高抗凍融耐腐蝕混凝土的試驗與研究

盛術(shù)學

(1.中鐵十三局集團公司第四工程有限公司,黑龍江 哈爾濱150008;2.東北林業(yè)大學,黑龍江 哈爾濱150040)

1 概 況

隨著國家對西部投資的逐漸加大和對青藏高原資源開發(fā)的逐步深入,青藏高原地區(qū)的低溫、早強混凝土的使用將日漸增多[1,2]。事實上,低溫早強混凝土施工技術(shù)在我國應用已有幾十年的歷史,特別是在青藏鐵路凍土區(qū)的施工中使用已經(jīng)較為廣泛,但在青藏高原凍土區(qū)的一些河流中,由于河水中的礦物鹽含量較高,因此,設(shè)計中對混凝土的抗凍融性和耐腐蝕性能又提出了新的要求。同時,為滿足鐵路混凝土耐久性的需求,對特殊地區(qū)、特殊要求混凝土施工技術(shù),尤其是對低溫、早強、抗凍融、耐腐蝕混凝土施工技術(shù)的開發(fā)勢在必行。國外工程界對該方面施工技術(shù)的研究一直在進行當中,我國在此方面的起步相對較晚,研究相對較少[3～5]。結(jié)合青海省柴達爾至木里地方鐵路橋梁等的混凝土施工,探討低溫、早強、抗凍融、耐腐蝕混凝土在高原、高寒、高礦物鹽含量的河流橋梁混凝土施工中應用,設(shè)計出低溫、早強、抗凍融、耐腐蝕混凝土配合比,滿足設(shè)計及施工要求是十分必要和有意義的。本文結(jié)合青海省柴達爾至木里地方鐵路DT6標段混凝土的施工,介紹該工程低溫早強抗凍融耐腐蝕混凝土中外加劑的試驗與研究。

2 工程概況及設(shè)計要求

2.1 工程概況

青海省柴達爾至木里地方鐵路位于青海省東北部的剛察縣、祁連縣和天峻縣境內(nèi),起于青藏鐵路支線的柴達爾站,終點位于天峻縣境內(nèi)的木里煤礦,全長142.04 km。我單位承建的第六標段(DK57+000—DK75+250),標段全長18.25 km,包括橋梁11座,涵洞36座,結(jié)構(gòu)混凝土圬工3.9×104m3。

本標段位于大通河河谷南岸,河谷寬淺,地形平坦、開闊,高原草甸發(fā)育,路線海拔3 620 m～3 850 m。路線沿線大面積分布凍土濕地和高原多年凍土,地面以下3.5 m為季節(jié)性凍融區(qū),3.5 m以下為連續(xù)多年凍土區(qū),主要凍土類型為富冰、多冰和飽冰型凍土。本地區(qū)屬大陸性高原氣候區(qū),氣溫低、溫差大、日照時間長、降水少為主要氣候特征。年平均氣溫:-0.3℃～-0.5℃,最熱月平均氣溫:10.8℃～11.4℃,最冷月平均氣溫:-13.4℃～-13.3℃;年平均降水量:341.6 mm～379.4 mm,年平均蒸發(fā)量:1 791.4 mm～1 463.9 mm;年平均大風日數(shù)(≥8級):47 d～57 d,年平均風速:3.2 m～3.4 m/s,最高風速(定時)29 m～31 m/s,最大季節(jié)凍土深度:3.5 m。

本地區(qū)地表水主要為大通河常年流水和其支流的季節(jié)性流水以及降雨和冰雪融化期形成的地表漫流。大通河南岸局部地區(qū)由于受沿線煤層影響,地下水和地表水水質(zhì)均較差。其中該標段所處的DK57+000～DK75+250段總礦化度為0.3 g/L～1.0 g/L,環(huán)境水對混凝土具有侵蝕性。

2.2 結(jié)構(gòu)混凝土的特點

由于上述氣候、水文、地質(zhì)等條件的限制,本標段橋涵構(gòu)筑物的混凝土必須具有耐低溫、早強、抗凍融及耐腐蝕的特點?；谏鲜鰲l件對混凝土的要求,開展?jié)M足該工程特點和需要的混凝土配合比試驗研究勢在必行。

3 低溫早強抗凍融耐腐蝕混凝土外加劑試驗

混凝土配合比試驗2007-02開始,至2007-06初步完成,2007-06在六標段施工實踐,經(jīng)過1 a多的檢驗,施工效果良好,滿足了設(shè)計及相關(guān)規(guī)范的要求。下面就混凝土配合比設(shè)計過程中外加劑的選擇過程作詳細闡述。

3.1 外加劑的選擇

低溫早強抗凍融耐腐蝕混凝土外加劑在選定產(chǎn)品后進行了外加劑性能指標的檢測,測定了外加劑堿含量,經(jīng)兩次試驗,取兩次試驗結(jié)果的算術(shù)平均值,外加劑總堿含量不超過規(guī)范(≤10%)的要求,確定采用甘肅吉發(fā)化工有限公司的MNF-D型高效低溫耐腐蝕外加劑。

3.2 鋼筋銹蝕快速試驗

首先制作鋼筋電極[6],將Ⅰ級建筑鋼筋加工制成直徑7 mm,長度為100 mm并在一端焊上長130 mm～150 mm導線,再用乙醇仔細擦去焊油,鋼筋兩端浸涂熱溶石蠟松香絕緣涂料,使鋼筋中間暴露長度為80mm,計算其表面積。經(jīng)過處理后的鋼筋放入干燥器內(nèi)備用,每組試件3根。其次拌制新鮮砂漿,在無特定要求時,采用水灰比0.5,灰砂比1∶2配制砂漿,水為蒸餾水,砂為檢驗水泥用的標準砂,水泥為基準水泥(或按試驗要求的配合比配制)。干拌1 min,濕拌3 min。檢驗外加劑時,外加劑按比例隨拌和水加入。

將砂漿及電極入模。把拌制好的砂漿澆入試模中,先澆一半(厚20 mm左右)。將兩2處理好經(jīng)檢驗無銹蝕的鋼筋電極平行放在砂漿表面,間距40 mm拉出導線,然后灌滿砂漿抹平,輕敲幾下側(cè)板,使其密實。連接試驗裝置,以1根鋼筋作為陽極接儀器的“研究”與“號”接線孔,另1根鋼筋為陰極(即輔助電極)接儀器的“輔助”接線孔,再將甘汞電極的下端與鋼筋陽極的正中位置對準,與新鮮砂漿表面接觸,并垂直于砂漿表面,甘汞電板的導線接儀器的“參比”接線孔。在一些現(xiàn)代新型鋼筋銹蝕測量儀或/恒電流儀上,電極輸入導線通常為集導線,只需按規(guī)定將3個夾子分別接陽極鋼筋、陰極鋼筋和甘汞電極即可。在試驗條件下,水泥試樣中的鋼筋均無銹蝕現(xiàn)象。

3.3 氯離子含量檢測

采用位滴定法,用二次微商法分析結(jié)果[7,8]。試驗結(jié)果見表1所示。經(jīng)檢測,MNF-D型高效低溫耐腐蝕外加劑氯離子含量符合要求(≤0.2%)。

表1 外加劑中氯離子含量試驗結(jié)果計算表

3.4 硫酸鈉含量檢測

其試驗原理為,氯化鋇溶液與外加劑試樣中的硫酸鹽生成溶解度極小的硫酸鋇沉淀,稱量經(jīng)高溫灼燒后的沉淀來計算硫酸鈉的含量。MNF-D型高效低溫耐腐蝕外加劑硫酸鈉含量檢測結(jié)果見表2所示,經(jīng)試驗,MNF-D型高效低溫耐腐蝕外加劑硫酸鈉含量≤10%,符合要求。

表2 外加劑中硫酸鈉含量試驗結(jié)果計算表

3.5 水泥凈漿流動度試驗

水泥凈漿流動度試驗如下:將玻璃板放置在水平位置,用濕布抹擦玻璃板、截錐圓模、攪拌器及攪拌鍋,使其表面濕而不帶水漬。將截錐圓模放在玻璃板的中央,并用濕布覆蓋待用。稱取水泥300 g,倒入攪拌鍋內(nèi)。加入推薦摻量的外加劑及87 g或105 g水,攪拌3 min。將拌好的凈漿迅速注入截錐圓模內(nèi),用刮刀刮平,將截錐圓模按垂直方向提起,同時開啟秒表計時,任水泥凈漿在玻璃板上流動,至30 s,用直尺量取流淌部分互相垂直的兩個方向的最大直徑,取平均值作為水泥凈漿流動度。經(jīng)檢測,水泥的凈漿流動度均符合要求(≥240 mm)。

3.6 減水率試驗

減水率試驗原理如下:減水率指在摻外加劑的混凝土與基準混凝土的坍落度一致時,混凝土單位用水量之差與基準混凝土用水量之比。所謂坍落度一致是指兩種混凝土的坍落度均在80±10 mm范圍內(nèi)。坍落度的測定按《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T50080)的要求進行,減水率按下式計算:

式中:ωR為減水率;W0為基準混凝土單位用水量(kg/m3);W1為摻外加劑混凝土單位用水量(kg/m3)。

減水率試驗要進行3次,以3次的算術(shù)平均值為減水率的測定值。經(jīng)試驗,MNF-D型高效低溫耐腐蝕外加劑的減水率符合要求(≥20%)。

3.7 含氣量檢測

采用混合式含氣量測定儀測定混凝土中的含氣量。試驗時,每批混凝土拌合物取一個試樣,以3個試樣平均值來表示,若3個試樣中的最大、最小值與平均值之差均超過±0.5%時,則應重作;若一個超過±0.5%,則以3個值的中間值作為該外加劑的含氣量。

經(jīng)測定,3次試檢驗結(jié)果分別為:4.7%、4.9%、5.3%,最大值與最小值之差超過0.5%,故取4.9%作為最終結(jié)果,含氣量符合規(guī)范要求。

3.8 常壓泌水率比測定

泌水率比為摻外加劑混凝土的泌水率與基準混凝土泌水率之比,泌水率的測定方法如下:先用濕布潤濕容積為5 L的帶蓋容器(內(nèi)徑為18.5 cm,高20 cm),將混凝土拌合物一次裝入,在振動臺上振動20 s,然后用抹刀輕輕抹平,加蓋,以防水分蒸發(fā)。試樣表面應比筒口邊低約2 cm。自抹面開始計算時間,在前60 min,每隔10 min用吸液和吸出泌水1次,以后每隔20 min吸水1次,直至連續(xù)3次無泌水為止。每次吸水前5min,應將筒底一側(cè)墊高約2 cm,使筒傾斜,以便于吸水。吸水后,將筒輕輕放平蓋好。將每次吸出的水都注入帶塞的量筒,最后計算出總的泌水量,準確至1 g,并按下式計算泌水率:

式中:B為泌水率;Vw為泌水總量;W為混凝土拌合物的用水量;G為混凝土拌合物的總重量;G0w為試樣重量;G1為筒及試樣重;G0為筒的重量。

試驗時,每批混凝土拌合物取1個試樣,泌水率取3個試樣的算術(shù)平均值。如果其中1個與平均值之差大于平均值的15%,則取3個值的中間值作為結(jié)果,如果最大與最小值與平均值之差均大于平均值的15%時,則應重做。經(jīng)試驗測定,3個結(jié)果與平均值之差均不大于15%,故取其平均值作為泌水率。

3.9 抗壓強度比檢測

抗壓強度比為以同齡期的摻外加劑混凝土的強度與基準混凝土強度之比。每批1組,3塊試件均作抗壓試驗。誤差超過15%者作廢。3批結(jié)果的平均值為其強度值。本試驗僅以7 d和28 d強度作為依據(jù)。根據(jù)配合比試驗結(jié)果,計算出抗壓強度及抗壓強度比見表3所示。經(jīng)試驗,兩種水泥的抗壓強度比均符合要求。考慮現(xiàn)場實際情況,現(xiàn)采用祁連山水泥,昆侖山水泥作為備用水泥。

4 結(jié) 語

外加劑在一些特殊地區(qū)、特殊環(huán)境、特殊部位的結(jié)構(gòu)混凝土中起著至關(guān)重要的作用。一些具有特殊要求的混凝土,常規(guī)配合比已經(jīng)不能夠滿足要求,所以摻加合適的外加劑,對提高混凝土質(zhì)量非常重要。施工企業(yè)在具有特殊要求的混凝土施工過程中,只有選擇了合適的外加劑及合理摻量,才能產(chǎn)生出好的經(jīng)濟效益和社會效益。青海省柴達爾至木里地方鐵路DT6標段混凝土配合比試驗2007-02開始,至2007-06初步完成,選定了甘肅吉發(fā)化工有限公司的MNFD型高效低溫耐腐蝕外加劑,2007-06進行施工實踐,經(jīng)過1年多的檢驗,施工效果良好,滿足了設(shè)計及相關(guān)規(guī)范的要求,減少了施工投入、提高項目經(jīng)濟效益,論文技術(shù)對同類工程的施工具有借鑒意義。

表3 兩種水泥的抗壓強度比試驗結(jié)果

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