抗凍融耐久性混凝土配合比研究

王會杰 張博 李威

摘 要：在對混凝土的凍融破壞原理與因素的認識的基礎上，通過改進原料配合比來增強混凝土的密實性、抗裂性，以提高其在凍融環境下的耐久性能。

關鍵詞：抗凍融；耐久性；配合比

中圖分類號：TU37文獻標識碼： A

我公司正在進軍鐵路支柱產品，鐵路支柱產品橫穿神州大地，從南方到北方，氣候、環境差別非常大。所以配制抗凍融耐久性混凝土就是目前面臨的重要工作。

1 抗凍融原理

在混凝土凍融破壞的各種分析原理中，公認程度較高的是由美國學者提出的膨脹壓和滲透壓的理論，即吸水飽和的混凝土在其凍融的過程中，遭受的破壞應力主要由兩部分組成：一是混凝土毛細孔中的水在負溫下由水轉變成冰，體積膨脹，但由于受到毛細孔壁約束，因而在孔周圍的微觀結構中產生拉應力；二是當毛細孔水結成冰時，由于表面張力的作用，混凝土毛細孔隙中水的冰點隨著孔徑的減小而降低。凝膠孔水形成冰核的溫度在－78℃以下，因而，由冰與過冷水的飽和蒸汽壓差和過冷水之間的鹽分濃度差引起水分遷移而形成滲透壓。當混凝土受凍時，這兩種壓力會損壞混凝土的內部微觀結構，當經過多次反復的凍融循環以后，損壞逐步積累不斷擴大，最終發展成互相連通的裂縫，使混凝土的強度逐步降低，直至完全喪失。因此，飽水狀態是混凝土發生凍融破壞的必要條件。

2 抗凍融的影響因素 影響混凝土凍融破壞的因素是多方面的。

2.1水灰比

水灰比越大，混凝土中游離狀態的水含量就越多，混凝土的結冰速度就越快；氣泡結構越差，平均氣泡間距越大；混凝土強度越低，抵抗凍融的能力越差。

2.2含氣量

非引氣劑外加劑引入的氣泡大小、分布都不均勻，也不穩定，對混凝土的性能不會產生積極影響。引氣劑引入的氣泡是穩定的、細小的、均勻分布的，混凝土的抗凍性就會提高。在一定范圍內，含氣量越多，混凝土的抗凍性越好。

2.3水泥的品種

混凝土的抗凍性隨水泥活性增高而提高。另外堿含量應≤0.6%，以提高其抗凍性。

2.4骨料質量

混凝土骨料對混凝土抗凍性影響主要體現在骨料吸水率、骨料本身的抗凍性、骨料的含泥量。吸水率大的骨料對抗凍不利。含泥量大的骨料其混凝土強度、抗凍性都會降低。另外控制堿含量是預防堿集料反應，提高抗凍性的有效措施。

2.5外加劑及摻合料

礦渣粉、粉煤灰、高效減水劑、引氣劑及引氣減水劑等外加劑均能提高混凝土的抗凍性。礦渣粉能夠減少水泥和混凝土的用水量， 引氣劑能增加混凝土的含氣量，并使氣泡均勻，而這些氣泡可以切斷部分毛細管通路，使混凝土結冰時產生的膨脹壓力得到緩解。因而，不僅使混凝土不會遭到破壞，還能起到緩沖減壓的作用。再加上氣泡可以阻斷混凝土內部毛細管與外界的通路，使外界水分不易浸入，減少了混凝土的滲透性，同時 還能起到潤滑作用， 改善混凝土的和易性；而減水劑則能降低混凝土的水灰比，從而減少孔隙率，最終都能提高混凝土的抗凍性。

3 設計要求

3.1 混凝土設計使用年限不低于60年。

3.2 混凝土設計強度C60，坍落度40±10mm。

3.3 混凝土膠凝材料不小于500kg/m3?！猅B 10005-2010 表5.2.1

3.4 處于凍融破壞環境時，粉煤灰的摻量應≤30%，磨細礦渣粉的摻量≤40%。

—TB 10005-2010 表5.2.2

3.5混凝土抗凍融環境D1級，抗凍融循環次數為， ≥F300次。

3.6 混凝土含氣量最低限值要求凍融破壞環境D1 級 ，含氣量≥4.0

3.7 不同強度等級混凝土的電通量要求（C）。 混凝土強度等級≥C50，電通量 ＜1000C。

3.8 抗凍融混凝土堿含量，干燥環境≤3.5。

4原材料實測值

4.1 水泥采用鶴壁同力42.5級，普通硅酸鹽水泥。技術指標見表1。

表1水泥實測數據

執行標準 強度等級 抗壓強度（Mpa） 抗折強度（Mpa） 細度(%)

3d 28d 3d 28d

GB175-2007 42.5 19.5 49.8 3.95 7.35 0.6

4.2 細骨料采用信陽明港，中砂，具體指標見表2。

執行標準 規格 細度模數 含泥量（%） 壓碎指標（%） 堆積密度 （kg/m3）

GB/T14684-2011 中砂 2.94 1.9 19 1620

表2 細骨料實測數據

4.3 粗骨料采用確山馬溝5-20連續級配碎石，具體指標見表3。

表3 粗骨料實測數據

執行標準 規格 針片狀含量

（%） 含泥量（%） 壓碎指標（%）

GB/T14685-2011 5-20 0 0.1 6.65

4.4 混凝土外加劑采用山西黃騰聚羧酸減水劑，減水率為30 %,3d抗壓強度比176%（≥130%），28天抗壓強度比151%（≥140%）。

4.5 引氣劑采用北京慕湖混凝土引氣劑（粉劑）。引氣劑摻量為減水劑的1.0%。

4.6 礦物摻合料采用北京慕湖S105級磨細礦渣和一級粉煤灰。礦渣粉28天活性指標為：98%，粉煤灰28天活性指標為：80.6%。

5 配合比計算

5.1 確定混凝土試配強度：

—JGJ/T 281-2012 (6.0.2)

5.2 確定單方混凝土膠凝材料用量

5.2.1膠凝材料最大用量為500 kg，取單方膠凝材料490 kg，粉煤灰≤30%，磨細礦渣粉摻量≤40%（TB/T3275-2011）。根據經驗值取礦物摻合物的總量為14%，

=69 kg

取粉煤灰為40 kg，礦渣為30 kg

5.2.2 確定單方混凝土水泥用量（mc0）：

490-70=420kg/m3

5.3確定單方混凝土用水量，及水膠比

5.3.1確定用水量

表4混凝土用水量 —JGJ 55-2011表5.2.1-2

拌合物稠度 碎石最大粒徑

項目 指標 16 20 31.5 40

坍落度

（mm） 10-30 200 185 175 165

35-50 210 195 185 175

55-70 220 205 195 185

按照我公司規定的C60混凝土坍落度40±10mm，碎石最大粒徑20mm；單方用水量m＇w0為195 kg。減劑減水率為30%，則

mw0 = m＇w0(1-β)=195×（1-0.3）=137 kg

mw0——計算配合比每立方米混凝土的用水量

m＇w0——未摻外加劑時推定的滿足實際坍落度要求的每立方米混凝土用水量kg/m3。

β——外加劑的減水率

5.3.2確定水膠比

W/B=137/490= 0.28

5.4 確定單方混凝土粗細骨料用量

5.4.1質量法：—JGJ 55-2011式5.5.1-1/2

×100%

根據表5和經驗值選取砂率為35%，根據經驗假定mcp為2500kg/m3

通過上式得出： =1873kg/m3

=656kg/m3

=1217kg/m3

表5砂率選取參數—TB/T3275-2011

骨料最大粒徑mm 水膠比

0.30 0.40 0.50 0.60

10 38%～42% 40%～44% 42%～46% 46%～50%

20 34%～38% 36%～40% 38%～42% 43%～46%

40 — 34%～38% 36%～40% 40%～44%

砂的細度模數每增減0.1，砂率相應增減0.5%～1.0%。

5.5確定外加劑

減水劑根據經驗及廠家推薦摻量為膠凝材料的0.7%，采用后摻法。引氣劑摻量為減水劑的1.0%。

5.6 計算配合比

單方膠凝材料用量490kg。

比例為：420：656：1217：137：40:30：0.7%:0.007%

1：1.56：2.90：0.33：0.095：0.071：0.7%:0.007%，水膠比為：0.28。

5.7 砂率分別減少和增加1%配合比

5.7.1當砂率為34%時各材料用量為：

比例為：420：637：1236：137：40:30：0.7%：0.007%

1: 1.52：2.94：0.33：0.095：0.071：0.7%：0.007%，水膠比為：0.28。

5.7.2 當砂率為36%時各種材料用量為：

比例為：420：674：1199：137：40:30：0.7%：0.007%

1：1.48:2.53:0.294:0.075:0.7%：0.007%，水膠比為：0.28。

砂率 3天抗壓 28天抗壓 56天抗凍融 56天電通量 坍落度mm

35% 43.7 67.2 280 982 85

36% 45.2 62.5 270 975 97

34% 46.6 75.2 300 952 49

5.7.3三種配比實測情況如表6，圖

表6三種配比實測情況

圖1 強度抗凍融曲線圖

圖2 工作性圓柱圖

從表6及圖1圖2可以看出砂率為34%抗凍融混凝土的配合比的工作性，抗凍性，抗壓強度都較高。

6 結束語

6.1在混凝土的基本組成材料中，水泥是重要的膠凝材料，但是單方水泥用量超過500kg時，由于水泥硬化過程中水化熱過高，混凝土會產生裂紋，降低其抗壓抗凍性，因此， 用一些具有活性的摻合料，如礦渣粉來替代一部分水泥，正在被廣泛地應用。

6.2使用減水劑可以大幅度降低混凝土的水灰比（水膠比）， 提高混凝土的強度和致密性，使混凝土抵抗凍融破壞的能力提高，從而提高混凝土的抗凍耐久性。

6.3摻用引氣劑，使混凝土達到足夠的含氣量要求， 可改善混凝土的孔結構性質，并明顯改善混凝土的抗凍耐久性。

6.4骨料的壓碎指標，含泥量，堿含量是重點控制的對象，這些含 量的增加都會降低混凝土的抗凍性。

6.5抗凍融耐久性混凝土除了正確進行配合比設計、合理選用原材料，還要嚴格按施工規范技術要求施工，加強蒸汽低溫養護。所以，在施工中要落實配合比的應用，加強控制，使此配合比能夠更好地應用在實際工程中。

參考文獻：

［1］朱清江，《高性能混凝土研制及應用》，中國建材出版社

[2] TB/T3275-2011 《鐵路混凝土》，中國鐵道出版社出版發行

[3] TB10005-2010 《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》，中國鐵道出版社出版發行

[4] 馬清浩，《混凝土外加劑及建筑防水材料》，中國建材工業出版社

[5] JGJ/T281-2012《高強混凝土應用技術規程》

[6]JGJ5－2000普通混凝土配合比設計規程［S］.北京：中國建 筑工業出版社

作者簡介：

1王會杰，河南鼎力桿塔股份有限公司，建材工程師，工業與民用建筑專業

2 張博，河南鼎力桿塔股份有限公司，助理工程師，工業與民用建筑專業

3 李威 ， 河南鼎力桿塔股份有限公司，技術員