高性能混凝土在高速铁路桥梁中的力学性能试验分析

高性能混凝土在高速铁路桥梁中的力学性能试验分析

刘鹏亮

中铁一局集团第五工程有限公司 陕西省  宝鸡市 721000

摘要：本文主要研究了高性能混凝土在高速铁路桥梁中的力学性能。首先介绍了高性能混凝土的制备、试件的制作与养护以及力学性能试验方法，包括抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、软化系数和冻融循环试验。随后分析了影响高性能混凝土力学性能的因素，如水泥种类与掺量、矿物掺合料、砂石骨料、拌和工艺以及养护条件。

关键词：高性能；混凝土；高速；铁路桥梁

引言

随着我国高速铁路的快速发展，对桥梁工程的混凝土性能要求越来越高。高性能混凝土作为一种具有优异力学性能、耐久性能和施工性能的混凝土材料，在高速铁路桥梁中具有广泛的应用前景。本文旨在通过力学性能试验分析高性能混凝土在高速铁路桥梁中的应用效果。

一、试验材料与方法

1.1高性能混凝土的制备

选择优质原材料是基础，包括高强度等级水泥、矿物掺合料、优质粗细骨料以及高效减水剂等。在制备过程中，要严格控制水胶比，一般不超过0.3，以确保混凝土的低孔隙率和高强度。进行原材料的质量检验，确保各项指标满足设计要求。根据设计配比称量各种原材料，注意水泥、矿物掺合料和水的比例，以及外加剂的使用量。采用强制式搅拌机进行搅拌，先加入水泥和矿物掺合料，干拌30秒，再加入砂、石骨料，继续干拌30秒，最后加入水和外加剂，湿拌2-3分钟，直至混凝土均匀一致。在搅拌过程中，要控制搅拌时间和速度，避免过度搅拌导致混凝土内部结构破坏。搅拌完成后，应尽快进行浇筑，确保混凝土的均匀性和密实性。此外，为提高混凝土的性能，可添加一定比例的纤维材料，如钢纤维、聚丙烯纤维等，以提高混凝土的抗裂性能和韧性。

1.2试件的制作与养护

在制作试件时，应按照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》的要求进行。选用符合标准的试模，确保尺寸精确。将搅拌均匀的高性能混凝土倒入试模中，采用振动台或人工捣固方法，使混凝土密实、均匀。捣固完成后，将试件表面抹平，覆盖湿布，防止水分蒸发。然后将试件放置在标准养护室中，保持温度为20±2℃，相对湿度为95%以上。养护过程中，要定期检查试件的状况，如有异常应及时处理。养护时间一般为28天，期间要确保试件不受外界环境的影响。养护完成后，对试件进行脱模，进行力学性能试验。在试验前，应将试件放置在试验环境中至少24小时，以适应环境条件。

1.3力学性能试验方法

1.3.1抗压强度试验

抗压强度试验通常采用立方体或圆柱体试件。试验前，试件应在标准养护条件下养护至规定龄期。试验时，将试件放置在压力试验机上，调整试验机至预定加载速度，以连续均匀的加载速率对试件施加压力，直至试件破坏。对试件进行测量，记录其尺寸。然后将试件放置在压力试验机的加载平台上，确保试件的轴心与压力机的加载轴心对齐。启动试验机，以0.5-1.0MPa/s的加载速率对试件施加压力。记录试件破坏时的最大荷载，并根据试件的尺寸计算出抗压强度。试验过程中应确保加载均匀，避免冲击加载。

抗压强度计算公式为：，其中fc为抗压强度，F为试件破坏时的最大荷载，A为试件的横截面积。

1.3.2抗折强度试验

抗折强度试验用于评估混凝土在弯曲状态下的抗裂能力。试验通常使用棱柱体试件，按照规定的加载速率在万能试验机上施加弯曲荷载，直至试件断裂。测量试件的尺寸，然后在万能试验机上安装试件，调整支座间距和加载头位置，确保符合试验标准。启动试验机，以0.01-0.02mm/min的加载速率施加荷载，记录试件破坏时的最大荷载和对应的挠度。根据试验结果，计算抗折强度。

抗折强度计算公式为：，其中Fft为抗折强度，F为试件破坏时的最大荷载，F为支座间距，b和h分别为试件的宽度和高度。

1.3.3劈裂抗拉强度试验

劈裂抗拉强度试验用于测定混凝土在轴向拉伸状态下的抗拉强度。试验时，将圆柱体试件放置在压力试验机上，通过加载垫块和液压系统施加均匀的拉伸荷载，直至试件沿加载方向劈裂。测量试件的尺寸，然后在试件两侧均匀涂抹一层润滑剂，放置加载垫块，确保垫块与试件接触紧密。将试件放入压力试验机，调整加载系统，以0.02-0.05MPa/s的加载速率施加荷载。记录试件破坏时的最大荷载，根据试件的尺寸计算出劈裂抗拉强度。

劈裂抗拉强度计算公式为：，其中Fts为劈裂抗拉强度，F为试件破坏时的最大荷载，d为试件的直径，L为试件的长度。

1.3.4软化系数试验

软化系数试验是评估混凝土在经受水浸泡后强度降低程度的一个指标，它反映了混凝土的耐水性能。试验通常采用与抗压强度试验相同的立方体或圆柱体试件。将养护至规定龄期的混凝土试件分为两组，一组作为对照，另一组进行水浸泡处理。将浸泡组试件放入装有水的容器中，水温保持在20±2℃，水面应高于试件顶面至少20mm。浸泡时间通常为28天。浸泡结束后，从水中取出试件，擦干表面水分，立即进行抗压强度试验。同时，对照组试件也进行同样的抗压强度试验。

然后，计算软化系数，其公式为：，其中fcw为浸泡后混凝土的抗压强度，fcd为干燥状态下混凝土的抗压强度。软化系数试验结果能够反映混凝土在水作用下的稳定性，对于评估混凝土结构的耐久性和使用寿命具有重要意义。

1.3.5冻融循环试验

冻融循环试验用于评估混凝土在冻融环境下的耐久性。试验通常采用圆柱体或立方体试件，按照规定的冻融循环次数对试件进行冻结和解冻处理，然后评估其质量和强度变化。将试件在标准养护条件下养护至规定龄期。然后将试件放入冷冻箱中，在-18±2℃的温度下冻结16小时。之后，将试件移入温度为20±2℃的水中解冻，时间为8小时。这样形成一个完整的冻融循环。在规定的冻融循环次数完成后，取出试件，进行质量损失和抗压强度试验。质量损失可以通过测量试验前后试件的质量差来计算。抗压强度试验则按照常规方法进行，以评估试件在经历冻融循环后的强度变化。

二、影响高性能混凝土力学性能的因素分析

2.1水泥种类与掺量

水泥是高性能混凝土中的主要胶凝材料，其种类和掺量对混凝土的力学性能有着直接影响。不同种类的水泥具有不同的化学成分和物理性质，从而影响混凝土的强度发展和耐久性。通常，高强度等级的水泥由于其较高的硅酸盐含量，能够提供更高的早期和后期强度。水泥掺量的增加可以提升混凝土的强度，但过高的掺量可能会导致早期水化热过高，引发裂缝。因此，合理选择水泥种类和掺量对于保证混凝土的性能至关重要。

2.2矿物掺合料

矿物掺合料如粉煤灰、矿渣和硅灰等，可以改善高性能混凝土的工作性和长期性能。这些掺合料具有泊松比低、颗粒细小、化学活性高等特点，能够填充水泥颗粒间的空隙，提高混凝土的密实性。此外，矿物掺合料可以促进水泥的水化反应，生成更多的水化硅酸钙，从而提高混凝土的抗压强度和抗渗性能。但是，掺合料的使用也需适量，过量可能会影响混凝土的早期强度发展。

2.3砂石骨料

良好的骨料级配可以提高混凝土的密实性和强度。骨料的颗粒形状、表面纹理和清洁度也会影响混凝土的性能。例如，球形或椭球形的骨料有利于提高混凝土的工作性，而粗糙表面的骨料则有助于增强骨料与水泥浆的粘结力。此外，骨料中的杂质如泥土和有机物会影响水泥的水化反应，因此骨料的清洗和筛选是确保混凝土质量的关键步骤。

2.4拌和工艺

拌和过程中，需要确保水泥、矿物掺合料、水和骨料等原材料的充分混合，以实现混凝土的均匀性和稳定性。拌和时间、拌和速度和拌和方式都会影响混凝土的均匀性和工作性。过短或过长的拌和时间都可能导致混凝土性能下降。此外，拌和工艺还影响混凝土中的气泡含量，气泡过多会降低混凝土的密实性和强度。

2.5养护条件

在养护过程中，温度和湿度的控制是关键。适当的温度可以促进水泥的水化反应，加速强度的发展。而湿度的保持则有助于防止混凝土中的水分蒸发，保证水化反应的持续进行。通常，标准养护条件为20±2℃的温度和95%以上的相对湿度。养护时间的长短也会影响混凝土的性能，通常养护时间越长，混凝土的强度越高。但在实际工程中，养护时间需要根据混凝土的设计要求和环境条件来确定。

结语

通过对高性能混凝土在高速铁路桥梁中的力学性能试验分析，本研究为高性能混凝土在桥梁工程中的应用提供了理论依据。在今后的高速铁路桥梁建设中，应根据工程特点和实际需求，合理选择水泥种类、矿物掺合料、砂石骨料等原材料，优化拌和工艺和养护条件，以充分发挥高性能混凝土的优异性能。

参考文献

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