摘 要:客运专线对混凝土有了更高的品质的要求,配制耐久性混凝土已经成为试验工作的一个重点,具体分析石太客运专线某标段衬砌混凝土的配制。
关键词:石太客运专线; 耐久性; 混凝土; 衬砌
中图分类号:U238; U455191 文献标识码: B
文章编号: 1004 - 2954 (2007) 04 - 0110 - 02
1 概述
客运专线设计使用寿命要求为100年,衬砌混凝土品质的高低,是保证客运专线使用寿命和质量的关键。研究能够满足软弱围岩(膏溶角砾岩)隧道复杂的地质条件衬砌混凝土的配合比,通过试验、研究、优选,使衬砌混凝土具有高填充性、不离析、自密实、抗渗抗腐蚀等性能,以保证衬砌混凝土的耐久性。
2 施工地质条件
石太客运专线某标段通过Ⅴ级角砾状泥灰岩(膏溶角砾岩) ,该围岩对混凝土具有硫酸盐弱腐蚀性,因此混凝土要具有一定的抗硫酸盐侵蚀性;沿线地表水不发育,区内河床干涸无水,沟谷均为涸沟,只是在雨季时有少量积水。本标段隧道区雨季时有基岩裂隙水,在断层带雨季时地下水较丰富,因此混凝土要有一定的抗渗性。
3 原材料的选定
3．1 对原材料的技术要求
(1)水泥选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥,不宜使用早强水泥,强度等级不低于32．5级,每m3 混凝土的含碱量要求不高于3．0 kg。
(2)水泥的混合材料为矿渣或粉煤灰,若是粉煤灰,优先选用Ⅰ级灰,但若通过耐久性试验验证,烧失量可以放宽到8%。
(3)细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然河砂,也可选用专门机组生产的人工砂,不宜使用山砂,不得使用海砂。优先选用中级细骨料,当采用粗级细骨料时,应提高砂率,并保持足够的水泥或胶凝材料用量,以满足混凝土和易性;当采用细级细骨料时,宜适当降低砂率。
(4)粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线膨胀系数小的洁净碎石,也可采用碎卵石,不宜采用砂岩碎石。应采用二级或多级级配,其松散堆积密度应大于1 500 kg/m3 ,紧密空隙率宜小于40% ,吸水率应小于2% ,最大公称粒径不宜超过钢筋的混凝土保护层厚度的2 /3,且不得超过钢筋最小间距的3 /4。
(5)外加剂应采用减水率高、坍落度损失小、适量引气、质量稳定、能满足混凝土耐久性能的产品。当将不同功能的多种外加剂复合使用时,外加剂之间及外加剂与水泥之间应有良好的适应性,宜选用多功能复合外加剂。
(6)拌和用水宜使用饮用水。
3．2 选用的原材料
(1)水泥 根据现场的水泥供应情况,普通硅酸盐水泥质量和产量比较能满足施工的需求,而为了尽可能减少每m3 混凝土的胶凝材料用量,同时减小每m3 混凝土的碱含量,决定使用3215级水泥,最后选定鹿泉曲寨P．O 42．5水泥。
(2)混合材 现场周边地区有较多的粉煤灰厂家,掺加一定量的粉煤灰,能够在保证混凝土强度的情况下,增加混凝土的致密性,进而提高混凝土的抗渗透性、抗钢筋锈蚀及抗碱骨料反应的性能;同时,掺粉煤灰的混凝土黏聚性、保水性也好,无离析泌水现象,坍落度损失也远小于不掺粉煤灰的混凝土。本着质量优先、效益并重的原则,就近选用了阳泉光源电厂的粉煤灰。
(3)细骨料 Ⅱ区中砂(河砂) ,细度模数2．6 ～2．8,经检验无碱活性,其各项指标也满足客运专线要求。
(4)粗骨料 5～20 mm与16～31．5 mm碎石以1∶2的比例混合为5～31．5 mm连续级配碎石,堆积密度大于1 500 kg/m3 ,空隙率小于40%,经检验无碱活性,其各项指标也满足客运专线要求。
(5)外加剂 为了降低混凝土的水胶比,尽量减少水的用量,采用在混凝土中加入复合型高效减水剂,不但具有很好的减水率,并且适量引气、保坍性好,最后选定山西黄腾的粉状高效减水剂,缓凝型。
(6)水 在当地钻井取用地下水,经检验符合饮用水标准。
4 配合比的确定
(1)混凝土设计要求 钢筋混凝土强度等级C30,坍落度要求160～180 mm,泵送,抗渗等级P8,抗硫酸盐侵蚀等级H1;由于混凝土拌和站在洞外,从拌和站到衬砌台车通过一800 m斜井,来往车辆也较多,会有20～50min的混凝土运送时间,故结合减水剂的保坍性,将试配混凝土的坍落度提高到180～220 mm;考虑到耐久性混凝土的要求:胶凝材料总量不宜大于400kg/m3、水胶比不宜大于0145、粉煤灰掺量不宜小于20%、并保证足够的砂率,于是基准水胶比取0．43,砂率取40% ,粉煤灰使用超量取代法最后掺量为21%,减水剂掺量1．3% (推荐掺量为1% ～1．5% ) ;同时再取0．41、0．45两组水胶比作为参考,但水泥、粉煤灰的每m3 用量不变,而是通过改变水的用量和外加剂的掺量来实现坍落度的控制。
最后,试配混凝土的每m3 用料量见表1。
(2)加入强制式混凝土搅拌机搅拌2．5 min。
(3)做混凝土的坍落度、含气量、泌水率、表观密观、坍落度保留值等试验,记录数据。每组配合比制作7 d、28 d、56 d三组抗压试件及9个抗渗试件( 6个做抗渗试验, 3个取芯切割后做电通量试验)和一组抗裂性试件,试件终凝后小心拆去试模并置于相应条件下进行养护和观察。
5 抗压强度试验
7 d、28 d、56 d龄期做抗压强度试验,最后数据见表2。
表2 试验结果
6 抗渗试验
设计要求为P8,试配时按P10设计, 28 d龄期时将抗渗试件取出做抗渗试验,最后数据见表2。
7 抗氯离子渗透试验
56 d龄期到达时,将每组配合比的3个圆形抗渗试件取出,放入混凝土抗渗仪试模中并一同固定好,用<100钻芯取样机进行钻芯,之后再用切割机切为厚度约50 mm的符合标准要求的圆形试件进行抗氯离子渗透试验,取6 h平均电通量,数据见表2。
8 抗裂性试验
用显微镜观察试件表面,并记录裂缝宽度,结果见表2。
从3组试验结果看,基本上都达到了耐久性要求,但结合工地的施工情况,若采用0145水胶比,电通量指标不够安全,再考虑到尽量节约成本,认为取0．43水胶比是比较适宜的。经计算,混凝土总碱含量为1．83 kg/m3 (小于3 kg) ,氯离子总含量为胶凝材料总量的0．041% (小于0．10%) ,满足客运专线的要求。
9 结论
配合比设计是确保混凝土耐久性最关键的环节之一,尤其在隧道施工中,衬砌混凝土的质量将决定隧道的使用寿命。提出混凝土最大水胶比、最小胶凝材料用量限值,就是有效而可行的措施。掺加矿物掺和料和高品质的外加剂更成为配制耐久性混凝土的必要措施。在以往设计混凝土配合比时,是先按强度计算水灰比,如今按耐久性要求设计配合比时,首先是根据环境类别和作用等级,确定混凝土的水胶比和胶凝材料用量,在条件许可的情况下,尽量选用较低的水胶比,减少单方用水量和胶凝材料用量,有利于提高混凝土的密实性。另外,降低水胶比是发挥矿物掺和料对混凝土强度贡献的重要条件。但过少的胶凝材料用量对混凝土的强度、耐久性和工作性能不利,因此胶凝材料用量应有最小限值。
由试验结果看出,水胶比直接影响到混凝土的抗渗性、抗氯离子渗透性等耐久性指标,而水胶比的控制则要依靠适当的填加外加剂和粉煤灰;同时,由于粉煤灰的价格远低于水泥,掺加粉煤灰也更加经济;在混凝土中填加外加剂和掺和料,不但使混凝土品质得到了提高,而且一定程度上节约了成本。因此,适当的胶凝材料用量和水胶比将是配制耐久性混凝土的关键所在。
参考文献:
[1 ] 铁建设[2005 ]157号,铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定[S].
[2 ] 铁建设[2005 ]160号,客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准[S].
[3 ] 铁建设[ 2005 ]160 号,铁路混凝土工程施工质量验收补充标准[S].
