雅萬(wàn)高鐵混凝土耐久性試驗(yàn)及工程應(yīng)用

張武宗，劉曉鈺，蘭聰，張遠(yuǎn)

（中建西部建設(shè)西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

“一帶一路”沿途新興經(jīng)濟(jì)體擁有規(guī)模巨大的基建市場(chǎng)，為我國(guó)高鐵“走出去”提供了前所未有的契機(jī)，而雅萬(wàn)高鐵正是我國(guó)高鐵“走出去”的典型案例[1]。由于雅萬(wàn)高鐵的地理位置處于高溫高濕環(huán)境，氯離子、硫酸根離子等侵蝕介質(zhì)活潑，對(duì)混凝土工作性能和耐久性有更高的要求，并且印尼當(dāng)?shù)鼗炷猎牧腺|(zhì)量較差，性能低于我國(guó)鐵路混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，高性能混凝土的制備面臨眾多技術(shù)難點(diǎn)[2-4]。因此雅萬(wàn)高鐵混凝土配合比設(shè)計(jì)尤為重要，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)配合比，克服原材料質(zhì)量問(wèn)題，提升混凝土工作性及耐久性，以滿足混凝土設(shè)計(jì)要求，確保整體工程的施工質(zhì)量，為雅萬(wàn)高鐵的混凝土施工存在的技術(shù)問(wèn)題提供一個(gè)有效的解決方法。

1 雅萬(wàn)高鐵混凝土技術(shù)難點(diǎn)

雅萬(wàn)高鐵項(xiàng)目正線長(zhǎng) 142.2km，最高設(shè)計(jì)速度350km/h，其中路基 48.94km，占全長(zhǎng)的 34.42%；橋梁76.79km，占全長(zhǎng)的 54.00%；隧道 16.47km，占全長(zhǎng)的11.58%；正線鋪軌無(wú)砟軌道 159 鋪軌公里，有砟軌道126 鋪軌公里。我司主要承接雅萬(wàn)高鐵 DK0-DK40 合同段涉及的水下樁、承臺(tái)、墩柱、箱梁、地連墻等混凝土的供應(yīng)任務(wù)。結(jié)合印尼當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境，目前混凝土的生產(chǎn)供應(yīng)主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）印尼的高溫高濕天氣，炎熱多雨，太陽(yáng)光強(qiáng)，晝夜溫差較大，混凝土工作性損失快，容易導(dǎo)致混凝土收縮開(kāi)裂。因此在混凝土設(shè)計(jì)施工時(shí)，混凝土工作性保持和水化溫升控制是需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

（2）雅萬(wàn)高鐵所處環(huán)境中氯離子、硫酸根離子等具有侵蝕性物質(zhì)的相對(duì)含量高，這對(duì)混凝土的耐久性提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注氯離子、硫酸鹽離子的含量，以及后期抗氯離子滲透和硫酸鹽侵蝕的能力。

（3）印尼當(dāng)?shù)鼗炷猎膩?lái)源品質(zhì)不高，個(gè)別標(biāo)準(zhǔn)低于我國(guó)現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于混凝土性能的保持較為困難。

2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

（1）水泥：Pt.Semen Gauda OPC Ⅰ水泥，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥檢測(cè)指標(biāo)

（2）粉煤灰：HENGDA F 類(lèi)Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰檢測(cè)指標(biāo)

（3）細(xì)集料：Kalimantan 河砂，級(jí)配合理，細(xì)度模數(shù) 2.4，含泥量 0.9%。

（4）粗骨料：Jongle-MMS 的 5～31.5mm 連續(xù)級(jí)配碎石。

（5）外加劑：中建西部建設(shè)印尼公司特制專(zhuān)用聚羧酸減水劑，固含量為 21.4%，減水率為 29.0%。

（6）引氣劑：中建西部建設(shè)印尼公司生產(chǎn)的 ZJ-6型引氣劑，固含量 2.5%。

（7）水：地下水。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

雅萬(wàn)高鐵所處地理環(huán)境特殊，混凝土面臨眾多因素對(duì)耐久性的考驗(yàn)，因此，有必要對(duì)雅萬(wàn)高鐵混凝土進(jìn)行不同環(huán)境類(lèi)別的配備比設(shè)計(jì)，以滿足不同環(huán)境下的耐久性要求。查閱鐵路混凝土相關(guān)資料，結(jié)合雅萬(wàn)高鐵項(xiàng)目實(shí)際情況，以承臺(tái)、墩柱用混凝土為例，混凝土面臨的侵蝕環(huán)境分為碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境、鹽類(lèi)結(jié)晶破壞環(huán)境，并根據(jù)環(huán)境的作用等級(jí)，列出相應(yīng)的耐久性指標(biāo)，見(jiàn)表3。

以印尼當(dāng)?shù)卦牧咸攸c(diǎn)和混凝土所處的侵蝕環(huán)境，并結(jié)合以往的配合比設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行不同強(qiáng)度和不同環(huán)境的混凝土配合比設(shè)計(jì)。在大量試配試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整水膠比和摻入引氣劑，研究對(duì)混凝土的工作性能和強(qiáng)度的影響。承臺(tái)、墩柱的主要配合比和測(cè)試結(jié)果如表4 所示。

2.3 基準(zhǔn)配合比

由表4 可知，試驗(yàn)各組的性能均滿足設(shè)計(jì)要求。按照工作性能優(yōu)良、強(qiáng)度合格、經(jīng)濟(jì)合理的原則，確定混凝土基準(zhǔn)配合比，如表5 所示。

3 耐久性能試驗(yàn)

3.1 抗氯離子侵蝕性能

（1）電通量

電通量法是目前常用的用來(lái)測(cè)定混凝土抗氯離子滲透性能，用來(lái)評(píng)價(jià)混凝土抵抗氯離子向混凝土內(nèi)部滲透的能力，是反映混凝土耐久性能的重要指標(biāo)[5]。雅萬(wàn)高鐵屬于熱帶雨林氣候，混凝土受氯離子侵蝕問(wèn)題較為突出，因此在配合比設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這一點(diǎn)，進(jìn)行抗?jié)B性能測(cè)，基準(zhǔn)配合比電通量試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

從圖1 可以看出，各組電通量結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求的小于 1200C。隨著強(qiáng)度等級(jí)的增加，即膠凝材料用量的增加，混凝土的電通量降低；在同強(qiáng)度等級(jí)下，摻入引氣劑能夠明顯地降低混凝土的電通量，說(shuō)明其對(duì)混凝土的抗?jié)B性能有提升效果。

（2）氯離子擴(kuò)散系數(shù)

快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM 法），與電通量法比較，它適用于測(cè)定氯離子在混凝土中非穩(wěn)態(tài)遷移的遷移系數(shù)。鐵路混凝土標(biāo)準(zhǔn)中要求，此方法用于評(píng)價(jià)處于氯鹽環(huán)境下的混凝土。根據(jù)要求，需對(duì)處于氯鹽侵蝕的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)基準(zhǔn)組中的C-2 和 C-4 進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表6 所示。

表3 不同環(huán)境類(lèi)別的耐久性指標(biāo)

表4 基礎(chǔ)試驗(yàn)配合比

表5 基準(zhǔn)配合比

圖1 電通量試驗(yàn)對(duì)比圖

表6 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從結(jié)果可以看出，氯離子擴(kuò)散系數(shù)均小于 5.0×10-12m2/s，滿足設(shè)計(jì)要求。隨強(qiáng)度等級(jí)的增加，即膠凝材料用量的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小，有利于混凝土的抗?jié)B性能提升，這與電通量法測(cè)得的結(jié)果一致。

3.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

混凝土處于化學(xué)鹽侵蝕環(huán)境中，硫酸鹽類(lèi)等化學(xué)物質(zhì)會(huì)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致混凝土損傷，影響其耐久性能[6,7]。根據(jù)雅萬(wàn)高鐵工程的實(shí)際情況，混凝土易遭受硫酸鹽干濕循環(huán)交替作用，因此對(duì)處于硫酸鹽侵蝕環(huán)境的混凝土，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需要進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)定其抗硫酸鹽侵蝕性能。由于配合比中粉煤灰摻入較多，采用 56d 齡期進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7 和圖2 所示。

表7 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖2 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

從圖中可以看出，經(jīng)過(guò) 30 次干濕循環(huán)后，兩組混凝土的 Kf均超過(guò) 100%，并且 C-4 組比 C-2 組的 Kf更大。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，C-4 組的 Kf降低幅度更大。由于在混凝土干濕循環(huán)初期，侵蝕溶液中的 SO2-4能夠和部分水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生產(chǎn)鈣礬石（AFt），增加混凝土的致密性，強(qiáng)度有所增加。但是隨著循環(huán)次數(shù)的增加，AFt 數(shù)量的增加超過(guò)混凝土內(nèi)部所能承受的程度，出現(xiàn)膨脹裂紋，導(dǎo)致骨料剝落，強(qiáng)度降低。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，兩組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力均滿足設(shè)計(jì)要求的大于等于 KS120。

4 工程應(yīng)用

雅萬(wàn)高鐵 DK0-DK41 共計(jì)墩柱 800 余根，共計(jì) 20萬(wàn)方，墩柱強(qiáng)度等級(jí)為 C40～C45，澆筑方式均為泵送。根據(jù)混凝土所處的具體環(huán)境情況，選擇相應(yīng)的配合比。為了保證所有的墩柱混凝土在生產(chǎn)和澆筑及后期性能質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，特制定以下措施：

（1）嚴(yán)選原材料。主要針對(duì)印尼當(dāng)?shù)卦牧腺|(zhì)量較差的情況，在材料上進(jìn)行優(yōu)選。細(xì)集料選用含泥量低、級(jí)配良好的河砂，對(duì)混凝土坍落度、擴(kuò)展度損失控制有利；粗骨料選用粒形較好的碎石，節(jié)省填充砂漿用量，增加混凝土流動(dòng)性；減水劑選用特制聚羧酸高效減水劑，降低用水量控制水膠比，提高混凝土在不同環(huán)境類(lèi)別的耐久性。

（2）生產(chǎn)質(zhì)量控制。分析明確當(dāng)次混凝土澆筑控制要點(diǎn)，并巡視料倉(cāng)、檢查骨料質(zhì)量、交底鏟車(chē)上料要求、檢測(cè)骨料含水率、復(fù)核計(jì)量是否正常、檢查運(yùn)輸罐車(chē)積水是否排盡等；按要求進(jìn)行混凝土出站工作性能檢測(cè)。

（3）運(yùn)輸和澆筑。由于印尼的高溫高濕天氣，炎熱多雨，太陽(yáng)光強(qiáng)，晝夜溫差較大，混凝土工作性損失快，因此在運(yùn)輸上，要盡可能縮短時(shí)間，澆筑時(shí)必須確保坍落度和擴(kuò)展度達(dá)標(biāo)，嚴(yán)格控制澆筑時(shí)間；出現(xiàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，混凝土狀態(tài)不滿足澆筑條件的，由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)整或返站處理。

（4）混凝土振搗。分層澆筑混凝土?xí)r每一插點(diǎn)要掌握好振動(dòng)時(shí)間，插點(diǎn)要均勻排列，插點(diǎn)距離應(yīng)不大于振動(dòng)棒作用半徑的 1.5 倍，一般為 500mm；避免碰撞鋼筋、模板、預(yù)埋件，要經(jīng)常檢查所有預(yù)埋件的牢固程度和位置的準(zhǔn)確性。

根據(jù)混凝土生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)和澆筑記錄，墩柱混凝土從生產(chǎn)到澆筑施工，質(zhì)量控制較好，后期力學(xué)和耐久性能優(yōu)異，總體結(jié)果良好。表8 為生產(chǎn)取樣的性能測(cè)試結(jié)果平均值。

5 結(jié)論

（1）分析了雅萬(wàn)高鐵混凝土的技術(shù)難點(diǎn)，并列舉了混凝土的不同侵蝕環(huán)境和技術(shù)要求，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)混凝土工作性能和力學(xué)性能進(jìn)行混凝土配合比優(yōu)化，確定基準(zhǔn)配合比。

（2）對(duì) 4 組基準(zhǔn)配合比進(jìn)行電通量、氯離子滲透系數(shù)和抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明，各組電通量小于1200C，氯離子滲透系數(shù)小于 5×10-12m2/s，抗硫酸鹽侵蝕的干濕循環(huán)次數(shù)大于 KS120，混凝土整體性能優(yōu)異，滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）工程應(yīng)用實(shí)踐中，質(zhì)量保證措施恰當(dāng)，配合比滿足要求，混凝土整體工作性、力學(xué)性和耐久性良好，施工進(jìn)展順利，效果良好。

表8 生產(chǎn)取樣試驗(yàn)結(jié)果