高速铁路箱梁用高性能混凝土的试验研究.pdf

Industrial Construction Vol. 40， No. 11， 2010工业建筑2010 年第 40 卷第 11 期9 高速铁路箱梁用高性能混凝土的试验研究 * 吴志刚 1 石燕 2 张莉 1 郝挺宇 1 侯学力 1 涂玉波 1 1. 中冶建筑研究总院有限公司， 北京100088;2. 中铁五局集团有限公司， 贵阳 550001 摘要采用 L9 3 4 正交分析表， 选取胶凝材料用量、 粉煤灰掺量、 矿粉掺量和水胶比四个因素， 每个因 素选取三个水平， 分别对铁路箱梁 C50 配合比的 10， 28 d 强度进行了正交分析。结果表明 对于 10 d 强度， 粉 煤灰的影响系数要高于水胶比和胶凝材料用量， 矿粉影响系数最小; 对于 28 d 强度， 影响系数最大的是水胶 比， 其次是胶凝材料用量， 影响系数最小的是矿粉用量。根据正交分析结果并结合实际工程需要， 设计出满 足标准和施工要求的配合比。 关键词正交设计;铁路箱梁; 强度; 水胶比 EXPERIMENTAL RESEARCH ON HIGH PERANCE CONCRETE FOR BOX GIRDERS OF HIGH SPEED RAILWAY Wu Zhigang1Shi Yan2Zhang Li1Hao Tinyu1Hou Xueli1Tu Yubo1 1. Central Research Institute of Building and Construction Co. Ltd，MCC， Beijing 100088， China; 2. China Railway NO. 5 Engineering Group Co. Ltd， Guiyang 550001， China Abstract This paper selects 4 factors mass of binder，proportion of fly ash FA ，proportion of Granulated blast furnace slag SL ， water to binder ratio W /B and 3 levels for each factor，then an orthogonal test table L9 34 is used to respectively analyse the compressive strength of 10 d and 28 d. The results show that the proportion of FA is the first main factor to affect the compression strength of early age 10 dconcrete. The W /B is the second factor. But for 28 d concrete，the W /B is the first main factor and the mass of binder is the second factor. For all of the test ages，the proportion of SL has the least effect on the compressive strength. According to the analysis result and the need of engineering，it has been designed a concrete mix sufficient to meet a standard requirement and construction need. Keywords orthogonal design;railway box girders;strength;water to binder ratio *国家 “863 计划” 资助项目 2008AA030704 。 第一作者 吴志刚， 男， 1981 年出生， 工程师。 E － mail wzg1980 126. com 收稿日期 2010 － 07 － 20 我国正在兴起建造高速铁路的高潮。在以桥代 路的设计理念下， 预应力箱梁在高铁中的应用日渐 广泛。典型的混凝土箱梁长 32 m， 达 900 多吨， 采 用后张法预制生产工艺。预应力张拉一般分三个过 程 ［ 1］ 预张、 初张和终张。终张拉是在梁体混凝土 强度及弹性模量达到设计值且龄期不少于 10 d 方 可进行。由于考虑掺合料对混凝土强度的影响， 粉 煤灰、 矿粉等掺合料过去很少用于配制预制梁混凝 土。随着高性能混凝土技术的发展 ［ 1 － 2］， 掺合料逐 渐用于箱梁配合比设计， 不但能满足张拉条件， 还提 高了混凝土的耐久性。 由于掺合料掺量、 种类、 胶凝材料用量及水胶比 均影响箱梁强度， 为了研究各因素对箱梁强度的影 响， 优化箱梁配合比， 通过试验研究分析了不同因素 对箱梁强度的影响。考虑到粉煤灰主要影响混凝土 早期强度， 分别从 10 d 和 28 d 两个龄期的强度进行 分析。 1试验方案 1. 1原材料 试验 用 江苏 联 合水泥有限公司生 产的 PO 42. 5 水泥。镇江谏壁电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。南 京富布 斯 建 材 有 限 公 司 生 产 的 S95 矿 粉。5 ～ 20 mm连续级配的石灰岩碎石和细度模数在 2. 8 ～ 3. 2 的河砂。江苏博特有限公司生产的 JM － PCA 聚羧酸减水剂。各种原材料性能指标均满足客运 专线高性能混凝土暂行技术条件 标准要求。 10工业建筑2010 年第 40 卷第 11 期 1. 2因素与水平 试验结合经验和施工需要， 选取胶凝材料、 粉煤 灰掺量、 矿粉掺量和水胶比 4 个因素， 每个因素选定 3 个水平， 具体见表 1。 1. 3正交试验设计 试验选用正交表 L9 34 进行分析， 根据表 1 因 素水平， 设计 9 组配合比见表 2。表 2 中外加剂的 用量和砂率根据混凝土状态进行微量调整， 混凝土 成型方式和养护条件均保持一致。 表 1正交试验设计因素水平表 Table 1Factors and levels for orthogonal test design 水平 胶凝材料 / kg m － 3 粉煤灰取 代量 / 矿粉取代 量 / 水胶比 14601000. 28 247015100. 30 348020200. 32 表 2正交试验配合比参数 Table 2Mix parameters for orthogonal test design 序号 胶凝材料 / kg m － 3 粉煤灰 掺量 / 矿粉掺量 / 水胶比 细骨料 / kg m － 3 粗骨料 / kg m － 3 外加剂 / kg m － 3 11 4601 101 01 0. 2867511025. 4 21 4602 152 102 0. 3067710784. 9 31 4603 203 153 0. 3270110604. 7 42 4701 102 103 0. 3271110604. 7 52 4702 153 151 0. 2870111105. 4 62 4703 201 02 0. 3070810994. 9 73 4801 103 152 0. 3069011274. 9 83 4802 151 03 0. 3270110524. 7 93 4803 202 101 0. 2868911185. 4 根据表 2 列出的 9 组配合比进行室内混凝土拌 和试验， 试验时需要测试混凝土的坍落度、 扩展度、 含气量， 并观察记录混凝土的离析泌水情况。由于 此正交设计为了分析各因素的影响系数， 故先成型 10， 28d 抗压强度试件， 以抗压强度作为分析基础。 根据分析结果再进行配合比其他性能试验。 2结果及分析 2. 1试验结果 试验检测结果见表 3。 表 3正交试验检测结果 Table 3The results of orthogonal test 序号坍落度 /mm扩展度 /mm含气量 /10 d 强度 /MPa28 d 强度 /MPa工作性 12104803. 061. 472. 1不离析、 不泌水、 黏度大 22155002. 855. 768. 2不离析、 不泌水 32004802. 550. 364. 9不离析、 不泌水 42004852. 754. 565. 2不离析、 不泌水 52105102. 956. 469. 7不离析、 不泌水、 黏度大 62104852. 852. 263. 8不离析、 不泌水 72054801. 561. 067. 3不离析、 不泌水 82104802. 556. 268. 1不离析、 不泌水 92004802. 857. 871. 3不离析、 不泌水 2. 2结果分析 2. 2. 1基于 10 d 强度的分析 4 个因素不同水平的混凝土配合比 10 d 强度及 分析见表 4。从表 4 不难看出， 对于胶凝材料， k3 k1 k2， 可胶凝材料 480 kg/m3为本组试验中的最 优水平， 同理可得出对于粉煤灰掺量、 矿粉掺量和水 胶比， 其最优水平分别为 10 ， 0 和 0. 28。极差 RB RD RA RC， 也就是说粉煤灰掺量对 10 d 强 度的影响最大， 其次依次是水胶比、 胶凝材料总量和 矿粉掺量。矿粉对 10 d 强度的影响很小， 可忽略不 计。 2. 2. 2基于 28 d 强度的分析 4 个因素不同水平的混凝土配合比 28 d 强度及 高速铁路箱梁用高性能混凝土的试验研究 吴志刚， 等11 分析见表 5。 表 4基于 10 d 强度的分析 Table 4Analysis based on compressive strength of 10 d 序号 胶凝材料 / kg m － 3 A 粉煤灰 掺量 / B 矿粉 掺量 / C 水胶比 D 10 d 强度 / MPa 11 4601 101 01 0. 2861. 4 21 4602 152 102 0. 3055. 7 31 4603 203 153 0. 3250. 3 42 4701 102 103 0. 3254. 5 52 4702 153 151 0. 2856. 4 62 4703 201 02 0. 3052. 2 73 4801 103 152 0. 3061. 0 83 4802 151 03 0. 3256. 2 93 4803 202 101 0. 2857. 8 K1 167. 4176. 9169. 8175. 6 K2 163. 1168. 3168. 0168. 9 K3 175. 0160. 3167. 7161. 0 k1 55. 859. 056. 658. 5 k2 54. 456. 156. 056. 3 k3 58. 353. 455. 953. 7 极差 R4. 0 5. 50. 74. 9 表 5基于 28 d 强度的分析 Table 5Analysis based on compressive strength of 28 d 序号 胶凝材料 / kg m － 3 A 粉煤灰 掺量 / B 矿粉 掺量 / C 水胶比 D 10 d 强度 / MPa 11 4601 101 01 0. 2872. 1 21 4602 152 102 0. 3068. 2 31 4603 203 153 0. 3264. 9 42 4701 102 103 0. 3265. 2 52 4702 153 151 0. 2869. 7 62 4703 201 02 0. 3063. 8 73 4801 103 152 0. 3067. 3 83 4802 151 03 0. 3268. 1 93 4803 202 101 0. 2871. 3 K1 205. 2204. 6204. 0213. 1 K2198. 7206. 0204. 7199. 3 K3206. 7200. 0201. 9198. 2 k1 68. 468. 268. 071. 0 k266. 268. 768. 266. 4 k368. 966. 767. 366. 1 极差 R2. 7 2. 00. 95. 0 从表 5 可以看出， 对于 28 d 强度来说， 4 个影响 因素的最优水平分别是 480 kg/m3， 10 ， 10 和 0. 28。极差 RD RA RB RC， 即水胶比对 28 d 强 度的影响最大， 其次依次是胶凝材料总量、 粉煤灰掺 量和矿粉掺量。矿粉对 28 d 强度的影响很小， 可忽 略不计。 2. 2. 3理论分析 粉煤灰是一种火山灰质材料， 由于粉煤灰是在 高温流态化条件下快速形成， 冷却后大量粉煤灰粒 子仍保持高温液态玻璃相结构， 较为致密， 从而阻碍 了活性 SiO2、 Al2O3的溶出; 而且其结构中高硅、 高 铝、 低钙的硅铝玻璃体网络［ Si， Al O4］ n结构牢 固， 不容易断裂形成［SiO4］、 ［AlO4］ 等单体。因此 使粉煤灰具有低的火山灰活性， 要提高其早期化学 活性， 必须 1破坏表面致密玻璃质外壳， 使内部可 溶性的活性 SiO2、 Al2O3释放出来［ 4 － 5］; 2将网络聚 集体解聚、 瓦解， 使［ SiO4］、 ［ AlO4］ 四面体形成的三 维连续的高聚合度网络解聚成四面体短链， 进一步 解聚成［ SiO4］、 ［AlO4］ 等单体或双聚体等活性物， 为下一步反应生 C2S2H、 C2A2H 等水硬性胶凝物质 提供活化分子。 研究表明 ［ 6 － 9］， 随着混凝土中水泥水化的进行， 胶凝体系内自由水的 PH 值逐渐升高， ［ OH － ］ 增加， 在 OH － 的作用下， 粉煤灰颗粒表面的 Si － O 和 Al － O 键断裂， Si － O － Al 网络聚合体的聚合度降低， 表 面形成游离的不饱和活性键， 容易与 Ca OH 2反应 生成水化硅酸钙和水化硅酸铝等胶凝性产物。而且 OH － 浓度越大， 其对 Si － O 和 Al － O 键的破坏作用 就越强。因此， 对于早期强度 10 d 来说， 粉煤灰只 起填充作用， 实际胶凝材料就是水泥， 用水胶比来计 算用水量， 相当于增大了水灰比， 所以粉煤灰对混凝 土早期强度影响因子大于水胶比。随着水化的进 行， 胶凝体系内 PH 值增加， 粉煤灰二次水化反应开 始进行， 此时粉煤灰除了起填充作用外， 有一部分粉 煤灰参与化学反应， 相当于增加了水泥用量， 所以对 于 28 d 强度来说， 水胶比的影响因子超过了粉煤灰 的影响因子。 2. 2. 4配合比验证与设计 根据正交设计试验结果， 结合工程实际并综合 考虑成本等因素， 选定 A3B1C2D2进行试验验证， 具 体配合比见表 6， 试验结果见表 7。 表 6试验验证配合比 Table 6Mix parameters for verification testing 胶凝材料 / kg m － 3 粉煤灰 掺量 / 矿粉 掺量 / 水胶比 细骨料 / kg m － 3 粗骨料 / kg m － 3 外加剂 / kg m － 3 48010200. 306901 1024. 9 12工业建筑2010 年第 40 卷第 11 期 表 7试验结果 Table 7Test result 坍落度 / mm 扩展度 / mm 含气量 / 工作性 弹性模量 /GPa电通量 /C 抗压强度 /MPa 10 d28 d28 d1 d2 d3 d7 d10 d28 d56 d 2154952. 8不离析、 不泌水、 黏度大45. 449. 376515. 138. 445. 755. 363. 069. 974. 2 从表 6、 表 7 可以看出， 根据正交设计研究结 果， 选择 A3B1C2D2组合设计的配合比各项指标满 足标准要求， 不影响箱梁的预张、 初张和终张， 同时 降低了成本， 提高了混凝土的耐久性。 3结语 1 从影响箱梁强度的因素而言， 水胶比对 28 d 强度的影响最大， 其次依次是胶凝材料总量、 粉煤灰 掺量和矿粉掺量。矿粉对 28 d 强度的影响很小， 可 忽略不计。 2 水胶比在 0. 28 ～ 0. 32、 胶凝材料在 460 ～ 480 kg/m3变化时， 早期强度 10d 受粉煤灰影响较 大; 后期强度 28 d 主要决定于水胶比。 3 双掺粉煤灰和矿粉的高性能混凝土用于箱 梁制作， 各项指标均满足标准要求和工程需要， 经济 合理。 参考文献 ［ 1］ Gunnar MIdorn. 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