鐵路高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

王學(xué)彥 魏秀瑛 韓文軍

1 問(wèn)題的提出

長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)混凝土要求關(guān)注強(qiáng)度指標(biāo),在滿足施工工藝要求的前提下,認(rèn)為強(qiáng)度越高,混凝土的品質(zhì)越好,實(shí)際上很多工程領(lǐng)域的混凝土強(qiáng)度都達(dá)到了相當(dāng)高的指標(biāo),但在試用期內(nèi)卻過(guò)早地出現(xiàn)了劣化的現(xiàn)象,高性能混凝土就是在這種情況下提出來(lái)的。高性能混凝土與傳統(tǒng)的普通水泥混凝土的根本區(qū)別在于混凝土滿足強(qiáng)度基本要求的前提下,將混凝土的耐久性指標(biāo)作為重點(diǎn)控制指標(biāo),并根據(jù)混凝土所處的環(huán)境介質(zhì)的侵蝕情況進(jìn)行必要的防腐處理,使混凝土的使用壽命達(dá)到預(yù)期要求,保證建設(shè)項(xiàng)目高效、安全、節(jié)能、環(huán)保。作者通過(guò)參與了武廣、京滬、廈深等鐵路客運(yùn)專線的建設(shè),對(duì)鐵路高性能混凝土的設(shè)計(jì)和使用做了較為深入的研究和實(shí)踐。

2 高性能混凝土的特點(diǎn)

高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)重點(diǎn)體現(xiàn)在混凝土的高性能上,它的高性能主要體現(xiàn)在:1)高工作性:即具有好的流動(dòng)性,和易性,粘聚性和保水性,能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)的施工工藝和設(shè)備的要求;2)高強(qiáng)度:在使用較小的膠材用量的情況下既能夠獲得比普通混凝土高的強(qiáng)度,并且前期水化反應(yīng)溫和,二次水化產(chǎn)生的凝膠體使混凝土內(nèi)部不斷密實(shí),強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng);3)高耐久性:按目前的鐵路客運(yùn)專線的標(biāo)準(zhǔn),要求混凝土結(jié)構(gòu)要具有100年以上的使用壽命;4)高適應(yīng)性:所使用的混凝土要能適應(yīng)所處環(huán)境的需求,要針對(duì)不同侵蝕介質(zhì)配制滿足耐久性要求的混凝土。

3 設(shè)計(jì)思路和途徑

高性能混凝土的設(shè)計(jì)與普通混凝土的設(shè)計(jì)步驟大致相同,所不同的是在設(shè)計(jì)初期要熟悉混凝土的各項(xiàng)耐久性指標(biāo),了解工程所在地的環(huán)境侵蝕情況以及施工圖紙上對(duì)耐久性的要求。結(jié)合我們?cè)谀宠F路長(zhǎng)沙灣特大橋高性能混凝土的設(shè)計(jì),高性能混凝土的設(shè)計(jì)思路和途徑應(yīng)該是:熟悉耐久性指標(biāo)→混凝土施工要求→原材料的選擇和控制→配合比設(shè)計(jì)要點(diǎn)→設(shè)計(jì)指標(biāo)驗(yàn)證、試驗(yàn)→施工注意要點(diǎn)的說(shuō)明等。

4 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 膠材用量

膠材指用于配制混凝土的水泥、粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉或硅粉等活性礦物摻合料的總稱,統(tǒng)稱為混凝土膠凝材料。在配制高性能混凝土?xí)r應(yīng)嚴(yán)格控制膠材用量,在能夠滿足混凝土強(qiáng)度需求的情況下,盡量減少膠材用量,而增加級(jí)配良好、形狀規(guī)則、表面粗糙、線膨脹系數(shù)小、材質(zhì)優(yōu)良潔凈的粗骨料,細(xì)骨料盡量采用級(jí)配良好、干凈的中砂,這樣會(huì)有效地減少混凝土內(nèi)部空隙,可以降低膠材用量,減少混凝土自縮。同時(shí),因膠材用量的減少,可有效的抑制混凝土的水化反應(yīng),減少水化熱和混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔,改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密實(shí)性。

活性摻合料的摻量同樣對(duì)混凝土的耐久性起到非常關(guān)鍵的作用,高性能混凝土與普通混凝土配合比區(qū)別所在無(wú)非有兩個(gè)方面:一方面摻加高效減水劑,減少混凝土單方用水量,降低了水膠比;另一方面在混凝土中加入活性摻合料(如粉煤灰、硅粉等),可很好的改善混凝土性能,減少水泥用量,增強(qiáng)混凝土和易性和密實(shí)性,抑制混凝土過(guò)快的水化反應(yīng),減少因早期強(qiáng)度過(guò)高而造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷性裂縫。所以在混凝土內(nèi)摻入一定比例的活性礦物摻合料是提高混凝土耐久性的有效途徑。目前,現(xiàn)場(chǎng)普遍采用的摻合料主要是粉煤灰,因粉煤灰的細(xì)度比水泥細(xì)度小得多,有著較大的比表面積,可以很好的填充混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔和水路,增強(qiáng)混凝土密實(shí)性,而且粉煤灰的水化反應(yīng)周期長(zhǎng),水化反應(yīng)遲緩,可持續(xù)增長(zhǎng)混凝土強(qiáng)度,對(duì)混凝土后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大,我們?cè)谕N條件下進(jìn)行的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明,摻加粉煤灰后56 d強(qiáng)度增長(zhǎng)可達(dá)10%～20%,最高可達(dá)30%以上。

通過(guò)對(duì)比可見(jiàn),摻加粉煤灰后,混凝土的前期強(qiáng)度上升遲緩,28 d強(qiáng)度明顯低于不摻加粉煤灰的情況,但后期強(qiáng)度上升空間較大,這就說(shuō)明粉煤灰對(duì)控制混凝土早期水化反應(yīng),改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高混凝土密實(shí)性能夠起到很好的作用。那么在實(shí)際運(yùn)用中粉煤灰的摻量是如何控制的,理論上粉煤灰在混凝土中以可替代水泥用量的20%～30%為最佳,但實(shí)際上在對(duì)混凝土早期強(qiáng)度要求不高的情況下,有時(shí)可達(dá)40%以上,我們?cè)趯?duì)長(zhǎng)沙灣特大橋的配合比設(shè)計(jì)中,粉煤灰的摻量按25%等量替代水泥。

4.2 水膠比

水膠比不僅對(duì)混凝土強(qiáng)度、耐久性有影響,而且對(duì)混凝土的流動(dòng)阻力也有很大影響。過(guò)大的水膠比特別不利于混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展,將會(huì)在混凝土內(nèi)部形成大量的開(kāi)口和閉口空隙或氣泡,以及因水分的移動(dòng)形成的貫通水路,極大的影響到混凝土的強(qiáng)度和耐久性,所以在高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)時(shí),水膠比是重點(diǎn)考慮和控制的參數(shù),一般以控制在0.42以下為最佳。

4.3 砂率

混凝土要具有良好的工作性、泵送時(shí)不堵塞泵機(jī)和管道、澆筑成型時(shí)易振搗、好抹面,選擇合理的砂率就尤為重要。砂率過(guò)小,混凝土中砂漿量小,拌合物的流動(dòng)性小,同時(shí)也容易產(chǎn)生石子離析;砂率過(guò)大,不僅會(huì)影響混凝土的工作性和強(qiáng)度,而且會(huì)增大收縮和產(chǎn)生裂縫。高性能混凝土的砂率一般宜控制在35%～45%,但為了保證混凝土強(qiáng)度,砂率最好控制在40%以內(nèi)。

4.4 坍落度

目前的高性能混凝土由于摻加了粉煤灰、外加劑,混凝土的和易性和工作性都得到了很大改善,保證滿足施工工藝的坍落度相對(duì)比較容易,但因目前減水劑性能的不穩(wěn)定性,以及施工現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境、溫度等因素的影響,坍落度常常會(huì)發(fā)生變化,尤其是減水劑的影響尤為重要,所以在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)對(duì)坍落度損失值進(jìn)行控制,一般情況下在配制混凝土?xí)r60 min坍落度損失不應(yīng)大于30 mm。

4.5 混凝土含氣量

在對(duì)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),含氣量也是一個(gè)必須考慮的指標(biāo)之一,混凝土含氣量除對(duì)混凝土抗凍性能起到很好的作用外,對(duì)混凝土的和易性、流動(dòng)性和耐久性等指標(biāo)也有明顯的影響,混凝土的含氣量可在混凝土中產(chǎn)生大量的球形氣泡,在不同介質(zhì)界面之間起到很好的潤(rùn)滑作用,并在混凝土內(nèi)形成均布的細(xì)小微孔,這些微孔可以有效的阻斷內(nèi)部貫通的毛細(xì)孔通路,降低毛細(xì)水的滲透,并可吸收和抵抗外界化學(xué)侵蝕,這些毛細(xì)孔是由混凝土中分布的均勻的氣泡產(chǎn)生的閉口空隙,與因水膠比過(guò)大或水路貫通而產(chǎn)生的缺陷孔道有本質(zhì)上的區(qū)別,二者不能混為一談。雖然混凝土的含氣量對(duì)混凝土的耐久性和工作性有一定的好處,但含氣量也不能過(guò)大,混凝土的含氣量主要是由引氣劑或有引氣功能的減水劑引起的,如果含氣量過(guò)大,一方面混凝土內(nèi)部空間會(huì)充滿大量氣泡,造成混凝土拌合物表觀密度降低,混凝土密實(shí)性不夠,強(qiáng)度損失較大;另一方面流動(dòng)的混凝土也會(huì)因時(shí)間的推移,內(nèi)部的氣泡不斷發(fā)生破裂而減少,造成混凝土坍落度損失較大,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法滿足施工工藝的要求。根據(jù)我們對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為:一般高性能混凝土在沒(méi)有抗凍要求的情況下,含氣量控制在2%～5%最為適宜,有抗凍要求時(shí)可達(dá)6%以上,對(duì)C50以上的混凝土最好控制在2%～4%,因?yàn)槲覀兺ㄟ^(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)混凝土含氣量超過(guò)5%以上時(shí),含氣量每增加一個(gè)百分點(diǎn),強(qiáng)度損失達(dá)5%～10%,60 min坍落度損失增加值可達(dá)10 mm～20 mm,對(duì)混凝土施工的質(zhì)量控制和強(qiáng)度保證極為不利。

5 結(jié)語(yǔ)

以上觀點(diǎn)是作者在參建某鐵路工程中,在對(duì)長(zhǎng)沙灣特大橋防腐耐久高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)主要方面,按照上述思路和要點(diǎn)配制出的C40防腐耐久高性能混凝土,在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后電通量可控制到500℃以下,含氣量3.2左右,抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P12,抗裂性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。隨著鐵路跨越式發(fā)展的需要,鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了迅猛發(fā)展,高質(zhì)量混凝土的應(yīng)用與日俱增,建環(huán)保、永久、節(jié)能型的鐵路工程越來(lái)越依賴于混凝土的質(zhì)量,伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,新型的混凝土材料和各種添加劑將不斷研發(fā)和誕生,目前市場(chǎng)上已經(jīng)有了防腐劑、密實(shí)劑等新型混凝土外加劑,這些都必將對(duì)混凝土的革新帶來(lái)進(jìn)一步深遠(yuǎn)的影響,為高性能混凝土的研究開(kāi)拓更加廣闊的空間。

[1] TZ210-2005,鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南[S].

[2] 鐵建設(shè)[2009]152號(hào),鐵路混凝土施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 劉良季.中國(guó)商品混凝土二十年[A].2007中國(guó)商品混凝土可持續(xù)發(fā)展論壇論文集[C].2007:1-24.

[4] 袁潤(rùn)章.膠凝材料學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1980.

[5] 甘昌成,關(guān)志文,李建庭,等.高抗?jié)B提高混凝土耐久性[A].廣東省土木建筑學(xué)會(huì)現(xiàn)代混凝土技術(shù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)研討會(huì)論文集[C].2006:52-61.