胡佐平，胡永梅

(1.湖州市交通規(guī)劃設計院，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計研究

胡佐平1，胡永梅2

(1.湖州市交通規(guī)劃設計院，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鍵參數(shù)對C30樁基混凝土抗壓強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計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%硅灰復摻。

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

1　引　言

對處于高原凍土地區(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的環(huán)境因素，在低溫凍土環(huán)境中樁基混凝土強度往往發(fā)展緩慢，同時，樁基混凝土水化熱對凍土熱穩(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度能達到設計要求對于凍土地區(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計主要面臨三大關鍵技術(shù)問題亟待解決：一是如何在低溫環(huán)境下保證混凝土強度的增長，盡早達到混凝土抗凍的臨界強度；二是如何減少混凝土水化熱對凍土溫度場的擾動，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計時應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計研究工作具有重要的意義。

本文針對高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土強度性能和抗凍性能的要求，采用室內(nèi)模擬低溫養(yǎng)護環(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鍵參數(shù)對樁基混凝土的抗壓強度和抗凍性能的影響規(guī)律，并對高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土配合比關鍵參數(shù)設計提出相應要求和建議。

2　試　驗

2.1原材料

水泥：采用普通硅酸鹽水泥P·O42.5；粉煤灰(FA)：I級粉煤灰；硅灰(SF)：埃肯公司生產(chǎn)的硅灰；細集料：選擇級配良好的中砂；粗集料：選擇5～31.5mm連續(xù)級配的碎石；外加劑：聚羧酸系高效減水劑；早強劑：復配早強劑。

2.2試驗方案

根據(jù)在實際工程應用中樁基混凝土設計強度等級為C30，坍落度為(180±20)mm。本文通過室內(nèi)試驗研究樁基混凝土配合比關鍵指標對混凝土性能的影響，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)等關鍵參數(shù)對樁基混凝土力學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)勢在于降低水化熱的同時，提高混凝土密實性，增加混凝土耐久性能；硅灰的優(yōu)勢在于對混凝土早期強度的發(fā)展有著顯著的促進作用，本文主要研究粉煤灰和硅灰復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行混凝土試件養(yǎng)護，具體為混凝土試件成型后在標準養(yǎng)護條件下預養(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)護至相應齡期，進行力學性能和抗凍性能試驗。

樁基混凝土力學性能主要是測試不同齡期(3d、7d、14d、28d、56d)下混凝土的抗壓強度，具體按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)。

樁基混凝土抗凍性能主要采用快凍法進行試驗研究，具體按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082-2009)，其中采用經(jīng)150次凍融循環(huán)后相對動彈模量指標評價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)水膠比對抗壓強度的影響

不同水膠比對不同齡期(3d、7d、14d、28d、56d)下混凝土的抗壓強度如圖1所示。從試驗結(jié)果可看出，水膠比為0.45和0.48時，28d強度基本能滿足C30混凝土的要求。隨著水膠比的增加混凝土的抗壓強度隨之降低，28d齡期時，當水膠比分別從0.45增加到0.48、0.50時，混凝土抗壓強度從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，密實性降低，從而表現(xiàn)為抗壓強度降低。從圖1還可明顯看出，三組混凝土抗壓強度均隨著養(yǎng)護齡期的增加而增加，早期增長速率大于后期增長速率。

圖1　水膠比對抗壓強度的影響Fig.1　Effect of water binder ratio on compressive strength

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

(2)水膠比對抗凍性能的影響

不同水膠比的樁基混凝土的抗凍性能試驗結(jié)果如圖2所示。從試驗結(jié)果可以看出，相對動彈性模量隨著水膠比的增加而顯著降低，當水膠比從0.45增加到0.48、0.50時，相對動彈性模量分別從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，這會顯著降低混凝土的抗凍性能。

通過水膠比對抗壓強度和抗凍性能的影響規(guī)律研究，對于高原凍土地區(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)膠凝材料對抗壓強度的影響

不同膠凝材料對不同齡期(3d、7d、14d、28d、56d)下混凝土的抗壓強度如圖3所示。從結(jié)果可看出，膠凝材料為380kg時，28d抗壓強度滿足C30混凝土力學要求，膠凝材料為350kg時，28d抗壓強度剛剛達到30MPa，然而膠凝材料320kg，28d抗壓強度不達到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。對于56d抗壓強度來說，當膠凝材料從380kg分別降低到350kg、320kg時，抗壓強度從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，混凝土中水化產(chǎn)物減少，從而導致密實度下降的原因。

(2)膠凝材料對抗凍性能的影響

不同膠凝材料混凝土的抗凍性能，試驗結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，混凝土相對動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性降低。

根據(jù)膠凝材料用量對抗壓強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，建議其不低于380kg/m3。

圖3　膠凝材料對抗壓強度的影響Fig.3　Effect of binder content on compressive strength

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

3.3礦物摻合料的影響

(1)礦物摻合料對抗壓強度的影響

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

對比相同粉煤灰摻量不同硅灰摻量的混凝土抗壓強度可看出，硅灰的摻入對于混凝土早期強度的發(fā)展具有顯著地促進作用，對混凝土后期的強度也有一定的提高。在粉煤灰摻量為10%時，硅灰從5%增加到10%時，混凝土56d抗壓強度增加了5%，在粉煤灰摻量為20%時，硅灰從5%增加到10%時，混凝土56d抗壓強度增加了20.9%。這是因為硅灰非常大的比表面積，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度的一個重要的手段。

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

圖5　礦物摻合料對抗壓強度的影響Fig.5　Effect of mineral admixture on compressive strength

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

(2)礦物摻合料對抗凍性能的影響

礦物摻合料對混凝土抗凍性能的影響試驗結(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)后相對動彈性模量為92%，“FA20-SF5”組混凝土抗凍性能最差，150次凍融循環(huán)后相對動彈性模量僅有58%，比不摻礦物摻合料的基準組抗凍性還要差很多。

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

4　結(jié)　論

(1)低溫環(huán)境下混凝土的抗壓強度和抗凍性能均隨著水膠比的增加而降低；混凝土抗壓強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”組混凝土抗壓強度和抗凍性能均最佳；硅灰的摻入對于混凝土早期強度的發(fā)展和抗凍性具有顯著地促進作用；粉煤灰摻量的增加而顯著降低混凝土強度和抗凍性能；

(3)高原凍土地區(qū)C30樁基混凝土配合比設計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%硅灰復摻。

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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.主要從事路橋設計方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0297-05