1、石太鐵路客運專線Z9標段高性能混凝土實踐與探索摘要:結合石太鐵路客運專線Z9標段所處的地理環境,以滿足高性能混凝土耐久性指標為前提,同時考慮高性能混凝土的經濟性,對當地原材料進行科學合理的篩選,通過幾次對不同外加劑,不同水泥以及不同粉煤灰摻量的對比試驗,逐步優化配合比,在達到相同工作性能和力學性能的條件下,取得好的經濟效益,為客運專線高性能混凝土的應用與探索提供了一定經驗。關鍵詞:石太客運專線; 高性能混凝土; 耐久性; 配合比中圖分類號:U21411 + 8文獻標識碼:A文章編號: 1004 - 2954 (2007) 04 - 0098 - 051概述石太鐵路客運專線工程設計標準新,技術含

2、量高,質量要求嚴。橋隧工程要求“零缺陷”,主要承重結構要求確保100年使用壽命,其設計施工代表了我國目前混凝土施工的較高水平。為保證混凝土結構的耐久性,工程采用以高性能混凝土技術為核心的綜合耐久性技術方案。然而,目前我國混凝土超長壽命服役的相關技術規范,高性能混凝土的設計、生產、施工技術在工程中的應用方面尚在研究階段,因此結合石太客運專線Z9標段工程的具體需要,實踐并探索混凝土結構耐久性策略和高性能混凝土的應用技術顯得極為迫切和重要。2高性能混凝土結構耐久性設計高性能混凝土是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上,采用現代混凝土技術制作的混凝土,是以耐久性作為設計的主要指標,針對不同用途的要求,對

3、下列性能有重點地加以保證:耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩定性和經濟性。我公司承建的石太鐵路客運專線Z9標段位于山西省太原市陽曲縣境內,混凝土所處環境為二級碳化環境( T2)和三級凍融破壞環境(D3) ,混凝土要求具有良好的抗裂性、護筋性、耐蝕性、耐磨性及抗堿集料反應性等耐久性能。混凝土的設計強度等級根據不同部位采用C15C50。影響混凝土結構耐久性的首要因素是混凝土的氯離子(Cl- )滲透速度和混凝土抗凍融破壞能力。規范對不同強度等級混凝土的電通量和抗凍等級的具體指標要求見表1。3高性能混凝土配合比設計(圖1 )高性能混凝土配合比設計是一個復雜的過程,沒有統一的條條框框。選擇合適的原材料

4、,優化配合比參數,或是根據合理的性能- 配比參數關系模型,有目的地進行少量的試配,然后由試配結果使關系模型中的參數具體化,便是高性能混凝土配合比設計的合理途徑。混凝土是由各種形狀和大小的集料顆粒和水泥漿凝結硬化而成的水泥石所組成的,可以把它看作是水泥石與粗細集料組成的復合材料。因此,混凝土的強度、耐久性主要取決于水泥石的強度與耐久性、集料的強度以及水泥石與集料之間的粘結強度與耐久性。選擇合適的原材料、優化配比參數,以提高這三者強度、耐久性和混凝土的工作性是高性能混凝土配合比設計的關鍵。31正確選擇原材料高性能混凝土必須同時具有好的施工性能,滿足結構設計的物理力學性能和優異的耐久性。因而其混凝土

5、組成體系的多元化是必然的,這種多元化研究體系使得正確選擇原材料尤其重要。311膠凝材料的選擇(1)水泥:除水泥的強度等級外,水泥礦物組成和細度都對高性能混凝土的性能有影響。高性能混凝土對水泥還增加了如下要求:細度100%,游離氧化鈣含量10% ,堿含量08% ,熟料中的C3A 含量8% , Cl- 含量01%。高細度水泥早期強度增長很快,但后期強度很少增加,而且水化熱大,容易形成溫度裂縫。所以,在選擇水泥時不僅要求滿足國家標準的相關規定,還要求水泥細度不宜過細,早期強度不宜過高。高性能混凝土為確保其高流動性、高強度、高耐久性,水泥還必須與所用高效減水劑相容性好,使混凝土拌和物在滿足工作性條件下

6、用水量盡可能地低,坍落度損失小。石太鐵路客運專線選擇的獅頭水泥和智海水泥均滿足以上要求,并且在使用過程中不斷和水泥廠進行溝通,控制水泥的各項相關指標。(2)摻和料:普通硅酸鹽水泥混凝土很難滿足高性能混凝土的綜合性能要求。因為硅酸鹽水泥的混凝土早期水化熱較大,混凝土坍落度損失大、抗侵蝕性能差。而摻和料對混凝土工作性、力學性能及混凝土內部組成、結構的改善,大大提高了混凝土的耐久性,克服了硅酸鹽水泥混凝土存在的許多潛在的及現實的問題,因而這類能顯著改善混凝土耐久性和工作性的活性礦物摻和料是配制高性能混凝土必不可少的組分。我單位承建的石太鐵路客運專線Z9標段地處山西省太原市地段,附近有太原一電廠、二電

7、廠,粉煤灰產量充足且質量穩定,因此選擇太原一電廠一級粉煤灰為混凝土中的礦物摻和料,且技術性能指標做如下要求: 細度200%, Cl- 含量002% , 需水量比105, 燒失量 50%, 含水量 10% , SO3 含量3%。312外加劑的選用配制高性能混凝土的關鍵之一是選擇與水泥相容性好的外加劑。外加劑與水泥的適應性較好時表現為:新拌混凝土工作性能得到明顯的改善;根據需要能有效控制混凝土凝結時間;坍落度損失小;混凝土密實性好;各齡期強度有較大的提高;混凝土各耐久性指標有較大提高。在選擇外加劑時注意了以下幾方面的問題:第一是要求有高的減水率,減水率要求20%;第二是要求具有控制坍落度損失功能;

8、第三是要求加入混凝土中后有好的和易性;第四是摻量適宜,因為減水劑用量過大會導致混凝土過度緩凝或離析等問題出現。經大量反復試驗,決定選用河北鐵圓高效減水劑和北京建愷高效減水劑兩種外加劑。313對集料的要求與普通混凝土相比,高性能混凝土強度高,用水較少,集料的性能對混凝土的強度、工作性等起到及其重要的作用。在選擇集料時,對集料的表觀密度、吸水率等指標做了相應要求。并且依據高性能混凝土的設計理念,盡量選用粒徑小的集料。因為如果選擇大粒徑的碎石,混凝土澆筑時鋼筋通過性就差,造成混凝土澆筑質量不勻,鋼筋下方形成縫隙,并在保護層外表面沿水平鋼筋或箍筋的下方位置出現裂縫,這些均對混凝土的耐久性非常不利。因此

9、,樁基、承臺、墩身等下部結構雖然根據鋼筋間距和混凝土尺寸可以選擇最大粒徑為40 mm的碎石,但依然選擇了5315 mm的碎石作為混凝土粗集料,對混凝土的工作性和耐久性均有利。32確定合理的配合比參數(1)水膠比為保證高性能混凝土的耐久性,鐵建設 2005 160號鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準中規定了混凝土最大水膠比和最小膠凝材料用量的限值。在以往按強度設計的混凝土配合比設計方法中,首先是按混凝土強度等級計算水灰比。而現在按耐久性要求的設計方法中,首先要根據環境作用等級(二級碳化環境和三級凍融破壞環境)選擇水膠比。過大的水膠比特別不利于使用礦物摻合料混凝土的內部微結構發展,同時影響混凝土的

10、耐久性與強度。與硅酸鹽水泥相比,尤其是粉煤灰對水膠比更為敏感。只有在低水膠比(如小于04或042)的前提下,粉煤灰的作用才能得以充分發揮。并且經試驗證明,當水膠比小于04以下時,水膠比的少許降低會使混凝土強度有較大的提高。這是因為盡管水泥水化不完全,但較低的水膠比能夠降低混凝土的孔隙率并減少孔隙尺寸,而未水化的水泥顆粒則作為一種堅強的細微集料發揮其作用。因此在設計配合比時,考慮以上綜合因素,選擇了較低的水膠比。例如C30混凝土選擇014水膠比作為基準配合比的水膠比。(2)單位用水量的選擇對于普通混凝土,單位用水量可根據坍落度、集料最大粒徑和集料類型進行確定。而高性能混凝土由于摻入高效減水劑,坍

11、落度的大小在很大程度上可通過高效減水劑的性質和摻量來控制,此外,用于配制高性能混凝土的集料其最大粒徑波動范圍很小,對用水量的影響并不大,同時礦物摻合料的加入也將影響坍落度一定時的用水量。因此,將拌和水的最大用量作為控制混凝土耐久性質量的一項重要指標。在高性能混凝土中,減少漿體量,增加骨料所占的比例,又是提高混凝土抗滲性或抗氯離子擴散性的重要手段。如果控制拌和水用量,則可同時控制漿體用量,就可以從多個方面體現耐久性的需要。在配合比設計中,選擇155160 kg/m3 的用水量,并且同時選擇具有良好級配和粒形的粗骨料,盡可能降低骨料中的含泥量,采用優質外加劑和低需水量的礦物摻和料,降低混凝土拌和料

12、的溫度,以保證低用水量的實施。(3)骨料級配及砂率的確定混凝土要實現耐久性,其主要途徑是使混凝土密實。在高性能混凝土配合比設計過程中,調整集料的級配使得不同粒徑集料可以互相填充,能將骨料空隙減小,并測定不同砂率下集料顆粒堆積物的空隙含量,找到空隙率最小時的砂率。通過降低骨料空隙量,利用粉煤灰的潤滑技術, 把混凝土最主要的劣化成分水泥漿量盡可能降至最少,使得可透水的毛細孔隙降至最低,改變水泥漿體的空間網絡。并給予混凝土致密化,同時改善骨材界面的密實性,降低了混凝土滲透性,提升了混凝土晚期強度和放蝕耐久性能。同時考慮混凝土的工作性,選擇合理的粗集料級配和砂率,以滿足混凝土施工需要。(4)粉煤灰摻量

13、的選擇粉煤灰在混凝土中可以填充比水泥顆粒還小的空隙,起到潤滑、填充的作用。但粉煤灰早期強度低,對有早期強度要求的結構物摻量不宜高。在客運專線高性能混凝土暫行技術條件中規定,對于預應力混凝土和有抗凍要求的混凝土粉煤灰產量不宜大于30%。在設計配合比時,對于不同部位的混凝土,選擇不同的粉煤灰摻量進行試配,并且同一種配合比也采用不同的摻量( 15%、20%、25%、28%)進行試配,通過試驗結果確定粉煤灰摻量。4高性能混凝土現場應用41高性能混凝土施工工藝要點高性能混凝土施工工藝必須解決的主要問題是拌和物的高粘性與坍落度損失。由于這種新型混凝土膠凝材料用量大,水膠比又小,使混凝土粘性大,流動慢,因而

14、采用了自動電子計量1000型攪拌機、罐車運輸和泵送工藝這種高度工業化控制的生產體系,以保證生產出勻質性好、質量穩定的產品。高性能混凝土由于加入了粉煤灰和外加劑,在拌制混凝土時適當延長攪拌時間,以改善混凝土的流動性和減小混凝土泌水,減小混凝土強度值的離散性。拌和好的混凝土如果經檢驗坍落度或擴展度不夠,不是加水而是適當增加減水劑摻量,這樣既保證了混凝土拌和物性能,又保證了混凝土的強度。(1)混凝土拌和物含氣量石太鐵路客運專線Z9標段位于山西省太原市陽曲縣境內,最冷月平均氣溫為- 79 ,混凝土處于三級凍融破壞環境。樁基和承臺等地下工程要求含氣量20% ,墩身以上上部結構要求含氣量50%。而引氣是提

15、高混凝土抗凍能力的最有效手段。混凝土引氣主要是通過外加劑中的引氣劑來滿足的,但混凝土含氣量越大,混凝土強度損失也越大。混凝土含氣量除與外加劑的成分和引氣效果有關外,還與混凝土原材料、混凝土溫度、拌和用水量、攪拌時間、振搗時間均有關系。水泥細度大,含堿量高,混凝土含氣量均減小;混凝土溫度高,含氣量損失快;拌和用水量增大,混凝土含氣量也會增大,水的硬度大則相同摻量時混凝土含氣量變小;混凝土攪拌時間過長或不足都會使混凝土含氣量減小。另外,混凝土含氣量減小同時會導致混凝土密度增大,體積縮小,反饋到現場就是混凝土虧方。因此,在混凝土施工過程中,控制原材料和混凝土攪拌過程,嚴格控制混凝土的含氣量滿足要求,

16、但不宜過大。(2)混凝土泌水混凝土的泌水會使其組成材料發生離析和在粗骨料顆粒下方形成水囊,造成水膠比不均勻,其結果是混凝土抗拉強度下降,耐久性降低。在施工過程中,發現混凝土有泌水現象,分析其原因: 水泥溫度高,并且經對水泥廠的調查發現,造成混凝土泌水的原因是因為水泥在生產過程中熟料的溫度均偏高; 水泥和外加劑的適應性差。水泥在生產過程中調整生產工藝和添加料的成分,這方面溝通不夠,沒能及時和外加劑生產廠家溝通,致使外加劑和水泥的適應性不好; 砂中大于10 mm顆粒偏多,使混凝土和易性差,也是造成混凝土泌水的一個因素; 混凝土攪拌時間短,適當延長混凝土攪拌時間,使混凝土充分拌和均勻,是解決混凝土泌

17、水的一方面。針對以上分析的原因,在施工過程中及時采取相應措施,使混凝土盡量減少泌水現象。(3)拌和物和易性影響混凝土拌和物和易性的因素主要有:膠凝材料漿的數量及稠度;骨料的影響和外加劑的影響。在水膠比一定的前提下,單位體積拌和物內膠凝材料越多,拌和物流動性越大。但膠凝材料過多,拌和物過粘,強度與耐久性都會變差;膠凝材料過少,不能完全包裹骨料表面,拌和物會產生崩塌。水膠比小,膠凝材料漿液就稠,拌和物流動性小。水膠比過小則拌和物失去流動性,甚至粘聚性很差,影響硬化混凝土的密實性和強度。水膠比太大,拌和物粘聚性和保水性變差,產生泌水、離析現象,直接導致硬化混凝土強度降低,耐久性變差。因此,在混凝土施

18、工過程中,嚴格執行設計配合比的水膠比,除了滿足強度要求外,同時使混凝土具有良好的和易性。另外,還通過改善砂石料的級配和砂率,調整拌和物的和易性。高性能混凝土的許多特性是相互關聯的,改變其中一個常牽扯到一個或多個其他特性發生變化。因此,在施工過程中必須保證混凝土的若干特性同時滿足。高性能混凝土的工作性包括充填性、可泵性和穩定性,即抗離析和抗泌水性。高性能混凝土不但只有高流動性,也有良好的充填性,即拌和物通過鋼筋間距流到模板各角落不被堵塞且均勻填充的性質。42混凝土耐久性指標測試(1)強度對于高性能混凝土,提高強度比較容易,而耐久性則亟待改善。混凝土的早期強度越高,混凝土早期開裂的可能性就越大,不

19、利于混凝土的耐久性能。摻加粉煤灰后,混凝土的早期強度增長速度有所放慢,對保證混凝土的耐久性能有利。所以鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準中規定,除預應力混凝土、蒸汽養護混凝土和噴射混凝土試件試驗齡期為28 d外,其余混凝土試件的試驗齡期均為56 d。現場灌注樁基混凝土56 d標準養護試件強度均在45MPa左右。(2)高性能混凝土的密實性高性能混凝土水膠比很低,膠凝材料總含量較高,因而具有很低的滲透性或稱高密實性,即耐久性很好。經試驗得出,混凝土水膠比越大,氯離子擴散系數也隨之增大,使混凝土密實性降低。并且,粉煤灰摻量越大,氯離子擴散系數越小,混凝土耐久性就越好。在鐵路混凝土工程施工質量驗收補充

20、標準中規定,同一配合比、同施工工藝的混凝土每2萬m3 混凝土檢測1次混凝土電通量,現場施工的混凝土電通量反饋數據為1 267 C,滿足要求。5混凝土配合比設計及使用優化過程中的經濟分析在配合比設計和混凝土施工的整個過程中,降低混凝土成本是不容忽視的一個重要因素。由于各個水泥廠生產的水泥在組成、細度、堿含量等方面有所不同,因此水泥與外加劑之間的適應性存在較大的差異。選用不同廠家的水泥和不同廠家的外加劑配制相同性能的混凝土,所需要的水泥用量、外加劑用量及外加劑品種必然不同,混凝土的配合比也就有所不同,從而使得混凝土的材料成本存在很大得差異。在設計配合比時,首先將2種水泥和2種外加劑按同一配合比進行

21、試驗,找出2種水泥配制的混凝土在強度和工作性能上的區別,再根據這些試驗結果調整混凝土中水泥、外加劑用量,使混凝土的各項性能達到設計要求,即:對坍落度和坍落度保留值偏低的混凝土,增加外加劑的用量;對強度偏低的混凝土,增加其中的水泥用量。在保證新拌混凝土工作性和硬化混凝土強度、耐久性指標達到設計等級要求的基礎上,比較各個配合比的混凝土綜合成本,從而達到通過優化配合比設計,降低混凝土成本的目的。首先將2種外加劑按同一配合比進行試驗,找出2種外加劑配制的混凝土在性能上的差別,這個配合比成為基礎配合比。C30 樁基混凝土基礎配合比見表2。2種外加劑配制的混凝土性能見表3。注: 04 - 1試用鐵圓外加劑

22、, 04 - 2試用建愷外加劑。從2組混凝土性能的試驗結果發現,在相同配合比下, 2種外加劑配制的混凝土的各項性能指標均能滿足要求,但建愷外加劑配制的混凝土坍落度大,強度較高,適當減少外加劑的摻量和用水量,重新配制混凝土,以期配制相同的混凝土坍落度和相同的混凝土強度等級,調整后的混凝土性能見表4。通過以上調整, 2種外加劑配制的C30樁基混凝土配合比的工作性能和耐久性指標基本保持一致。混凝土配合比和成本分析結果見表5。在滿足相同性能的前提下,比較2組混凝土的材料成本,用建愷外加劑配制的混凝土的價格和用鐵圓外加劑配制的混凝土相比每m3 材料價格低618元。按照04 - 2 (09)確定的混凝土配

23、合比作為基礎配合比,配制2種水泥的混凝土,其混凝土性能見表6。注: 09 - 1試用獅頭水泥, 09 - 2試用智海水泥從2組混凝土性能的試驗結果發現:在相同配合比下,智海水泥配制的混凝土坍落度稍大,強度偏低。調整配合比中水膠比,重新配制混凝土,以期配制相同的混凝土坍落度和相同的混凝土強度等級,調整后的混凝土性能見表7。通過以上調整, 2種水泥配制的C30樁基混凝土配合比的工作性能和耐久性指標基本保持一致。混凝土配合比和成本分析結果表8。在滿足相同性能的前提下,比較2組混凝土的材料成本,用獅頭水泥配制的混凝土的價格比用智海配制的混凝土相比每m3 材料價格高816元。用智海水泥配制的混凝土配合比雖然各項性能指標滿足要求,但強度偏高,說明粉煤灰摻量還可以加大,水膠比也可以調整,見表9。通過以上調整,混凝土配合比各項性能指標均滿足規范要求