高寒高海拔地区高强混凝土配合比设计研究

第１８卷第５期２０２０年１０月
水利与建筑工程学报
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．１８Ｎｏ．５
Ｏｃｔ．，２０２０
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－１１４４．２０２０．０５．０２７
收稿日期：２０２０ ０５ １８ 修稿日期：２０２０ ０６ １４基金项目：陕西省重点研发计划（２０１８ＳＦ－３９１）；陕西省住房和城乡建设厅科技计划（２０１７－Ｋ５５）；西安市科技局高校人才服务企业项目
（２０１９２１７２１４ＧＸＲＣ００８ＣＧ００９－ＧＸＹＤ８．２）
作者简介：吴　勇（１９７４—），男，陕西汉中人，工程师，主要从事路桥施工技术工作。

Ｅ ｍａｉｌ：ｘｙ１９３６１＠１６３．ｃｏｍ
高寒高海拔地区高强混凝土配合比设计研究
吴　勇１，毛宝地１，梁凯轩２，鲁党斌１，屈有辉１，李　闯１，张西宁１
（１．中国水电建设集团十五工程局有限公司路桥工程公司，陕西西安７１００００；
２．西安工业大学建筑工程学院，陕西西安７１００２１）
摘　要：为了解决高寒高海拔地区高强混凝土工作性差及强度不足的问题，分别在平原地区和高寒高海拔地区以相同的原材料和配合比制作了高强混凝土试件，并对其工作性、抗压强度、动弹性模量、超声波波速、抗折强度进行对比分析，试验结果表明随着海拔高度的增加混凝土和易性、力学性质和耐久性能全面下降。

为改善高寒高海拔地区高强混凝土的各项性能，通过掺入减水剂和掺入引气剂并降低水灰比两种方案优化配合比。

结果表明：两种优化方案混凝土力学性能均满足规范要求，但后者混凝土试件更密实、抵抗冻胀能力更强，抗冻耐久性更好。

因此，建议在高海拔高寒地区采用降低水胶比同时掺加引气剂的配合比方案。

关键词：高寒高海拔地区；混凝土；配合比；减水剂；引气剂中图分类号：ＴＵ５２８．３１ 文献标识码：Ａ
文章编号：１６７２—１１４４（２０２０）０５—０１５６—０４
Ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈＣｏｎｃｒｅｔｅＭｉｘＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ
ｉｎＣｏｌｄａｎｄＨｉｇｈＡｌｔｉｔｕｄｅＡｒｅａ
ＷＵＹｏｎｇ１，ＭＡＯＢａｏｄｉ１，ＬＩＡＮＧＫａｉｘｕａｎ２，ＬＵＤａｎｇｂｉｎ１，ＱＵＹｏｕｈｕｉ１，ＬＩＣｈｕａｎｇ１，ＺＨＡＮＧＸｉｎｉｎｇ
１
（１．Ｓｉｎｏｈｙｄｒｏ１５ｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｕｒｅａｕＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ７１００００，Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｐｏｏｒｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙａｎｄｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｈｉｇｈ ａｌｔｉｔｕｄｅａｎｄｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎｓ，ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗｅｒｅｍａｄｅｗｉｔｈｔｈｅｓａｍｅｒａｗｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｉｘｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｐｌａｉｎａｒｅａａｎｄｈｉｇｈ ａｌｔｉｔｕｄｅａｎｄｃｏｌｄａｒｅａ，ａｎｄｔｈｅｉｒｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｄｙｎａｍｉｃｅｌａｓｔｉｃｍｏｄｕｌｕｓ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｆｌｅｘｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｗｏｒｋａｂｉｌｉｔｙ，ｍｅ ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｄｅｃｒｅａｓｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆａｌｔｉｔｕｄｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅｉｎｈｉｇｈａｌｔｉｔｕｄｅａｎｄｃｏｌｄａｒｅａ，ｔｈｅｍｉｘｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｗａｔｅｒｒｅｄｕｃｉｎｇａｇｅｎｔａｎｄａｉｒｅｎｔｒａｉｎｉｎｇａｇｅｎｔａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｗａｔｅｒｃｅｍｅｎｔｒａｔｉｏ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｎ ｃｒｅｔｅｉｎｔｈｅｔｗｏｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｂｕｔｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｏｆｔｈｅｌａｔｔｅｒａｒｅｄｅｎｓｅｒ，ｔｈｅｆｒｏｓｔｈｅａｖｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓｓｔｒｏｎｇｅｒ，ａｎｄｔｈｅｆｒｏｓｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｉｓｂｅｔｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｗａｔｅｒｂｉｎｄｅｒｒａｔｉｏａｎｄａｄｄａｉｒｅｎｔｒａｉｎｉｎｇａｇｅｎｔａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ａｌｔｉｔｕｄｅａｎｄｃｏｌｄｒｅｇｉｏｎｓ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｉｘｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ；ａｄｍｉｘｔｕｒｅ；ｗａｔｅｒｒｅｄｕｃｉｎｇａｇｅｎｔ；ａｉｒ
ｅｎｔｒａｉｎｉｎｇａｇｅｎｔ
随着我国西部大开发战略的不断推进，西部地区基础设施建设不断加速。

很多工程需要在青藏高原建设，由于普遍海拔较高，导致气压较低、紫外线
强日照时间长、气温较低且昼夜温差较大。

这种高海拔高寒地区的极端环境条件对混凝土的各项性能提出了更高的要求，特别是高强混凝土的耐久性。

配合比的设计是影响混凝土性能最重要的因素之一，在相同原材料的情况下，调整配合比可有效改善混凝土和易性、物理力学性质和耐久性，因此研究高寒高海拔地区高强混凝土的配合比设计对保障混凝土性能有重要意义。

目前已有国内外学者对高寒高海拔地区环境对混凝土性能的影响做出了相关研究。

高海拔地区气压较低，使混凝土拌和时气泡稳定性差，气泡间距系数增大，因此混凝土含气量下降，致使和易性变差［１－４］。

由于高寒高海拔地区相对湿度小、昼夜温差大，对高强混凝土的养护有不利影响，使混凝土的抗压强度、劈裂强度下降，对２８ｄ及其以上龄期的混凝土影响更为显著，同时，混凝土的耐久性也显著降低［５－７］。

而混凝土在早期长时间处于高寒高海拔地区的环境中，使其在凝结硬化之前受到多次冻融，导致混凝土气孔结构劣化，产生内部缺陷，也将造成混凝土强度及耐久性下降［８－１０］。

在混凝土服役过程中，因较大的昼夜温差引起的冻融循环破坏［１１－１３］，使混凝土结构产生裂缝，使混凝土耐久性下降，最终导致混凝土结构破坏。

同时，由于气温低，冰雪天气较多，高寒高海拔地区冬季会在交通路桥面上使用除冰盐，致使混凝土极易遭受氯离子侵蚀，加剧混凝土结构的破坏［１４－１６］。

高寒高海拔地区环境严重影响着混凝土的力学性能及耐久性能，而配合比的设计及优化可以从根本上改善混凝土的各项性能，以保证结构的正常使用。

本文依托某高寒高海拔山区高速公路建设项目，对箱梁使用的Ｃ５０混凝土配合比进行研究。

采用室内试验分析海拔高度对混凝土的性能的影响，并通过掺入外加剂、调整水胶比等方式，优化配合比设计，改善混凝土的性能，以满足施工要求。

１　高寒高海拔地区高强混凝土初步配合比设计
１．１　原材料选取
高强混凝土是指用常规的水泥、砂、碎石为原材料，使用一般的制作工艺，主要依靠高效减水剂或同时掺一定数量的矿物材料，使新拌混凝土具有良好的工作性能，硬化后具有高强性能的水泥混凝土。

这种混凝土具有高强度、高耐久性、良好的工作性能以及适应性，在高等级公路建设中有着广泛的应用。

本项目箱梁使用Ｃ５０高强混凝土，原材料均就近取材，水泥采用常规Ｐ．Ｏ５２．５硅酸盐水泥；粗集料采用矿山碎石，粒径为５ｍｍ～２０ｍｍ，级配良好，含石粉率为０．７４％；细集料采用河砂，为中粗砂，含泥量为５．９４％。

１．２　初步配合比设计
根据《普通混凝土配合比设计规程》［１７］（ＪＧＪ５５—２０００）得到Ｃ５０混凝土配制强度为５９．８７ＭＰａ，进而确定水胶比为０．３６，再选取每立方米混凝土的用水量和水泥用量，确定砂率，计算粗集料和细集料的用量，得到初步配合比见表１。

表１　Ｃ５０混凝土初步配合比
材料水泥碎石砂子水砂率水胶比
用量／（ｋｇ·ｍ－３）４５８１０４６６３７１６５０．３８０．３６
１．３　高强混凝土性能测试
采用相同的配合比、相同的原材料分别在海拔４００ｍ的西安和海拔２８００ｍ项目所在地甘肃省夏河县（青藏高原边缘）制作试件，编号分别为Ｃ－１、Ｃ－２、Ｃ－３、Ｃ－４、Ｃ－５、Ｃ－６和Ｇ－１、Ｇ－２、Ｇ－３、Ｇ－４、Ｇ－５、Ｇ－６。

混凝土拌和后先测得坍落度和含气量，其中Ｃ组混凝土坍落度为３４ｍｍ，含气量为１．１％；Ｇ组混凝土坍落度为２０ｍｍ，含气量为０．８％。

混凝土试件蒸汽养护２４ｈ后脱模，持续蒸汽养护，并测得７ｄ、１４ｄ的抗压强度；龄期达到２８ｄ时，测试抗压强度、动弹性模量、纵波波速、抗折强度等，试验结果见表２。

表２　初步配合比混凝土性能
试件
编号
抗压强度／ＭＰａ
７ｄ１４ｄ２８ｄ
动弹性
模量
／ＧＰａ
横向
基频
／Ｈｚ
纵波
波速
／（ｋｍ·ｓ－１）
抗折
强度
／ＭＰａＣ－１４５．９５１．３５５．２５２．２２２４７６５．２８９９．３２Ｃ－２４６．４５０．１５３．９５１．４１２４５２５．１２１７．８６Ｃ－３４９．０５２．２５６．４５５．４４２５５１５．３８６８．０５Ｃ－４４６．６５０．５５４．１５１．０７２４５３４．９７７７．７５Ｃ－５４７．３５１．０５６．３５４．９１２５４９５．１８９７．９８Ｃ－６４６．８５１．９５５．８５２．５６２４７５５．１００７．７９Ｇ－１４３．１４５．９４９．２３７．２０２１６９４．２６５７．３２Ｇ－２４１．２４６．５５１．２４８．８６２４０３４．６３６９．２６Ｇ－３４３．９４７．６４８．５４８．９３２４１６４．６５４８．３０Ｇ－４４３．０４７．５５０．５４９．１２２４３３４．８００７．６４Ｇ－５４２．４４５．８４８．１４７．４６２３６４４．５１７７．３７Ｇ－６４１．９４６．２４９．４４６．７２２３８６４．７１１７．６６ 由试验结果可以得出：
（１）在低海拔区西安拌和的Ｃ组混凝土坍落度较大，含气量适中，和易性、耐久性较高；而高海拔区拌和的Ｇ组混凝土坍落度和含气量明显下降，导
７
５
１
第５期 吴　勇，等：高寒高海拔地区高强混凝土配合比设计研究
致混凝土和易性和耐久性下降。

（２）在低海拔区西安制作的Ｃ组混凝土试件抗压强度平均值５５．３ＭＰａ，抗折强度平均值为８．１ＭＰａ，动弹性模量平均值为５２．９３ＧＰａ，均满足Ｃ５０混凝土的规范值。

而在高海拔区海拔２８００ｍ的项目所在地制作的Ｇ组混凝土试件抗压强度平均值仅为４９．５ＭＰａ，下降了１０．４９％；动弹性模量平均值为４６．３８ＧＰａ，降低了１２．３７％。

（３）在低海拔区西安制作的Ｃ组混凝土试件纵波波速平均值为５
．１７７ｋｍ／ｓ，混凝土较密实；而高海拔项目所在地制作的Ｇ组混凝土试件纵波平均波速为４．５９７ｋｍ／ｓ。

综上可得，随着海拔高度的增加，混凝土坍落度、含气量、抗压强度和纵波波速均明显下降，使得混凝土和易性、力学性质和耐久性能全面下降，甚至在项目所在地，海拔２８００ｍ处，混凝土强度已经不能满足使用要求。

可见随着海拔高度的增加，大气压逐渐降低，加之气候变得寒冷干燥，使得混凝土水化反应变慢，甚至不能完全反应，导致混凝土密实度和力学性质下降；同时，通过ＣＴ和核磁共振扫描发现高寒高海拔地区混凝土内部气泡数量减少，特别是微小气泡数量明显减少，且分布也极不均匀，这使得混凝土和易性和耐久性下降。

２　高寒高海拔地区高强混凝土配合比
优化设计
２．１　配合比优化设计
由上述试验结果可知在高寒高海拔地区，按现有规范得到的高强混凝土配合比配制的混凝土强度未能达到要求，且和易性、耐久性较差，需通过加入外加剂改善混凝土性能。

加入高效减水剂可提高强度和改善和易性；考虑加入引气剂可提高耐久性，但导致强度的降低。

所以综合考虑，提出两种优化方案，一是在初步配合比的基础上加入高效减水剂；二是在初步配合比的基础上降低水胶比的同时加入引气剂，优化后的配合比见表３。

表３　高强混凝土配合比优化
方案
不同材料用量／（ｋｇ·ｍ－３）水泥
碎石砂子水外加剂砂率水胶比初步配合比４５８１０４６６３７１６５
—
０．３８
０．３６方案一
（减水剂）４５８
１０４６６３７１６５０．０１０００．３８０．３６方案二
（引气剂）
４８５
１０８４
７２３
１６００．０００１０．２３
０．３３
２．２　高强混凝土性能测试
分别采用两个配合比优化方案，相同的原材料在海拔２８００ｍ项目所地甘肃夏河制作试件，编号分别为Ｊ－１、Ｊ－２、Ｊ－３和Ｙ－１、Ｙ－２、Ｙ－３。

混凝土拌和后先测得坍落度和含气量，其中Ｊ组混凝土坍落度为４０ｍｍ，含气量为１．２％；Ｙ组混凝土坍落度为３５ｍｍ，含气量为２．５％。

混凝土试件蒸汽养护２４ｈ后脱模，持续蒸汽养护，并测得７ｄ、１４ｄ的抗压强度；达到２８ｄ时测试抗压强度、动弹性模量、纵波波速、抗折强度等，结果见表４。

表４　混凝土性能
试件
编号
抗压强度／ＭＰａ７ｄ
１４ｄ２８ｄ动弹性
模量
／ＧＰａ
横向基频／Ｈｚ纵波波速／（ｋｍ·ｓ－１
）抗折
强度
／ＭＰａＪ－１４９．５５２．７５２．４４７．６２２３８７４．５５０８．８６Ｊ－２５２．３５１．４５１．６４５．９２２３７８４．５３３８．０９Ｊ－３５０．５４９．９５９．４４５．３４２３４７４．５８４９．１０Ｙ－１４６．８５０．３５２．１４６．１５２３２８４．６３６８．３５Ｙ－２４８．７５１．４５３．０４７．０８２３６１４．７８４９．０５Ｙ－３４７．２
４９．６
５０．９
４３．６４
２３２７
４．７４３
７．９８
从表４可见，掺加减水剂的Ｊ组混凝土坍落度为４０ｍｍ，含气量为１．２％，抗压强度平均值为５４．５ＭＰａ，动弹性模量平均值为４６．３ＧＰａ，抗折强度平均值为８．７ＭＰａ，纵波波速平均值为４．５５６ｋｍ／ｓ，满足Ｃ５０高强混凝土的性能要求。

掺加引气剂并降低水灰比的Ｙ组混凝土坍落度为３５ｍｍ，含气量为２．５％，抗压强度平均值为５２．０ＭＰａ，动弹性模量平均值为４
５．６ＧＰａ，抗折强度平均值为８．５ＭＰａ，纵波波速平均值为４．７２１ｋｍ／ｓ，满足Ｃ５０高强混凝土的性能要求。

对比分析两种优化方案可见，Ｙ组混凝土虽较Ｊ组混凝土力学性能稍有下降，仍能满足强度要求。

但坍落度、含气量和纵波波速更大，说明和易性更好、混凝土更密实、抵抗冻胀能力更强，在高海拔高寒地区抗冻耐久性更好。

因此，采用掺加引气剂并降低水灰比的方案更优。

３　结　论
在高寒高海拔地区进行混凝土施工时，由于环境的改变，规范推荐的混凝土配合比无法满足混凝土的各项使用要求，需要掺入适量的外加剂并调整配合以满足混凝土的和易性，提高力学性能和耐久性。

本文通过试验分析了海拔对混凝土性能的影
８５１水利与建筑工程学报 第１８卷
响，并通过两种配合比试验得到了适合高海高寒地区的混凝土配合比设计方案。

主要结论具体如下：（１）采用相同的配合比、相同的原材料，在不同海拔高度的试验室进行混凝土试验。

混凝土坍落度、含气量、抗压强度和纵波波速随着海拔高度的增加均明显下降，使得混凝土和易性、力学性质和耐久性能全面下降。

（２）在初步配合比的基础上，提出掺加减水剂和掺加引气剂并降低水灰比两种优化方案，试验结果表明掺加引气剂并降低水灰比后，混凝土力学性能可以满足规范要求，且和易性更好、混凝土更密实、抵抗冻胀能力更强，抗冻耐久性更好。

因此，在高海拔高寒地区采用掺加引气剂并降低水灰比的方案更优。

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