煤灰。
粉煤灰性能复检结果见表7
表7
粉煤灰性能复检试验结果
序号
检验项目
技术要求
复检结果
1
细度，%
≤12
11
2
烧失量，%
≤3.0
2.9
3
含水率，%
≤1.0
0.24
4
需水量比，%
≤100
96
5
三氧化硫含量，%
≤3.0
0.61
6
碱含量，%
1.41
7
氯离子含量，%
—
0.017
原材料复检试验结果评价：
所选用的水泥、矿渣粉、砂、石及二种外加剂按规定的试验方法进行检验，其性能和品质试验结果符合《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》的相关规定，可以用于C50预应力混凝土的配制。
其中，二级配碎石的复配方案一较为适宜。
四、混凝土拌合物性能试验
在进行混凝土拌合物性能试验前，首先进行混凝土配合比设计参数的初选和混凝土总碱含量和氯离子含量的计算，在混凝土有害物质含量达到控制要求的基础上开展混凝土的试拌工作。
（一）
用混凝土配合比设计参数的初选
胶凝材料总量：
根据所选用的水泥、矿物掺合料和骨料等原材料品质以及生产工艺状况，混凝土的胶凝材料总量宜控制在450～490㎏/m3之间，由于是首次试验，为安全及快速起见，本次试验采用的胶凝材料总量取为484㎏/m3,并在试验期间保持这个水平不变。
矿物掺合料掺量：
粉煤灰和矿渣粉的掺量主要考虑混凝土的强度和耐久性要求进行取用。
单独掺用粉煤灰时，粉煤灰的掺量取值为25%；复掺粉煤灰和矿渣煤时，其掺量可适当增加，本次试验时复掺比例控制约为30～55%，其中粉煤灰和矿渣粉的复合比例根据混凝土强度要求、拌合物状况和浆体含量时行了适当调整。
砂率：
混凝土的砂率取值与石子粒径、砂子粗细以及胶体用量有关，一般应控制地34～42%之间。
石子粒径越小、砂子越粗，砂率应取上限；混凝土泵送施工是时应适当提高砂率。
试验时统一砂率为41%。
用水量：
拌合用水量决定混凝土强度的主要因素。
拌合用水的数量主要取决于水泥充分水化的要求；另一方面是混凝土和易性的要求。
外加剂用量：
主要根据混凝土拌合物性能要求进行用水调整。
见表8
表8
试验混凝土配合比，㎏/m3
编号
水泥
矿渣粉
粉煤灰
砂
石
LEX—9H
TH—2A
水
X-01
360
—
110
742
1068
3.9
—
141
X-02
306
82
82
742
1068
3.9
—
141
X-03
284
112
74
742
1038
3.9
—
141
X-04
262
140
68
742
1038
3.9
—
141
X-05
240
168
62
742
1068
3.9
—
141
X-06
218
196
56
742
1068
3.9
—
141
X-07
360
—
110
736
1060
—
9.4
147
X-08
306
82
82
736
1060
—
9.4
147
X-09
284
112
74
736
1060
—
9.4
147
X-10
262
140
68
736
1060
—
9.4
147
X-11
240
168
62
736
1060
—
9.4
147
（二）混凝土总碱含量和氯离子含量的计算
混凝土总碱含量和氯离子含量的计算依据是原材料的复检结果和混凝土配合比初选参数。
其中，矿渣粉的可溶性碱按总碱量的1/2进行折算，粉煤灰的可溶性碱量按总碱量的1/6进行折算。
混凝土氯离子含量计算结果见表9。
表9
混凝土氯离子含量计算结果，㎏/m3
编号
各原材料带入混凝土的氯离子含量
占胶材比例
水泥
矿渣粉
粉煤灰
砂/石/水
外加剂
合计
X-01
0.0557
—
0.0187
0
0.0004
0.0767
0.016%
X-02
0.0490
0.0049
0.0139
0
0.0004
0.0682
0.015%
X-03
0.0454
0.0067
0.0126
0
0.0004
0.0651
0.014%
X-04
0.0419
0.0084
0.0116
0
0.0004
0.0622
0.013%
X-05
0.0384
0.0101
0.0105
0
0.0004
0.0594
0.013%
X-06
0.0349
0.0118
0.0095
0
0.0004
0.0565
0.012%
X-07
0.0576
0.0187
0
0.0177
0.0846
0.018%
X-08
0.0490
0.0049
0.0139
0
0.0177
0.0761
0.016%
X-09
0.0454
0
0.0177
0.0730
0.016%
X-10
0.0084
0.0116
0
0.0177
0.0702
0.015%
X-11
0
0.014%
混凝土碱含量计算结果见表10。
表10
混凝土碱含量计算结果,
㎏/m3
编号
各种原材料带入混凝土的碱含量
合计
水泥
矿渣粉
粉煤灰
砂/石/水
外加剂
X-01
2.700
—
0295
0
0.066
3.02
X-02
2.295
0.108
0.193
0
0.066
2.66
X-03
2.130
0.148
0.174
0
0.066
2.52
X-04
1.965
0.184
0.160
0
0.066
2.38
X-05
1.800
0.221
0.146
0
0.066
2.23
X-06
1.635
0.258
0.132
0
0.0660.486
2.09
X-07
2.700
—
0.259
0
0.486
3.44
X-08
2.295
0.108
0.193
0
0.486
3.08
X-09
2.130
0.148
0.174
0
0.486
2.94
X-10
1.965
0.184
0.160
0
0.486
2.80
X-11
1.800
0.221
0.146
0
0.486
2.65
从表10和表11的计算结果可知,初步选定的试验配合比中混凝土的氯离子含量在0.012～0.018之间,均未超过预应力混凝土0.06%的规定限值。
由于所选用的骨料为非活性骨料，因此对混凝土的总碱含量没有要求，经计算，所选择的试验配合比中混凝土碱含量在2.09～3.44㎏/m3之间，且混凝土的总碱含量与掺合料掺量呈反比关系。
因此，从混凝土的氯离子含量计算结果可以判定，所选定的试验配合比混凝土有害物质含量符合要求，均可进行拌合性能试验。
（三）混凝土拌合物性能试验在标准试验条件下时行。
原材料均在试验前24h放入工作室，控制工作室温度为20℃，湿度大于50%。
混凝土采用60L强制式搅拌机拌合。
基本投料顺序为：
粉料预混30s，然后投入预先搅拌均匀的液态原材料，继续搅拌150s。
混凝土拌合物性能试验结果见表12，其中初始坍落度和含气量在混凝土出机后30min内测试，30min坍落度和泌水率在混凝土出机静置30min后经
表11
混凝土拌合物性能试验结果
编号
坍落度，㎜
30min坍损，㎜
含气量，%
泌水率，%
湿容重
㎏/m3
初始
30min
X-01
220
170
50
2.6
0
2420
X-02
215
165
50
2.8
0
2430
X-03
210
180
30
2.4
0
2450
X-04
205
170
35
3.0
0
2420
X-05
220
175
45
2.3
0
2440
X-06
205
165
40
2.4
0
2440
X-07
215
180
35
2.7
0
2430
X-08
210
185
25
3.1
0
2420
X-09
220
200
20
2.8
0
2440
X-10
220
195
25
2.8
0
2410
X-11
220
200
20
2.9
0
2430
由于粉煤灰和矿渣粉的需水量比均接近100%，因此在保持用水量不变的情况下，改变粉煤灰和矿渣粉的掺量对坍落度的影响较小，所以选择的11个试验配合比的混凝土初始坍落度均在200～220㎜之间，混凝土的30min坍落度损失最小值为20㎜，最大值为50㎜，均未超过预期的控制范围。
从新拌混凝土的含气量测试结果来看，两种引气型减水剂均有较为稳定的引气作用，其中采用LEX—9H型外加剂试拌的6个配合比混凝土的平均含气量为2.58%，采用TH—2A型外加剂拌的5个配合混凝土的平均含气量为2.86%,均能满足2～4%的控制要求。
因此，所选择的11个试验配合比的拌合物均能满足预期的技术要求。
五、混凝土抗裂性对比试验
混凝土抗裂性对比试验采用抗裂环法进行。
将混凝土成型于内模尺寸为Φ305×Φ425×100㎜的模内，24h后拆除外模移入温度为20℃，湿度为60%的环境中养护观测，定期检查混凝土表面，观察裂缝的宽度，以比较混凝土抗裂性能相对优劣。
混凝土抗裂试件经28天观测，11个配合比的混凝土试件侧面均未出现可见裂缝，说明试验混凝土均具有较好的抗裂性。
六、混凝土力学性能试验
按表9所列试验配合比成型的混凝土试件标准养护各龄期强度和弹性模量试验结果见表12
表12
混凝土强度及弹性模量试验结果
编号
抗压强度，MPa
弹性模量，GPa
R1
R2
R3
R7
R28
E2
E7
E28
X-01
—
—
44.0
73.7
67.1
—
44.6
47.6
X-02
—
—
42.5
51.6
65.5
—
42.3
46.0
X-03
14.7
31.3
41.7
56.7
68.8
35.1
—
46.6
X-04
15.1
30.3
35.8
45.3
62.4
36.1
—
46.0
X-05
11.1
31.8
41.3
45.5
60.0
36.9
—
45.9
X-06
12.7
28.3
34.4
47.5
62.2
34.5
—
44.9
X-07
—
—
43.7
52.7
64.7
—
44.9
47.0
X-08
—
—
42.7
54.5
65.4
—
44.8
46.3
X-09
12.0
35.0
41.4
56.9
61.5
34.8
—
45.6
X-10
—
—
41.0
52.2
59.4
—
43.1
45.0
X-11
15.3
39.3
41.1
52.5
69.0
35.1
—
43.6
从表12的试验结果可以看出：
（一）所有试件的28d龄期立方体抗压强度均能满足C50混凝土的配制要求。
各配全比混凝土28d龄期立方体抗压强度最大值为69.0MPa，最小值为59.4MPa，均高于配制强度58.0MPa的要求,具有较好的强度富余系数。
（二）所有试件的28d龄期静力弹性模量均能满足C50混凝土的配制要求。
在混凝土单方用水量不变的条件下，混凝土的28d龄期弹性模量随掺合料数量的增加呈现降低的趋势。
（三）试件强度达到《客运专线预应混凝土预制梁暂行技术条件》规定的带模张拉强度（设计强度的50%，25MPa）要求的龄期2d左右。
（四）试件强度达到《客运专线预应混凝土预制梁暂行技术条件》规定的初张拉强度（设计强度的80%，40MPa）要求的龄期3d左右。
七、混凝土耐久性能试验
客运专线预制箱梁C50预应力混凝土的耐久性能主要为混凝土的电通量、抗冻性、抗渗性和抗碱—骨料反应性。
（一）电通量
根据《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》的要求，一般环境条件下C50混凝土的电通量应不大于1000C；根据《客运专线预应力混凝土预预制梁暂行技术条件》的要求
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