摘要:結合鄭州—西安鐵路客運專線工程,采用現場原材料對預制箱梁用C50 高性能混凝土,尤其是混凝土耐久性的主要影響因素進行了研究和分析。對混凝土電通量的影響因素之一礦物摻和料的數量和種類研究表明,當粉煤灰摻量大于15 %或摻入礦粉大于30 %時混凝土電通量能滿足小于1 000 C的要求。含氣量達到215 %~315 %時,混凝土經過200 次凍融循環后相對動彈性模量高于85 % ,抗凍性良好。最后,介紹了鄭西鐵路混凝土箱梁的工藝要求。
關鍵詞:客運專線 混凝土 耐久性 應用
中圖分類號:U214.1 + 8 文獻標識碼:B
0 引言
鄭州—西安鐵路客運專線東起鄭州樞紐,西止西安樞紐,基本與隴海鐵路鄭州—西安段平行,是規劃的徐州—蘭州客運專線的重要組成部分。全線長484.52km 共有橋梁215 座230.4 km。沿線共設有18 個預制梁場,預制梁多采用強度等級為C50 的32 m 和24 m預應力箱梁,共7 000件左右。可以說,預制梁質量的優劣對整個工程質量的影響十分重大。自2005 年,鐵路客運專線建設采用以耐久性為基本要素的高性能混凝土的技術要求,規定結構物按耐久性設計,確保混凝土結構物達到正常的使用壽命[1~3 ] 。高性能混凝土是基于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,重點保證混凝土的耐久性、工作性、適用性、強度、經濟性[5 ] 。本文結合鄭西客專梁場施工情況,對高性能(以耐久性為主) 混凝土在鄭西鐵路客運專線箱梁中的應用進行研究和探討。
1 混凝土配合比設計
1.1 環境條件
鄭西客運專線氣候環境為暖溫帶半濕潤季風氣候,雨量適中,氣候溫和,四季分明。沿線年平均溫度為13.0 ℃~14.4 ℃,1 月份最低平均溫度為- 0.9 ℃~0.2 ℃。極端最低氣溫為- 20.6 ℃,個別地區存在中度以下化學腐蝕。
1.2 原材料
秦嶺P.O42.5 水泥;渭河電廠Ⅰ級粉煤灰;西安德龍新型建筑材料科技有限公司礦渣;灞河河砂,細度模數為2.9 ;華縣蓮花寺二級配碎石;聚羧酸系減水劑。上述材料各項指標均符合《鐵路客運專線高性能混凝土暫行技術條件》的要求。
1.3 配合比設計原則
1) 混凝土坍落度應滿足施工要求,配制成的混凝土應滿足設計強度、耐久性等質量要求。
2) 混凝土的膠凝材料總量不宜高于500 kgPm3 。混凝土的最大水膠比和最小膠凝材料用量應滿足設計以及規范要求。
3) 混凝土中宜適量摻加優質的粉煤灰、礦渣粉等摻和料,粉煤灰的摻量不宜大于30 %。
4) 為了降低堿—骨料反應發生的可能性,混凝土單方總堿含量應滿足相關要求。
5) 預應力混凝土的氯離子總含量不應超過膠凝材料總量的0.06 %。
1.4 混凝土技術參數
根據《鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定》等相關規范、設計要求、環境條件以及施工工藝,初步確定預制箱梁用高性能混凝土技術參數(因各梁場情況不同,本研究僅供參考) ,具體情況見表1。
1.5 混凝土耐久性
預制梁混凝土的耐久性技術指標主要有電通量、抗凍性、抗滲性、堿—骨料反應和抗裂性。因力學性能研究資料較多,本文不再進行討論,僅對主要混凝土耐久性影響因素進行研究。
1) 電通量 氯離子是引起鋼筋銹蝕,造成混凝土結構耐久性下降的最主要原因之一。氯離子的滲透性
是評價混凝土抵抗氯離子侵蝕的一個重要參數,長期以來國內外學者做了大量工作,提出了多種試驗方法,其中應用最廣泛的是快速氯離子滲透測試方法,即電通量法(AASHTO T227 和ASTM C1202) 。其主要原理是利用外電場來加快離子的運動速度,然后按擴散性與電遷移參數間的理論關系來計算氯離子的擴散性,從而判斷混凝土的抗滲透性。考慮到目前的生產技術條件,鐵路各相關規范暫時將氯離子電通量作為混凝土的重要耐久性檢驗指標之一。試驗表明,影響電通量的因素有水膠比、摻和料摻量和種類、混凝土含氣量、混凝土齡期、混凝土中Cl - 含量等。一般認為隨著礦物摻和料摻量的增加,混凝土電通量呈現下降的趨勢;一般摻和料效果:硅灰效果> 粉煤灰效果> 礦粉效果;隨著水膠比的降低,混凝土電通量亦呈現輕微下降的趨勢。
相同條件下,摻加不同摻量的粉煤灰和礦粉對混凝土電通量的影響見圖1 和圖2。通過圖1、圖2 可以看出,相同摻量條件下粉煤灰降低混凝土電通量的效果優于礦粉。礦粉摻量在0 %~20 %之間時對電通量影響程度較小,當礦粉摻量達到20 %以后混凝土電通量開始明顯降低,也就是礦粉需達到一定摻量后方對混凝土電通量有較明顯的改善作用。對于本次C50 梁體混凝土試驗研究,單摻粉煤灰摻量> 15 %或單摻礦粉摻量> 30 % ,能夠滿足混凝土電通量< 1 000 C的要求。此外,采用粉煤灰和礦粉同時摻入的“雙摻”方法也可以有效降低混凝土的電通量,見圖2。因此,施工過程中一般可通過控制礦物摻和料摻量和種類來降低混凝土電通量,但由于工地大量采用普通硅酸鹽水泥,也就是水泥中已摻加了15 %左右的混合材料,在進行配合比設計時要注意其摻量和種類。
2) 抗凍性能 混凝土在飽水狀態下因凍融循環產生的破壞作用稱為凍融破壞。混凝土的抗凍性是指混凝土抵抗凍融循環作用的性能。混凝土凍融循環產生的破壞作用主要有凍脹開裂和表面剝蝕兩個方面。影響混凝土抗凍性的主要因素有混凝土含氣量和氣孔結構、水膠比、礦物摻和料數量和種類、水泥品種、骨料品質等,其中混凝土含氣量與抗凍性的關系最為緊密。
混凝土含氣量與抗凍性的關系試驗結果見表2。
結果表明,對于C50 混凝土而言,不對混凝土引氣其抗凍效果不理想,僅經過125 次凍融循環就破壞。當混凝土含氣量達到2.5 %~3.5 %時,混凝土經過200 次凍融循環后相對動彈性模量高于85 % ,抗凍性良好。因此,施工中要求控制混凝土入模含氣量為2 %~4 % ,對保證混凝土抗凍性十分重要。
3) 抗滲性 通過試驗混凝土抗滲性均容易滿足設計要求。對于C50 混凝土而言,抗滲指標意義不大。
4) 抗堿—骨料反應性能 試驗采用非堿活性骨料,低堿水泥,混凝土單方總堿含量小于3 kgPm3 。
5) 抗裂性 采用抗裂環對混凝土抗裂性進行評價,此試驗為對比試驗,無明確技術指標。試驗表明當摻入一定量的摻和料后裂縫出現的概率大大降低。
1.6 混凝土配合比的確定
經對比試驗,預制箱梁高性能混凝土配合比見表3 ,試驗結果見表4。
2 施工工藝
混凝土按照腹板→底板→面板的順序對稱澆筑,采用縱向分段、斜向分層,連續澆筑的方式,分層厚度≤300 mm。澆筑時間不得超過混凝土初凝時間并不得超過6 h。混凝土出機溫度不大于30 ℃,夏季采用冷卻水及骨料遮陽等降溫處理,氣溫較高時泵管采用麻布覆蓋灑水的方式,并防止輸送過程中混凝土坍落度損失過大。箱梁配筋密集,結構相對復雜,在澆筑過程中適當增加振搗人員及設備的數量,尤其加強層與層間的振搗,振搗標準以混凝土表面的水平不再顯著下沉、不再出現氣泡、表面不再泛漿為準。在澆筑腹扳時嚴格控制混凝土坍落度,避免從底板泛漿。拆模后,及時噴涂混凝土養護劑或覆蓋灑水,養護時間≥14 d。
養護用水與梁體表面溫差≤15 ℃。
現場各梁場需要根據不同原材料進行混凝土配合比的優選。攪拌前根據骨料含水率檢測結果確定施工配合比,對出機混凝土按規定頻率進行坍落度、含氣量、泌水率、出機溫度等指標檢測。一般情況下,混凝土泵送距離100~200 m ,混凝土坍落度在1 h 內基本沒有損失,混凝土和易性好,易泵送,易振搗,混凝土初凝時間為8~12 h ,滿足澆筑工藝的要求。混凝土強度和彈模隨齡期發展規律良好,能夠滿足10 d 終張拉的要求。混凝土芯部最高溫度基本能夠控制在65 ℃,但在夏期施工時要加強管理,控制好混凝土最高溫度和溫差。梁體拆模后,表面光潔,可見裂縫很少,外觀良好。
3 結語
1) 高性能混凝土具有良好的抗凍、抗氯離子滲透、抗滲、抗裂以及抗堿—骨料反應等耐久性能,且具有良好的拌和物性能,坍落度經時損失小,混凝土不泌水,施工性能良好。
2) 相同摻量條件下粉煤灰降低混凝土電通量的效果優于礦粉。對C50 混凝土,當粉煤灰摻量大于15 %或摻入礦粉大于30 %時,混凝土電通量能滿足小于1 000 C的要求。采用粉煤灰和礦粉同時摻入的“雙摻”方法也可以降低混凝土的電通量。
3) 對混凝土含氣量與抗凍性能的研究表明,非引氣C50 混凝土僅經過125 次凍融循環就破壞,含氣量達到2.5 %~3.5 %時,混凝土經過200 次凍融循環后相對動彈性模量仍高于85 % ,抗凍性良好。控制混凝土入模含氣量2 %~4 %是保證混凝土抗凍性達到要求的重要保證。
參考文獻
[1 ]科技基[2005 ]101 號,客運專線高性能混凝土暫行技術條件[ S] .
[2 ]鐵建設[2005 ]157 號,鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定[ S] .
[3 ]鐵科技函[2004 ]120 號,客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件[ S] .
[4 ]馮乃謙. 高性能混凝土結構[M] . 北京: 機械工業出版社,2004.
[5 ]吳中偉、廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京:中國鐵道出版社,1999.