随着我国桥梁工程建设进程的加快，对工程适应性以及施工工艺要求的进一步提高，应用于桥梁的混凝土材料受到越来越多的关注。针对一些复杂地质或施工需求的建设项目，混凝土工作性能和耐久性能应具备更高的要求。高性能混凝土因其具有优良的施工 和易性 、高强、高耐久性能，被结构性主体工程广受青睐，因为这能显著提高桥梁结构物在适应恶劣环境方面的能力，从而提高服役寿命，保证结构安全。截至目前，关于大型桥梁工程的混凝土材料的推广和使用关键问题在于如何在保证泵送条件下对高性能混凝土进行配合比设计提高其结构强度和耐久性能。

具有可泵送性要求的高性能混凝土通常被称为高性能泵送混凝土，国内外诸多学者对此开展了研究，通过优选材料以及优化施工机械，减少 水胶比 ，保证施工效率。

罗晓岗以巴中某大桥为例，从长距离泵送的角度分析了薄壁多箱梁混凝土的施工技术研究。为提高混凝土的施工和易性，霍志刚等针对铁路工程中桥梁建设，分析了 聚丙烯纤维 的工作性能优化方法，并优选出适宜的外加剂。马成功等针对普通强度的泵送混凝土易出现泌水、离析等工程问题，采用正交设计法对配合比进行了优化。焦立颖指出除原材料的优化手段外，还应对泵送设备的基本物理参数进行调整，以适用于超高程的混凝土泵送需求。贺海珍从经济和社会效益方面分析了普通泵送混凝土的配合比项目优化技术。延永东等针对机制砂混凝土的泵送需求，引入混合砂的表观密度和骨料修正系数对配合比进行优化设计。 

   

高性能泵送混凝土所需的原材料性质、种类和掺量与实际工程背景密切相关。因此，混凝土配合比的设计和优化应结合具体的工程需求，从而更好地结合施工条件制备出满足经济和耐久性的高性能混凝土。基于重庆渝北高速公路中的大桥工程项目，对工程所需的高性能泵送混凝土的配合比设计方法和优化策略开展研究。

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工程概况    

     

项目隶属于重庆渝武高速公路主线长度6.075km，采用双向六车道，设计速度100km/h。主线路基5段（2088m）；桥梁4座（1243m），隧道1座（2744m）；互通式立交1座（澄江互通），停车区2处，澄江支线2.705km；主线桥隧比65.6%，概算金额14.8亿元。其中，该路线内包含主线桥4座，匝道桥3座，天桥2座，草街 嘉陵江特大桥 1座（澄江支线）。

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原材料与配合比设计方法    

     

根据工程需要，对本项目中主线大桥的预应力混凝土箱梁采用C50高性能混凝进行分析，结合重庆渝武高速公路的工程建设特点以及周边的材料供应能力，充分考虑到原材料的技术条件、高性能混凝土配合比设计和优化设计，对原材料的组成进行优选，并对原材料性能指标进行测试。   

此外，对配制的高性能混凝土的工作性能、力学性能进行测试，基于此得出基准配合比，在此基础上，对其耐久性能进行试验，以确定最佳的配合比设计参数，以保证所选的高性能混凝土除了具有优异的力学强度外，还具有优良的工作性能和耐久性能，以满足大桥工程用的泵送需求和长期服役需求。

2.1原材料选定与技术特性

根据相应的原材料标准，以及高性能混凝土的相关工程试验经验，对原材料的种类进行优选。随后，根据高性能混凝土的相关试验及检测规程，对各种原材料的性能指标进行测试，确保各项指标均满足技术要去，从而保证配合比设计的基本需求，见表1。

依据国标GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》评定了水泥的物理、力学和化学性能，且检测结果表明各项性能均满足P·O42.5的技术标准。细集料选用细度模数为2.3~3.0的机制砂，泥块含量不大于1.0%，石粉含量小于5%。粗骨料选用5～25mm的级配碎石，采用JTG/T3650-2020测试，含泥量不大于1%，针片含量小于10%，泥块含量小于0.2%，符合级配要求。

粉煤灰选用F类I级的粉煤灰，采用GB1596-2017《 用于水泥和混凝土中的粉煤灰 》对其性能进行测试，细度为11.4%，需水量比93%，烧失量小于5%，含水率小于1%，安定性合格。外加剂采用缓凝型聚羧酸高性能减水剂TL-AH-1，初凝时间差为125min，7d抗压强度比为165%，减水率为28%。 

2.2高性能泵送混凝土配合比设计原理

由于泵送混凝土属于大流动性混凝土，在配合比设计时需考虑混凝土可泵性的要求，即要求拌合物具有较好的流动性、粘聚性和保水特性。通常情况下，大桥用泵送混凝土应严格控制原材料组成和用量，尤其应限制水胶比和外加剂的用量。在满足规范要求和工作性能要求时，尽可能使其用量最低。而水泥用量应控制在合理的范围内。此外，为保证泵送混凝土的高性能特性，建议掺加活性矿物掺合料，以取代部分水泥以改善高性能混凝土的施工和易性和耐久性，但替代量也应控制在合理范围内。因为适当的含水率能够提高混凝土的流动性，但是过高的含水量会削减混凝土的强度，同时增加收缩量，如此将不能保证其基本的技术要求和耐久性功能。而减水剂的存在能够降低用水量，从而获得性能较高的混凝土。

因此，对于具有泵送要求的混凝土而言，在配合比设计初期，应考虑泵送的基本要求，尤其是泵送高度，因为混凝土入泵坍落度与泵送高度具有显著的相关性，此时应与工程背景紧密结合。

2.3配合比流程

由于大桥用高性能泵送混凝土的物理力学性能要求较普通混凝土更高，因此配合比设计流程应考虑更多因素，其复杂程度亦更高。

首先应根据项目的大桥结构设计要求，确定混凝土的强度等级，并以此确定混凝土的制备强度。然后，通过原材料试验，尤其是在初始配合比设计之前，开展水泥与外加剂的适应性试验，以确保原材料的适用性。随后，进行一系列的影响因素试验及分析，包括水灰比和砂率的确定，单位体积用水量确定、水泥用量及掺和料用量的确定，以及聚羧酸类减水剂的掺量确定。其中，掺和料的用量可通过等效取代系数方法确定。通过计算获得初始配合比后，在室内测定水泥混凝土拌合物的基本性能，通过施工和易性的要求，结合基本的力学性能指标对配合比进行适当调整，以获得最佳配合比范围。此后，通过耐久性试验，进一步对最配合比范围进行优选。

    

由于在施工现场，砂石含水率的存在，需要结合施工情况对配合比进行微调，使其与实验的原材料配比相符合。高性能混凝土配合比设计工作流程：原材料优选与性能测试→水泥与外加剂适应性测试→理论配合比计算（泵送需求，设计强度）→原材料组分试验及性能分析（水灰比，砂率，粉煤灰掺量，外加剂掺量）→计算初始配合比→确定基准配合比候选集→最佳配合比混凝土耐久性能试验→推荐最佳配合比。

2.4大桥用C50混凝土配合比设计

本工程项目要求混凝土设计强度等级为C50，坍落度为200～220mm，该配合比用于塔柱、塔顶装饰块、桥面板、塔座等部位。粗骨料最大粒径应结合混凝土结构情况及施工方法选取，根据《公路桥涵施工技术规范》及设计图纸选取最大粒径26.5mm。

试验条件：温度（20±5）℃，相对湿度≥50%，机械搅拌，人工插捣密实，标准养护。因此，高性能混凝土设计的需结合工程要求的设计强度，以及强度保证系数，标准差及流动性要求，结合原材料的性质，如水泥种类，砂石细度模数等，设计步骤如下。  

2.4.1计算配制强度（fcu,0）

依据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，取σ=6.0MPa，fcu,0≥fcu,k=59.9MPa。

2.4.2水胶比

粉煤灰掺量取5%，则rf取1.0，fb=rf·fce=49.3MPa，W/B=αafb/（fcu，0+αa·αb·fb）=0.40。

该配合比所处环境为潮湿地区，根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》、JTG/T3650-2011《公路桥梁施工技术规范的规定》及设计图纸的相关规定，大桥上部构造所处环境条件为温暖或寒冷地区的大气环境、与无侵蚀性的水或土接触的环境，按Ⅰ-B类环境设计，按照强度计算的水胶比结果不满足耐久性要求，为保证混凝土拌合物的和易性、粘聚性良好，故取水胶比W/B=0.31。

2.4.3单位用水量及外加剂用量

依据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，根据坍落度为200～220mm和碎石最大粒径为25mm时，根据表格选取用水量为238kg/m3；外加剂通过试验确定减水率为28%，初步选定外加剂掺量为1.2%；计算用水量为mwo=158kg/m3。

2.4.4计算胶凝材料用量

已知W/B＝0.31，单位用水量mwo=158kg/m3，求得mb0=510kg/m3，计算粉煤灰用量（5%）为25kg/m3，mc0=485kg/m3；外加剂用量：通过试验确定掺量为1.2%，用量为ma0=6.12kg/m3。 

2.4.5确定砂率

为保证混凝土拌合物的和易性，依据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，按表格选择砂率βs=39%。

2.4.6确定砂石集料用量

假定拌合物质量mcp=2450kg/m3，mb0+mgo+ms0+mwo=mcp，βs=39%，ms0s=695kg/m3，mg0=1087kg/m3。

2.4.7确定基准配合比

综上，计算基准配合比为：水泥:粉煤灰:水:砂:碎石:减水剂＝485:25:158:695:1087:612。

2.5正交试验设计

为进一步考虑不同混凝土原材料组分及配比对其性能的影响，对涉及的关键影响材料参数进行了调整，主要考虑的因素包括水胶比、胶凝材料组分、砂率及聚羧酸减水剂掺量。结合高性能凝土对水胶比要求，水泥用量的最大和最小限定，以及高性能混凝土的泵送要求和流动度损失和强度要求，对每个因素的梯度进行了界定，见表2。根据正交设计法，基于所界定的梯度，设计了9种混凝土的配合比。

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试验结果及分析    

     

3.1高性能混凝土配合比初定

对考虑的不同水平下的因素进行正交试验设计，开展试验并对7d抗压强度（R7）和28d抗压强度（R28）和坍落度进行测试，结果见表3。结果表明，随着粉煤灰掺量的增加，7d的抗压强度会略微减少，但28d的抗压强度并未出现显著差异。表明粉煤灰掺入尽管会降低混凝土的早期强度，但是对后期强度的影响不大，在一定程度上还能提升。随着水胶比的增加，坍落度总体情况是呈现增加的趋势；而砂率和减水剂的掺量对其工作性能和力学性能影响较小。

通过对比水胶比、水泥用量和粉煤灰掺量等因素对混凝土力学强度和工作性能的影响关系，结合工程背景以及工程造价等因素，混凝土的基准配合比推荐采用试验编号1、5和8。具体见表4。

3.2高性能混凝土耐久性能及配合比优化

在高性能混凝土配合比设计时，首先依据初始计算的基准配合比，针对不同的砂率、不同的水胶比和粉煤灰掺量进行了室内试验，对不同原材料调整下的混凝土拌合物的耐久性进行了综合的测试和比较。 

3.2.1氯离子和碱含量

对于桥梁工程中的水工混凝土构造物而言，结构物本身的氯离子含量对其耐久性能具有影响。因此，为对比不同基准配合比的耐久性能，分别计算相应的氯离子含量、碱含量。各原材料中氯离子与碱含量见表5，3种基准配合比下的氯离子和碱含量计算结果如图1所示。

编号1的基准配合比中，其水泥用量更多导致产生的总氯离子重量和碱重量最高，但对于单位立方米的混凝土而言，其氯离子含量和碱含量是最小的。其中编号1和编号5的氯离子含量几乎一致，但编号5的碱含量更高，而编号8配合比产生的氯离子含量和碱含量最高。但总体上，每立方米混凝土中总氯离子含量符合规范JTG/T3650-2020要求。

3.2.2抗氯离子渗透性

由于大桥工程特殊的服役环境，与常规用途的高性能混凝土的服役环境相比，其要求服役的混凝土具有更强的抗氯离子侵蚀性能。为此，采用欧盟的快速氯离子迁移法（RCM）测试了不同基准配合比的氯离子扩散系数，结果如图2所示。   

结果表明，水泥用量为547kg/m3的基准配比（编号1）的氯离子扩散系数最大为4.88，随着水泥用量的降低，编号5配合比的氯离子扩散系数显著降低，表明水泥用量过大并不能起到充分填充孔隙从而提高密实性的目的。

另外，还可以看出粉煤灰的增加，而已显著增加混凝土的密实性，从而降低了氯离子的渗透性。总体上，就抗氯离子的渗透性而言，编号5的基准配合比效果更佳。

3.2.3干缩性能

与常规混凝土不同，桥梁混凝土长期经受了环境温度的交替变化将发生显著的收缩；与路面的混凝土也不同，此类混凝土的外部结构全部暴露在外界空气中，其内外温度和湿度变化将导致其内部易产生宏观体积变形。

因此，耐久性评估还应包括干缩性能。根据相应的规范要求，制作100mm×100mm×515mm试件，在规范条件下进行养生、脱模，在第3d后采用干缩仪对其不同龄期下干缩率进行测试，结果如图3所示。 

结果表明，水泥用量大的基准配合比几乎在各龄期都高于其余两种配比，尤其是在强度形成前期的阶段，1d的干缩率为50.96×10-6，而在60d达到356.9×10-6。表明随着水泥用量的增加，混凝土的干缩率也逐渐增加。相比之下，编号5的配合比无论在各个阶段都处于最低的干缩率状态，表明适当增加粉煤灰的用量有利于改善混凝土的体积稳定性。

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结论    

     

以重庆渝北高速公路为例，对工程项目涉及的大桥工程高性能泵送混凝土进行了配合比设计优化研究，以工作性能为基础指标确定了高性能混凝土的配合比设计的参数范围，以抗压强度为设计指标，确定了C50的配合比设计方法。

基于工作性能和强度特征初步拟定了3种可行的配合比设计方案，计算了不同基准配合比的氯离子和碱含量，并基于抗氯离子渗透性和干缩性能推荐了最佳的配合比设计参数。高性能泵送混凝土的配合比设计结果表明，配合比设计的前提应首先从工程背景出发，结合大桥混凝土的泵送高度确定混凝土拌合物的坍落度范围，以确保具有可靠的泵送条件；其次，按照可靠性和变异性要素确定设计强度，并通过力学强度和耐久性能确定最佳配合比。 

   

试验结果表明，在一定条件下，水泥用量大的配合比方案可能未必利于增加混凝土拌合物的密实性，而且将增加混凝土的干缩率，而适当掺量的粉煤灰有利于降低混凝土的抗氯离子侵蚀特性，同时还能提高混凝土体积稳定性和工作性能。

本次研究可以为桥梁工程中具有特定泵送要求的混凝土配合比设计、优化、生产和实践应用提供参考，具有一定的工程价值。随着我国桥梁工程进一步发展，高性能泵送混凝土要求逐渐增加，合理的配合比设计方法和优化技术能够提高桥梁混凝土结构物的安全性和耐久性。  

  来源：北京昌平