一、设计要素
1.设计依据：
《铁路混凝土结构耐久性设计规范》 TB 10005-2010
《铁路混凝土工程施工质量验收标准》 TB 10424-2010
《普通混凝土配合比设计规程》 JGJ 55-2011
《普通混凝土力学性能试验方法标准》 GB/T 50081-2002
《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》 GB/T 50080-2002
《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》 GB/T 50082-2009
《铁路混凝土》 TB/T 3275-2011；图纸及相关设计规范
2.设计技术指标及要求
1)设计强度等级C40
2)设计所处环境等级为：L1、Y2、H1、Y1，设计年限：100年；
3)设计坍落度160～200mm
4)最大水胶比和最小胶凝材料用量分别为：0.45，320kg/m3
5)56d电通量 ：〈1200C
6)56d氯离子扩散系数：DRCM≤7×1012m2/S；
7)混凝土含气量：≥4.0%；
8)56d抗硫酸盐结晶破坏等级：≥KS150；
9)56d抗蚀系数：≥0.80；
10)56d气泡间距系数（μm）<300
3.原材料使用情况：
水泥： 天瑞集团许昌水泥有限公司 低碱P．O42.5；
砂： 信阳罗山县河砂、中砂
碎石：河南皓龙、由（5～16mm、16～25mm）按60%：40%掺配5～25mm连续级配碎石；
粉煤灰：许昌龙岗发电有限责任公司F类粉煤灰（掺量：20%）；
减水剂：四川银凯聚羧酸高性能减水剂（掺量为胶凝材料总质量的1.0%）；
引气剂：四川银凯引气剂（掺量为减水剂质量的1.0%，为便于现场施工拌合计量方便，其掺量可以按《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB10424-2010条文说明6.2.6条执行）；
水： 地下水；
4.拟用工程部位：承台、墩台身、底座板、道床板、桥涵附属。
二、配合比设计过程
1)参照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011和《铁路混凝土工程施工质量验收标准》TB 10424-2010的设计方法，确定基准配合比见表1：
表1 C40混凝土配合比 单位：kg/m3
| 水泥 | 粉煤灰 | 细集料 | 粗集料 | 水 | 减水剂 | 引气剂 | W/B | |
| 5-16mm | 16-25mm | |||||||
| 324 | 81 | 7 | 628 | 418 | 150 | 4.05 | 0.0405 | 0.37 |
表2 调整水胶比后C40混凝土配合比 单位：kg/m3
| 编号 | 水胶比W/B | 水泥 | 粉煤灰 | 细集料 | 粗集料 | 水 | 减水剂 | 引气剂 | 备注 | |
| 5-16mm | 16-25mm | |||||||||
| 1 | 0.35 | 343 | 86 | 779 | 619 | 414 | 150 | 4.29 | 0.0429 | |
| 2 | 0.37 | 324 | 81 | 7 | 628 | 418 | 150 | 4.00 | 0.0400 | 基准 |
| 3 | 0.39 | 308 | 77 | 798 | 634 | 423 | 150 | 3.85 | 0.0385 | |
表3 C40混凝土拌合物工作性能
| 编号 | 水胶比W/B | 表观密度（kg/m3） | 坍落度（mm） | 坍落扩展度（mm） | 含气量（%） | 凝结时间（min） | 粘聚性 | 保水性 | |||
| 初始 | 60min后 | 初始 | 60min后 | 初凝 | 终凝 | ||||||
| 1 | 0.36 | 2390 | 200 | 185 | 500 | 480 | 4.7 | 435 | 670 | 良好 | 无泌水 |
| 2 | 0.38 | 2390 | 200 | 190 | 505 | 480 | 4.6 | 425 | 672 | 良好 | 无泌水 |
| 3 | 0.40 | 2380 | 190 | 180 | 490 | 475 | 4.4 | 416 | 668 | 一般 | 少量 |
根据混凝土拌合物性能试验结果，初步选定的混凝土配合比拌合物性能满足设计及规范要求。按上述配合比成型力学及耐久性能试件，试验结果见表4。
表4 C40混凝土力学性能试验结果
| 设计强度等级 | 试配强度（MPa） | 水胶比（W/B） | 3天强度（MPa） | 7天强度（MPa） | 28天强度（MPa） | 56天强度（MPa） |
| C40 | 48.2 | 0.36 | 24.5 | 35.0 | 49.9 | |
| 0.38 | 22.5 | 32.6 | 47.7 | |||
| 0.40 | 20.2 | 31.7 | 45.2 |
根据上述三组混凝土配合比的工作性能及力学性能对比，进行综合分析，初步选定配合比编号2为理论配比见表5。继续进行下步的耐久性能试验和原材料化学指标验证。
表5 C40混凝土配合比 单位：kg/m3
| 编号 | 水泥 | 粉煤灰 | 细集料 | 粗集料 | 水 | 减水剂 | 引气剂 | W/B |
| 2 | 324 | 81 | 7 | 1046 | 150 | 4.05 | 0.0405 | 0.37 |
| 1 | 0.25 | 2.44 | 3.23 | 0.46 | 0.012 | 0.00012 |
1)混凝土总碱含量计算：
混凝土的总碱含量包括水泥、矿物掺合料、减水剂及水的碱含量之和。其中，矿物掺合料的碱含量以其所含可溶性减量计算。粉煤灰的可溶性碱量取粉煤灰总碱量的1/6。混凝土中的最大碱含量为3.0kg/m3。该配合比混凝土总碱量计算结果见表6：
表6 混凝土总碱量含量计算结果
| 水泥 | 粉煤灰 | 减水剂 | 水 | |
| 配合比（kg/m3） | 324 | 81 | 4.05 | 150 |
| 单项材料碱含量（%） | 0.59 | 0.81 | 2.45 | 0.1266 |
| 单项材料在单方混凝土中的碱含量（kg） | 1.912 | 0.109 | 0.099 | 0.190 |
| 混凝土中的总碱含量（kg/m3） | 2.31 | |||
钢筋混凝土中氯离子总含量包括水泥、矿物掺和料、骨料、水和减水剂的氯离子含量之和，其含量不应超过胶凝材料总量的0.10%。该配合比混凝土中氯离子总含量计算结果见表7。
表7 混凝土氯离子总含量试验结果
| 名称 | 水泥 | 粉煤灰 | 细骨料 | 粗骨料 | 减水剂 | 水 |
| 配合比（kg/m3） | 324 | 81 | 7 | 1046 | 4.05 | 150 |
| 单项材料氯离子含量（%） | 0.030 | 0.017 | 0.0 | 0.00 | 0.242 | 0.0560 |
| 单项材料在单方混凝土中的氯离子含量（kg） | 0.097 | 0.014 | 0.0 | 0.0 | 0.010 | 0.084 |
| 混凝土中氯离子含量（kg/m3） | 0.205 | |||||
| 占胶凝材料总量的百分数（%） | 0.050 | |||||
混凝土中三氧化硫总含量包括水泥、矿物掺合料、水、减水剂的所含三氧化硫含量之和，其含量不应超过胶凝材料总量的4.0%，该配合比混凝土中三氧化硫总含量计算结果见表8。
表8 混凝土SO3总含量试验结果
| 水泥 | 粉煤灰 | 减水剂 | 水 | |
| 配合比（kg/m3） | 324 | 81 | 4.05 | 150 |
| 单项材料SO3含量（kg） | 1.120 | 0.40 | 0.86 | 0.029 |
| 单项材料在单方混凝土中的SO3含量（kg） | 3.629 | 0.324 | 0.035 | 0.044 |
| 混凝土中的SO3含量（kg） | 4.032 | |||
| 占胶凝材料（%） | 0.996 | |||
表9 混凝土配合比耐久指标
| 试验项目 | 龄期（d） | 标准规定值 | 实测结果（28d） | 实测结果（56d） |
| 电通量（C） | 28、56 | ＜1200 | 942 | |
| 氯离子扩散系数DRCM（×10－12m2/S） | 28、56 | ≤7 | 4.1 | |
| 抗蚀系数 | 28、56 | ≥0.80 | 0.87 | |
| 气泡间距系数（μm） | 28、56 | ≤300 | 118 |
根据上述试验结果，进行综合分析该混凝土的工作性、经济型、强度及耐久性等各项指标能够满足设计和施工要求。选定配合比编号2作为理论配合比，理论配合比见表10。
表10 C40混凝土配合比 单位：kg/m3
| 编号 | 水泥 | 粉煤灰 | 细集料 | 粗集料 | 水 | 减水剂 | 引气剂 | W/B |
| 2 | 324 | 81 | 7 | 1046 | 150 | 4.05 | 0.0405 | 0.37 |
| 1 | 0.25 | 2.44 | 3.23 | 0.46 | 0.012 | 0.00012 |
