高鐵客運(yùn)專線高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工常見問題的解決措施

吳剛　孫樹

江蘇博特新材料有限公司，江蘇南京  210008

引言

    隨著國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》和2005年起武廣、鄭西、石太、京津、合寧、武合、甬臺(tái)溫等高鐵客運(yùn)專線相繼開工，中國(guó)大規(guī)模建設(shè)高速鐵路的序幕已經(jīng)拉開。客運(yùn)專線高性能混凝土是在混凝土技術(shù)發(fā)展到一定水平，高性能混凝土技術(shù)在國(guó)內(nèi)如青藏鐵路、杭州灣跨海大橋、東海大橋等重大工程中成功應(yīng)用，耐久性理念得到提升的背景下發(fā)展的，應(yīng)積極更新觀念，全面認(rèn)識(shí)和掌握客運(yùn)專線高性能混凝土技術(shù)，以適應(yīng)不同環(huán)境下高耐久性要求的客運(yùn)專線混凝土施工。

1、客運(yùn)專線高性能混凝土技術(shù)要求的特點(diǎn)

    (1)原材料品質(zhì)要求比現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)有所提高，對(duì)處于不同環(huán)境的混凝土分別有抗氯離子滲透性、抗凍性、耐蝕性、抗堿一骨料反應(yīng)性等多種耐久性要求。

    (2)礦物摻合料和聚羧酸外加劑的使用已納入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，國(guó)內(nèi)外混凝土科研技術(shù)成果得以大規(guī)模應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)施工工藝和設(shè)備、混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)提出了考驗(yàn)。

    (3)施工點(diǎn)多，環(huán)境、原材料品質(zhì)差異大，聚羧酸系外加劑的應(yīng)用控制技術(shù)要求高，對(duì)適應(yīng)具體環(huán)境施工的混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)水平提出了較高的要求。

2、客運(yùn)專線高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法

　　2.1不同施工環(huán)境下耐久性要求有所不同，但配合比設(shè)計(jì)的差異性不大

    (1)不同環(huán)境條件下的混凝土耐久性要求和通常采取的技術(shù)措施，見表l。

    (2)混凝土配合比設(shè)計(jì)的差異性不同環(huán)境條件下混凝土的耐久性指標(biāo)要求高低有所差異，對(duì)原材料的品質(zhì)要求提高，采用摻人大摻量礦物摻合料和高性能減水劑、降低混凝土水膠比、對(duì)含氣量要求提高等措施可以滿足抗氯離子滲透性、抗凍性、耐蝕性、抗堿一骨料反應(yīng)性等多種耐久性要求，采取的技術(shù)措施基本上是一致的，設(shè)計(jì)時(shí)一些組分的摻量雖稍有不同，但總體差異性不大。

　　2.2為滿足耐久性要求，一般應(yīng)采用”大摻量礦物摻合料高性能減水劑的基本技術(shù)路線進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)大摻量礦物摻合料的使用和通過高性能減水劑降低混凝土水膠比為滿足混凝土耐久性提供了必要的技術(shù)保證。

　　由于材料來源的限制，大摻量礦物摻合料可能是粉煤灰和礦粉中的一種單摻或兩種復(fù)摻。

    聚羧酸類高性能減水劑因適應(yīng)大摻量礦物摻合料的使用、并具有較大的減水性能等優(yōu)點(diǎn)，在客運(yùn)專線高性能混凝土中得到大量使用。

　　2.3客運(yùn)專線混凝土屬于高性能混凝土的范疇，應(yīng)遵循高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)原理和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)高性能混凝土配合比參數(shù)主要有水膠比、砂石比和高效減水劑用量等，這些參數(shù)相互制約共同影響混凝土的性能。

    滿足混凝土耐久性要求水膠比低，保證高流動(dòng)性需要較大的漿集比和砂率，而減小粗集料用量卻影響混凝土的彈性模量、增加干縮和徐變，高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)正確選擇原材料和配合比參數(shù)，使其中的矛盾得到統(tǒng)一，使混凝土拌和物經(jīng)濟(jì)、合理。

    客運(yùn)專線高性能混凝土的配合比應(yīng)遵循混凝土密實(shí)體積法則，按照絕對(duì)體積法進(jìn)行設(shè)計(jì)，即塑性狀態(tài)混凝土總體積為水、膠凝材料、骨料、外加劑、氣體含量的密實(shí)體積之和。

3、客運(yùn)專線C30灌注樁高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)特征參數(shù)的選擇

　　3.1水膠比

    為達(dá)到混凝土的低滲透性，應(yīng)保證混凝土的密實(shí)，以滿足電通量、抗凍性等耐久性指標(biāo)要求，混凝土水膠比一般不應(yīng)大于0.40。對(duì)于客運(yùn)專線C30灌注樁混凝土，水膠比通常選擇0.36～O.42，選擇合適的礦物摻和料摻量，可以滿足混凝土56d電通量低于1500C～2000C。

　　3.2礦物摻和料摻量

    為改善施工和抗裂性能，有效改善抗氯鹽侵蝕、防止堿骨料反應(yīng)、抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能，混凝土中摻入粉煤灰和磨細(xì)礦粉是常用的技術(shù)措施。

    對(duì)于客運(yùn)專線C30灌注樁高性能混凝土，根據(jù)所采用的水泥品種，通常單摻粉煤灰摻量可選擇25％～30％，單摻磨細(xì)礦粉摻量可選擇30％～50％，因二者密度均比水泥小，等量取代水泥可以獲得漿體體積增加，有利于提高漿集比、改善混凝土工作性。

　　3.3砂率和微粉含量

    膠凝材料用量一定時(shí)，影響工作性的主要參數(shù)是砂率和含氣量，滿足流動(dòng)性的砂漿量將通過提高砂率和含氣量來實(shí)現(xiàn)。砂率的選擇通常按照粗骨料密實(shí)堆積下的空隙率確定，如骨料級(jí)配差、空隙率大會(huì)造成填充空隙的細(xì)骨料用量過大，進(jìn)而造成填充空隙和包裹骨料的膠凝材料用量的增加。

    為防止離析、沉底、泌漿等造成堵管，應(yīng)保證細(xì)骨料中通過0.315mm篩的微粉含量(不宜少于l0％)，粗骨料粒徑越小，微粉含量應(yīng)越高。

　　3.4含氣量

    客運(yùn)專線灌注樁混凝土比以往的灌注樁混凝土單位用水量降低l0kg/m3～25 kg/m3，填充空隙和包裹骨料的漿體體積將減少0.Olm，0.02m3，折合膠凝材料用量相當(dāng)于減少30 L9/m3～60 k9/m3，為改善聚羧酸系外加劑不適合低膠凝材料用量混凝土的施工的缺點(diǎn)，改善灌注樁高性能混凝土的施工性能，應(yīng)適當(dāng)提高混凝土的含氣量，既彌補(bǔ)漿體體積量的缺失，又改善細(xì)骨料中因細(xì)顆粒含量過低而引起的混凝土和易性不良，改善灌筑性能。

　　3.5 C30灌注樁高性能混凝土配合比特征參數(shù)建議值

    如粗骨料級(jí)配良好，細(xì)骨料中細(xì)顆粒含量合適，水泥相容性良好，采用聚羧酸外加劑配制的56 d電通量指標(biāo)1 500 C的客運(yùn)專線C30灌注樁高性能混凝土，建議按表2進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)的特征參數(shù)選擇：

4、客運(yùn)專線C50箱梁高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)特征參數(shù)的選擇

　　4.1水膠比

　　一般C50級(jí)箱梁選擇水膠比為0.30～0.32。由于要求3d。5d張拉鋼筋的強(qiáng)度要求，加上礦渣粉和Fa的摻加，還有電通量的要求，水膠比控制在0.30—0.32是合適的。

　　4.2含氣量《高鐵技術(shù)規(guī)程》中要求混凝土含氣量控制在2.5％～3.5％，含氣太少時(shí)，混凝土粘性大，不易泵送施工，控制在3.O％～3.5％較合適。

　　4.3砂率

    C50級(jí)混凝土，膠結(jié)材相對(duì)較高，砂率可選擇在38％～42％之間，一般情況選擇40％是合適的。

　　4.4京津線C50箱梁高性能混凝土配合比如表3。

5、混凝土施工中常見問題的原因分析和解決措施

　　5.1混凝土施工中的常見問題

    在京津、武合、武廣、鄭西、甬溫等客運(yùn)專線若干施工現(xiàn)場(chǎng)，施工單位普遍反映目前的C30灌注樁高性能混凝土控制和施工難度較大，拌和物施工性能波動(dòng)大，容易出現(xiàn)離析、細(xì)骨料下沉、粘罐、含氣量過大或過小等問題，控制不好容易造成堵管、斷樁情況的發(fā)生。C50箱梁高性能混凝土粘性大，對(duì)水用量敏感，水稍微多加，混凝土容易出現(xiàn)離析、細(xì)骨料下沉、粘罐。

　　5.2原因分析

　　5.2.因選材、配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)對(duì)高性能混凝土和聚羧酸外加劑性能的認(rèn)識(shí)存在不足，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的配合比存在一定的不合理性

    (1)高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)在最大密實(shí)度理論基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮骨料的比表面積對(duì)多余起潤(rùn)滑作用的漿體數(shù)量的影響，即填滿骨料密實(shí)堆積時(shí)的空隙外使新拌混凝土具有工作度的漿體數(shù)量應(yīng)合適。

    (2)受環(huán)境的制約，骨料性能未必都能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，配合比設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)粗細(xì)骨料的表面狀態(tài)、細(xì)骨料顆粒組成、粗骨料級(jí)配狀況、外加劑與膠凝材料的相容性情況綜合考慮經(jīng)過試配確定漿體的流動(dòng)性最佳實(shí)現(xiàn)途徑。

    ①應(yīng)根據(jù)高性能混凝土和聚羧酸外加劑的特點(diǎn)，采用  增加漿體體積量、降低聚羧酸外加劑對(duì)用水敏感性的辦法進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)混凝土的流動(dòng)性。

    ②單方面增加外加劑的用量可以獲得漿體流動(dòng)性增加，但在聚羧酸外加劑過量時(shí)混凝土極易發(fā)生離析、骨料下沉、漿體與骨料分離、摩擦阻力增加、泌水等現(xiàn)象，降低用水量雖然可使混凝土拌和物性能暫時(shí)得到改善，但施工中混凝土拌和用水量失控和外加劑摻量過大引起對(duì)用水量敏感性的增加，極易導(dǎo)致混凝土過于粘稠和嚴(yán)重離析的現(xiàn)象發(fā)生，出現(xiàn)施工問題。

    ③應(yīng)根據(jù)骨料的空隙率和砂中細(xì)顆粒含量調(diào)整砂率，如細(xì)顆粒偏少，可調(diào)整增加膠凝材料用量、適度調(diào)整外加劑增大含氣量；如細(xì)顆粒偏多，也應(yīng)調(diào)整增加膠凝材料用量、適當(dāng)減少砂的用量。

　　5.2.2因施工用材料與設(shè)計(jì)時(shí)材料來源發(fā)生改變，配合比未進(jìn)行必要的調(diào)整

    如粉煤灰品種更換使Ca0含量、燒失量、需水比發(fā)生較  大改變，因?qū)�含氣量、單位用水量、外加劑用量等參�?shù)影響較大，應(yīng)重新進(jìn)行配合比的設(shè)計(jì)。

　　5.2.3因原材料品質(zhì)波動(dòng)導(dǎo)致混凝土施工性能的改變

    我國(guó)地域遼闊，工程材料使用量大，原材料質(zhì)量難于穩(wěn)定，容易出現(xiàn)品質(zhì)波動(dòng)。習(xí)慣認(rèn)為水泥和外加劑品質(zhì)的波動(dòng)是引起拌和物性能改變的主要因素，但實(shí)際上，對(duì)于低膠凝材料用量的客運(yùn)專線灌注樁高性能混凝土，骨料品質(zhì)的波動(dòng)確是不應(yīng)忽視的一個(gè)重要因素。

　　5.2.4未根據(jù)拌和樓試拌效果作必要的調(diào)整，不重視拌和樓對(duì)用水量的控制水平

    由于試驗(yàn)室與拌和樓存在一定的差異，試驗(yàn)室配合比，尤其是高性能混凝土，必須結(jié)合拌和樓的設(shè)備能力和生產(chǎn)試拌及對(duì)骨料含水率的控制水平進(jìn)行必要的合理調(diào)整，混凝土配合比應(yīng)結(jié)合實(shí)際設(shè)備的誤差范圍和拌和樓對(duì)骨料含水的控制水平進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

　　5.3解決措施

    (1)配合比設(shè)計(jì)階段，應(yīng)結(jié)合聚羧酸外加劑特點(diǎn)，根據(jù)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)、試拌。

    (2)混凝土施工過程中，因材料批次發(fā)生改變、生產(chǎn)控制不當(dāng)而出現(xiàn)拌合物性能改變，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

    建議在骨料堆場(chǎng)搭設(shè)遮雨棚，施工時(shí)為減少骨料含水率的波動(dòng)，應(yīng)增加對(duì)骨料的翻拌次數(shù)，增加勻質(zhì)性，削弱骨料含水率的波動(dòng)、降低控制難度。

    (3)增加膠凝材料與外加劑相容性、細(xì)骨料顆粒級(jí)配、骨料含水率的測(cè)試頻次，必要時(shí)應(yīng)增加含氣量的測(cè)試、驗(yàn)算配合比漿體體積量，根據(jù)測(cè)試結(jié)果及時(shí)采取調(diào)整措施。施工中還應(yīng)根據(jù)氣溫情況，調(diào)整適宜的外加劑摻量，防止欠量或過量發(fā)生問題。

    (4)拌和樓增加計(jì)量系統(tǒng)的建議

考慮外加劑的供應(yīng)距離、聚羧酸外加劑應(yīng)用技術(shù)的不成熟性和難于穩(wěn)定的原材料問題，建議施工單位借鑒水利建設(shè)行業(yè)混凝土拌和樓設(shè)備選型經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)備選型或設(shè)備改造時(shí)考慮增加一套外加劑計(jì)量系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)混凝土施工合理調(diào)整中一些所需組分如引氣劑、緩凝劑的臨時(shí)添加計(jì)量，以應(yīng)付原材料品質(zhì)波動(dòng)或現(xiàn)場(chǎng)具體情況所需。 

6、結(jié)語

　　6.1客運(yùn)專線高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)需要相關(guān)的科研設(shè)計(jì)、施工應(yīng)用單位針對(duì)不同環(huán)境不斷總結(jié)出適合中國(guó)鐵路  建設(shè)特點(diǎn)的高性能混凝土施工經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)實(shí)踐。

　　6.2客運(yùn)專線工程開工建設(shè)量大、施工點(diǎn)分散、原料復(fù)雜，必須提升高性能混凝土配合比的設(shè)計(jì)水平，充分考慮大摻量礦物摻合料的高性能混凝土的特征、聚羧酸外加劑的特點(diǎn)、骨料等原材料的品質(zhì)現(xiàn)狀，并考慮實(shí)際機(jī)械、設(shè)備能力和控制水平及難度，才有利于保證客運(yùn)專線耐久性混凝土的施工質(zhì)量。

　　6.3為適應(yīng)客運(yùn)專線和鐵路混凝土工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)中關(guān)予膠凝材料用量和外加劑的選擇要求，客運(yùn)專線灌注樁高性能混凝土往往需要采取適度引氣的技術(shù)措施后才可以改善混凝土漿體包裹性能的缺陷、滿足混凝土施工性能和耐久性。

    由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際骨料品質(zhì)和粉煤灰狀況的差異，為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，造成單一劑種外加劑引氣組份摻量需要加大，雖然可以滿足工程使用要求，但單一劑種進(jìn)行產(chǎn)品抽樣檢測(cè)必然造成含氣量指標(biāo)過大，導(dǎo)致不合格指標(biāo)出現(xiàn)，影響產(chǎn)品的供應(yīng)和使用。

    建議有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編制單位對(duì)此引起足夠的重視，可借鑒水利工程建設(shè)中減水劑和引氣劑分開添加的作法提出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)修訂辦法，以適應(yīng)客運(yùn)專線工程具體環(huán)境的混凝土施工。

參考文獻(xiàn)

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)