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摘要：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的。它的高性能主要体现在良好的耐久性上，是以耐久性为主要设计指标的。使用优质的原材料如水泥和集料，再掺加足够数量的矿物活性细掺料和高性能外加剂，从而获得混凝土的高性能。在铁路工程上使用高性能混凝土，能够大幅度减少后期维护费用，符合当前世界可持续发展的战略方针。
关键词：铁路、高性能混凝土、配合比、设计
中图分类号： S611 文献标识码： A
一、前言
高性能混凝土是20世纪80年代末、90年代初出现的新型混凝土。针对不同用途，高性能混凝土对耐久性、工作性、强度、体积稳定性等性能有重点地予以保证。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比、选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。
高性能混凝土配合比设计，现行《监通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2000)、中国工程院土木水利与建筑学部《混凝土结构耐久性设计与施工指南》对混凝土最大水胶比、最大胶凝材料用量等作了规定，但对活性矿物细掺料品种及其掺量对混凝土强度的影响未提出较明确的设计方法，在一定程度上影响了高性能混凝土配合比设计的准确性。笔者结合根据某铁路工程实例，对铁路高性能混凝土配合比的设計要求以及设计要点进行分析，以期在铁路工程中的使用具有一定的参考意义和价值。
二、配合比设计要求
铁路混凝土配合比设计主要依据为建筑物的设计使用年限、环境类别及其作用等级和混凝土耐久性指标。铁路高性能混凝上耐久性指标主要为护筋性、抗裂性、耐磨性、抗碱一骨料反应、抗冻性、耐蚀性、抗渗性等性能，而水工大坝混凝土主要控制指标则为混凝土极限抗拉强度、弹性模量、抗冻、抗渗、热学性能及变形性能指标。由于设计理念和对高性能混凝土考察指标的差别，在混凝土配合比设计方法上，施工配合比的设计也有其不同之处。
1、设计控制指标要求
（1）混凝土结构的设计使用年限:一般为30年、60年、100年。
（2）混凝土结构所处环境类别及作用等级:碳化环境(Tl~T3).氯盐环境(L1~L3)、化学侵蚀环境(H1~H4)、冻融破坏环境(Dl~D4)及磨蚀环境（M1~M3)。
（3）根据设计使用年限级别、混凝土结构所处环境类别及作用等级明确高性能混凝土配合比设计力学控制指标、耐久性指标，包括混凝土电通量、抗渗性、抗冻融、抗裂性、护筋性、抗碱一骨料等耐久性指标。
2、混凝土原材料要求
（1）水工骨料料场的选择由设计单位在工程前期勘察后确定，骨料母材的全性能指标检验已由设计单位完成。施工单位进场后，可以根据设计提供的资料选定石料加工场，不需要施工单位对石料场进行碱活性、氯离子等试验。而铁路工程施工单位需要派专业人员对标段沿线的石料场进行普查，对可能用的石料场(砂场)由监理工程师见证取样，送有资质并经监理工程师同意的检测机构进行骨料碱活性、氯离子等全性能指标检验，以判别该料场是否可用。
（2）混凝土配合比试验用原材料检验必须按铁建设2005(160)号文件和《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》作全项目检验，在计算混凝土有害物质时，要用其中的试验结果。
三、高性能混凝土配合比设计要点
1、胶材用量
胶材指用于配制混凝土的水泥、粉煤灰、磨细矿渣粉或硅粉等活性矿物掺合料的总称，统称为混凝土胶凝材料。在配制高性能混凝土时应严格控制胶材用量，在能够满足混凝土强度需求的情况下，尽量减少胶材用量，而增加级配良好、形状规则、表面粗糙、线膨胀系数小、材质优良洁净的粗骨料，细骨料尽量采用级配良好、干净的中砂，这样会有效地减少混凝土内部空隙，可以降低胶材用量，减少混凝土自缩。同时，因胶材用量的减少，可有效的抑制混凝土的水化反应，减少水化热和混凝土内部毛细孔，改善混凝土内部结构，增强结构密实性。
活性掺合料的掺量同样对混凝土的耐久性起到非常关键的作用，高性能混凝土与普通混凝土配合比区别所在无非有两个方面:一方面掺加高效减水剂，减少混凝土单方用水量，降低了水胶比;另一方面在混凝土中加人活性掺合料(如粉煤灰、硅粉等)，可很好的改善混凝土性能，减少水泥用量，增强混凝土和易性和密实性，抑制混凝土过快的水化反应，减少因早期强度过高而造成混凝土内部产生的缺陷性裂缝。所以在混凝土内掺入一定比例的活性矿物掺合料是提高混凝土耐久性的有效途径。目前，现场普遍采用的掺合料主要是粉煤灰，因粉煤灰的细度比水泥细度小得多，有着较大的比表面积，可以很好的填充混凝土内部毛细孔
和水路，增强混凝土密实性，而且粉煤灰的水化反应周期长，水化反应迟缓，可持续增长混凝土强度，对混凝土后期强度贡献较大，我们在同种条件下进行的对比实验表明，掺加粉煤灰后56d强度增长可达10%~20%，最高可达30%以上。
通过对比可见，掺加粉煤灰后，混凝土的前期强度上升迟缓，28d强度明显低于不掺加粉煤灰的情况，但后期强度上升空间较大，这就说明粉煤灰对控制混凝土早期水化反应，改善混凝土内部结构，提高混凝土密实性能够起到很好的作用。那么在实际运用中粉煤灰的掺量是如何控制的，理论上粉煤灰在混凝土中以可替代水泥用量的20%~30%为最佳，但实际上在对混凝土早期强度要求不高的情况下，有时可达40%以上，我们在对长沙湾特大桥的配合比设计中，粉煤灰的掺量按25%等量替代水泥。
2、水胶比
水胶比不仅对混凝土强度、耐久性有影响，而且对混凝土的流动阻力也有很大影响。过大的水胶比特别不利于混凝土内部微观结构的发展，将会在混凝土内部形成大量的开口和闭口空隙或气泡，以及因水分的移动形成的贯通水路，极大的影响到混凝土的强度和耐久性，所以在高性能混凝土的配合比设计时，水胶比是重点考虑和控制的参数，一般以控制在0.42以下为最佳。
3、砂率
混凝土要具有良好的工作性、泵送时不堵塞泵机和管道、浇筑成型时易振捣、好抹面，选择合理的砂率就尤为重要。砂率过小，混凝土中砂浆量小，拌合物的流动性小，同时也容易产生石子离析;砂率过大，不仅会影响混凝土的工作性和强度，而且会增大收缩和产生裂缝。高性能混凝土的砂率一般宜控制在35%~45%，但为了保证混凝土强度，砂率最好控制在40%以内。
4、坍落度
目前的高性能混凝土由于掺加了粉煤灰、外加剂，混凝土的和易性和工作性都得到了很大改善，保证满足施工工艺的坍落度相对比较容易，但因目前减水剂性能的不稳定性，以及施工现场自然环境、温度等因素的影响，坍落度常常会发生变化，尤其是减水剂的影响尤为重要，所以在进行配合比设计时应重点对坍落度损失值进行控制，一般情况下在配制混凝土时60min坍落度损失不应大于30mm。
5、混凝土含气量
在对高性能混凝土配合比设计时，含气量也是一个必须考虑的指标之一，混凝土含气量除对混凝土抗冻性能起到很好的作用外，对混凝土的和易性、流动性和耐久性等指标也有明显的影响，混凝土的含气量可在混凝土中产生大量的球形气泡，在不同介质界面之间起到很好的润滑作用，并在混凝土内形成均布的细小微孔，这些微孔可以有效的阻断内部贯通的毛细孔通路，降低毛细水的渗透，并可吸收和抵抗外界化学侵蚀，这些毛细孔是由混凝土中分布的均匀的气泡产生的闭口空隙，与因水胶比过大或水路贯通而产生的缺陷孔道有本质上的区别，二者不能混为一谈。虽然混凝土的含气量对混凝土的耐久性和工作性有一定的好处，但含气量也不能过大，混凝土的含气量主要是由引气剂或有引气功能的减水剂引起的，如果含气量过大，一方面混凝土内部空间会充满大量气泡，造成混凝土拌合物表观密度降低，混凝土密实性不够，强度损失较大;另一方面流动的混凝土也会因时间的推移，内部的气泡不断发生破裂而减少，造成混凝土坍落度损失较大，在规定的时间内无法满足施工工艺的要求。
四、结束语
综上所述，铁路高性能混凝土在配制上的特点为：采用低水胶比，尽量降低混凝土单位用水量；选用高性能减水剂，掺入较多的掺合料，以减少水泥用量；减小混凝土内部孔隙率，减小体积收缩，提高混凝土耐久性。混凝土耐久性主要通过混凝土电通量、抗渗性、抗冻融、抗裂性、护筋性、抗碱骨料等耐久性指标来反映。
参考文献：
[1] 孙小巍 丁洪伟 杨猛 李文学：《混凝土早期开裂成因及预防措施》，《建材技术与应用》，2007年06期
[2] 姜志炜：《铁路客运专线预应力混凝土箱梁高性能混凝土配合比设计的探讨》，《上海铁道科技》，2008年02期
[3] 刘和彪 薛小伟：《京沪高速铁路混凝土栏杆预制与安装技术》，《水利水电施工》，2011年03期
[4] 张恩龙 谢素芳 高春勇 王玲 白杰：《CRTSⅡ型轨道板混凝土技术》，《混凝土与水泥制品.》，2009年03期
关键词：铁路、高性能混凝土、配合比、设计
中图分类号： S611 文献标识码： A
一、前言
高性能混凝土是20世纪80年代末、90年代初出现的新型混凝土。针对不同用途，高性能混凝土对耐久性、工作性、强度、体积稳定性等性能有重点地予以保证。为此，高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比、选用优质原材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。
高性能混凝土配合比设计，现行《监通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2000)、中国工程院土木水利与建筑学部《混凝土结构耐久性设计与施工指南》对混凝土最大水胶比、最大胶凝材料用量等作了规定，但对活性矿物细掺料品种及其掺量对混凝土强度的影响未提出较明确的设计方法，在一定程度上影响了高性能混凝土配合比设计的准确性。笔者结合根据某铁路工程实例，对铁路高性能混凝土配合比的设計要求以及设计要点进行分析，以期在铁路工程中的使用具有一定的参考意义和价值。
二、配合比设计要求
铁路混凝土配合比设计主要依据为建筑物的设计使用年限、环境类别及其作用等级和混凝土耐久性指标。铁路高性能混凝上耐久性指标主要为护筋性、抗裂性、耐磨性、抗碱一骨料反应、抗冻性、耐蚀性、抗渗性等性能，而水工大坝混凝土主要控制指标则为混凝土极限抗拉强度、弹性模量、抗冻、抗渗、热学性能及变形性能指标。由于设计理念和对高性能混凝土考察指标的差别，在混凝土配合比设计方法上，施工配合比的设计也有其不同之处。
1、设计控制指标要求
（1）混凝土结构的设计使用年限:一般为30年、60年、100年。
（2）混凝土结构所处环境类别及作用等级:碳化环境(Tl~T3).氯盐环境(L1~L3)、化学侵蚀环境(H1~H4)、冻融破坏环境(Dl~D4)及磨蚀环境（M1~M3)。
（3）根据设计使用年限级别、混凝土结构所处环境类别及作用等级明确高性能混凝土配合比设计力学控制指标、耐久性指标，包括混凝土电通量、抗渗性、抗冻融、抗裂性、护筋性、抗碱一骨料等耐久性指标。
2、混凝土原材料要求
（1）水工骨料料场的选择由设计单位在工程前期勘察后确定，骨料母材的全性能指标检验已由设计单位完成。施工单位进场后，可以根据设计提供的资料选定石料加工场，不需要施工单位对石料场进行碱活性、氯离子等试验。而铁路工程施工单位需要派专业人员对标段沿线的石料场进行普查，对可能用的石料场(砂场)由监理工程师见证取样，送有资质并经监理工程师同意的检测机构进行骨料碱活性、氯离子等全性能指标检验，以判别该料场是否可用。
（2）混凝土配合比试验用原材料检验必须按铁建设2005(160)号文件和《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》作全项目检验，在计算混凝土有害物质时，要用其中的试验结果。
三、高性能混凝土配合比设计要点
1、胶材用量
胶材指用于配制混凝土的水泥、粉煤灰、磨细矿渣粉或硅粉等活性矿物掺合料的总称，统称为混凝土胶凝材料。在配制高性能混凝土时应严格控制胶材用量，在能够满足混凝土强度需求的情况下，尽量减少胶材用量，而增加级配良好、形状规则、表面粗糙、线膨胀系数小、材质优良洁净的粗骨料，细骨料尽量采用级配良好、干净的中砂，这样会有效地减少混凝土内部空隙，可以降低胶材用量，减少混凝土自缩。同时，因胶材用量的减少，可有效的抑制混凝土的水化反应，减少水化热和混凝土内部毛细孔，改善混凝土内部结构，增强结构密实性。
活性掺合料的掺量同样对混凝土的耐久性起到非常关键的作用，高性能混凝土与普通混凝土配合比区别所在无非有两个方面:一方面掺加高效减水剂，减少混凝土单方用水量，降低了水胶比;另一方面在混凝土中加人活性掺合料(如粉煤灰、硅粉等)，可很好的改善混凝土性能，减少水泥用量，增强混凝土和易性和密实性，抑制混凝土过快的水化反应，减少因早期强度过高而造成混凝土内部产生的缺陷性裂缝。所以在混凝土内掺入一定比例的活性矿物掺合料是提高混凝土耐久性的有效途径。目前，现场普遍采用的掺合料主要是粉煤灰，因粉煤灰的细度比水泥细度小得多，有着较大的比表面积，可以很好的填充混凝土内部毛细孔
和水路，增强混凝土密实性，而且粉煤灰的水化反应周期长，水化反应迟缓，可持续增长混凝土强度，对混凝土后期强度贡献较大，我们在同种条件下进行的对比实验表明，掺加粉煤灰后56d强度增长可达10%~20%，最高可达30%以上。
通过对比可见，掺加粉煤灰后，混凝土的前期强度上升迟缓，28d强度明显低于不掺加粉煤灰的情况，但后期强度上升空间较大，这就说明粉煤灰对控制混凝土早期水化反应，改善混凝土内部结构，提高混凝土密实性能够起到很好的作用。那么在实际运用中粉煤灰的掺量是如何控制的，理论上粉煤灰在混凝土中以可替代水泥用量的20%~30%为最佳，但实际上在对混凝土早期强度要求不高的情况下，有时可达40%以上，我们在对长沙湾特大桥的配合比设计中，粉煤灰的掺量按25%等量替代水泥。
2、水胶比
水胶比不仅对混凝土强度、耐久性有影响，而且对混凝土的流动阻力也有很大影响。过大的水胶比特别不利于混凝土内部微观结构的发展，将会在混凝土内部形成大量的开口和闭口空隙或气泡，以及因水分的移动形成的贯通水路，极大的影响到混凝土的强度和耐久性，所以在高性能混凝土的配合比设计时，水胶比是重点考虑和控制的参数，一般以控制在0.42以下为最佳。
3、砂率
混凝土要具有良好的工作性、泵送时不堵塞泵机和管道、浇筑成型时易振捣、好抹面，选择合理的砂率就尤为重要。砂率过小，混凝土中砂浆量小，拌合物的流动性小，同时也容易产生石子离析;砂率过大，不仅会影响混凝土的工作性和强度，而且会增大收缩和产生裂缝。高性能混凝土的砂率一般宜控制在35%~45%，但为了保证混凝土强度，砂率最好控制在40%以内。
4、坍落度
目前的高性能混凝土由于掺加了粉煤灰、外加剂，混凝土的和易性和工作性都得到了很大改善，保证满足施工工艺的坍落度相对比较容易，但因目前减水剂性能的不稳定性，以及施工现场自然环境、温度等因素的影响，坍落度常常会发生变化，尤其是减水剂的影响尤为重要，所以在进行配合比设计时应重点对坍落度损失值进行控制，一般情况下在配制混凝土时60min坍落度损失不应大于30mm。
5、混凝土含气量
在对高性能混凝土配合比设计时，含气量也是一个必须考虑的指标之一，混凝土含气量除对混凝土抗冻性能起到很好的作用外，对混凝土的和易性、流动性和耐久性等指标也有明显的影响，混凝土的含气量可在混凝土中产生大量的球形气泡，在不同介质界面之间起到很好的润滑作用，并在混凝土内形成均布的细小微孔，这些微孔可以有效的阻断内部贯通的毛细孔通路，降低毛细水的渗透，并可吸收和抵抗外界化学侵蚀，这些毛细孔是由混凝土中分布的均匀的气泡产生的闭口空隙，与因水胶比过大或水路贯通而产生的缺陷孔道有本质上的区别，二者不能混为一谈。虽然混凝土的含气量对混凝土的耐久性和工作性有一定的好处，但含气量也不能过大，混凝土的含气量主要是由引气剂或有引气功能的减水剂引起的，如果含气量过大，一方面混凝土内部空间会充满大量气泡，造成混凝土拌合物表观密度降低，混凝土密实性不够，强度损失较大;另一方面流动的混凝土也会因时间的推移，内部的气泡不断发生破裂而减少，造成混凝土坍落度损失较大，在规定的时间内无法满足施工工艺的要求。
四、结束语
综上所述，铁路高性能混凝土在配制上的特点为：采用低水胶比，尽量降低混凝土单位用水量；选用高性能减水剂，掺入较多的掺合料，以减少水泥用量；减小混凝土内部孔隙率，减小体积收缩，提高混凝土耐久性。混凝土耐久性主要通过混凝土电通量、抗渗性、抗冻融、抗裂性、护筋性、抗碱骨料等耐久性指标来反映。
参考文献：
[1] 孙小巍 丁洪伟 杨猛 李文学：《混凝土早期开裂成因及预防措施》，《建材技术与应用》，2007年06期
[2] 姜志炜：《铁路客运专线预应力混凝土箱梁高性能混凝土配合比设计的探讨》，《上海铁道科技》，2008年02期
[3] 刘和彪 薛小伟：《京沪高速铁路混凝土栏杆预制与安装技术》，《水利水电施工》，2011年03期
[4] 张恩龙 谢素芳 高春勇 王玲 白杰：《CRTSⅡ型轨道板混凝土技术》，《混凝土与水泥制品.》，2009年03期