摘要:结合郑州—西安铁路客运专线工程,采用现场原材料对预制箱梁用C50 高性能混凝土,尤其是混凝土耐久性的主要影响因素进行了研究和分析。对混凝土电通量的影响因素之一矿物掺和料的数量和种类研究表明,当粉煤灰掺量大于15 %或掺入矿粉大于30 %时混凝土电通量能满足小于1 000 C的要求。含气量达到215 %～315 %时,混凝土经过200 次冻融循环后相对动弹性模量高于85 % ,抗冻性良好。最后,介绍了郑西铁路混凝土箱梁的工艺要求。
关键词:客运专线 混凝土 耐久性 应用
中图分类号:U214.1 + 8 文献标识码:B
0 引言
郑州—西安铁路客运专线东起郑州枢纽,西止西安枢纽,基本与陇海铁路郑州—西安段平行,是规划的徐州—兰州客运专线的重要组成部分。全线长484.52km 共有桥梁215 座230.4 km。沿线共设有18 个预制梁场,预制梁多采用强度等级为C50 的32 m 和24 m预应力箱梁,共7 000件左右。可以说,预制梁质量的优劣对整个工程质量的影响十分重大。自2005 年,铁路客运专线建设采用以耐久性为基本要素的高性能混凝土的技术要求,规定结构物按耐久性设计,确保混凝土结构物达到正常的使用寿命[1～3 ] 。高性能混凝土是基于大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土,重点保证混凝土的耐久性、工作性、适用性、强度、经济性[5 ] 。本文结合郑西客专梁场施工情况,对高性能(以耐久性为主) 混凝土在郑西铁路客运专线箱梁中的应用进行研究和探讨。
1 混凝土配合比设计
1.1 环境条件
郑西客运专线气候环境为暖温带半湿润季风气候,雨量适中,气候温和,四季分明。沿线年平均温度为13.0 ℃～14.4 ℃,1 月份最低平均温度为- 0.9 ℃～0.2 ℃。极端最低气温为- 20.6 ℃,个别地区存在中度以下化学腐蚀。
1.2 原材料
秦岭P.O42.5 水泥;渭河电厂Ⅰ级粉煤灰;西安德龙新型建筑材料科技有限公司矿渣;灞河河砂,细度模数为2.9 ;华县莲花寺二级配碎石;聚羧酸系减水剂。上述材料各项指标均符合《铁路客运专线高性能混凝土暂行技术条件》的要求。
1.3 配合比设计原则
1) 混凝土坍落度应满足施工要求,配制成的混凝土应满足设计强度、耐久性等质量要求。
2) 混凝土的胶凝材料总量不宜高于500 kgPm3 。混凝土的最大水胶比和最小胶凝材料用量应满足设计以及规范要求。
3) 混凝土中宜适量掺加优质的粉煤灰、矿渣粉等掺和料,粉煤灰的掺量不宜大于30 %。
4) 为了降低碱—骨料反应发生的可能性,混凝土单方总碱含量应满足相关要求。
5) 预应力混凝土的氯离子总含量不应超过胶凝材料总量的0.06 %。
1.4 混凝土技术参数
根据《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》等相关规范、设计要求、环境条件以及施工工艺,初步确定预制箱梁用高性能混凝土技术参数(因各梁场情况不同,本研究仅供参考) ,具体情况见表1。
1.5 混凝土耐久性
预制梁混凝土的耐久性技术指标主要有电通量、抗冻性、抗渗性、碱—骨料反应和抗裂性。因力学性能研究资料较多,本文不再进行讨论,仅对主要混凝土耐久性影响因素进行研究。
1) 电通量 氯离子是引起钢筋锈蚀,造成混凝土结构耐久性下降的最主要原因之一。氯离子的渗透性
是评价混凝土抵抗氯离子侵蚀的一个重要参数,长期以来国内外学者做了大量工作,提出了多种试验方法,其中应用最广泛的是快速氯离子渗透测试方法,即电通量法(AASHTO T227 和ASTM C1202) 。其主要原理是利用外电场来加快离子的运动速度,然后按扩散性与电迁移参数间的理论关系来计算氯离子的扩散性,从而判断混凝土的抗渗透性。考虑到目前的生产技术条件,铁路各相关规范暂时将氯离子电通量作为混凝土的重要耐久性检验指标之一。试验表明,影响电通量的因素有水胶比、掺和料掺量和种类、混凝土含气量、混凝土龄期、混凝土中Cl - 含量等。一般认为随着矿物掺和料掺量的增加,混凝土电通量呈现下降的趋势;一般掺和料效果:硅灰效果> 粉煤灰效果> 矿粉效果;随着水胶比的降低,混凝土电通量亦呈现轻微下降的趋势。
相同条件下,掺加不同掺量的粉煤灰和矿粉对混凝土电通量的影响见图1 和图2。通过图1、图2 可以看出,相同掺量条件下粉煤灰降低混凝土电通量的效果优于矿粉。矿粉掺量在0 %～20 %之间时对电通量影响程度较小,当矿粉掺量达到20 %以后混凝土电通量开始明显降低,也就是矿粉需达到一定掺量后方对混凝土电通量有较明显的改善作用。对于本次C50 梁体混凝土试验研究,单掺粉煤灰掺量> 15 %或单掺矿粉掺量> 30 % ,能够满足混凝土电通量< 1 000 C的要求。此外,采用粉煤灰和矿粉同时掺入的“双掺”方法也可以有效降低混凝土的电通量,见图2。因此,施工过程中一般可通过控制矿物掺和料掺量和种类来降低混凝土电通量,但由于工地大量采用普通硅酸盐水泥,也就是水泥中已掺加了15 %左右的混合材料,在进行配合比设计时要注意其掺量和种类。
2) 抗冻性能 混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏。混凝土的抗冻性是指混凝土抵抗冻融循环作用的性能。混凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面。影响混凝土抗冻性的主要因素有混凝土含气量和气孔结构、水胶比、矿物掺和料数量和种类、水泥品种、骨料品质等,其中混凝土含气量与抗冻性的关系最为紧密。
混凝土含气量与抗冻性的关系试验结果见表2。
结果表明,对于C50 混凝土而言,不对混凝土引气其抗冻效果不理想,仅经过125 次冻融循环就破坏。当混凝土含气量达到2.5 %～3.5 %时,混凝土经过200 次冻融循环后相对动弹性模量高于85 % ,抗冻性良好。因此,施工中要求控制混凝土入模含气量为2 %～4 % ,对保证混凝土抗冻性十分重要。
3) 抗渗性 通过试验混凝土抗渗性均容易满足设计要求。对于C50 混凝土而言,抗渗指标意义不大。
4) 抗碱—骨料反应性能 试验采用非碱活性骨料,低碱水泥,混凝土单方总碱含量小于3 kgPm3 。
5) 抗裂性 采用抗裂环对混凝土抗裂性进行评价,此试验为对比试验,无明确技术指标。试验表明当掺入一定量的掺和料后裂缝出现的概率大大降低。
1.6 混凝土配合比的确定
经对比试验,预制箱梁高性能混凝土配合比见表3 ,试验结果见表4。
2 施工工艺
混凝土按照腹板→底板→面板的顺序对称浇筑,采用纵向分段、斜向分层,连续浇筑的方式,分层厚度≤300 mm。浇筑时间不得超过混凝土初凝时间并不得超过6 h。混凝土出机温度不大于30 ℃,夏季采用冷却水及骨料遮阳等降温处理,气温较高时泵管采用麻布覆盖洒水的方式,并防止输送过程中混凝土坍落度损失过大。箱梁配筋密集,结构相对复杂,在浇筑过程中适当增加振捣人员及设备的数量,尤其加强层与层间的振捣,振捣标准以混凝土表面的水平不再显著下沉、不再出现气泡、表面不再泛浆为准。在浇筑腹扳时严格控制混凝土坍落度,避免从底板泛浆。拆模后,及时喷涂混凝土养护剂或覆盖洒水,养护时间≥14 d。
养护用水与梁体表面温差≤15 ℃。
现场各梁场需要根据不同原材料进行混凝土配合比的优选。搅拌前根据骨料含水率检测结果确定施工配合比,对出机混凝土按规定频率进行坍落度、含气量、泌水率、出机温度等指标检测。一般情况下,混凝土泵送距离100～200 m ,混凝土坍落度在1 h 内基本没有损失,混凝土和易性好,易泵送,易振捣,混凝土初凝时间为8～12 h ,满足浇筑工艺的要求。混凝土强度和弹模随龄期发展规律良好,能够满足10 d 终张拉的要求。混凝土芯部最高温度基本能够控制在65 ℃,但在夏期施工时要加强管理,控制好混凝土最高温度和温差。梁体拆模后,表面光洁,可见裂缝很少,外观良好。
3 结语
1) 高性能混凝土具有良好的抗冻、抗氯离子渗透、抗渗、抗裂以及抗碱—骨料反应等耐久性能,且具有良好的拌和物性能,坍落度经时损失小,混凝土不泌水,施工性能良好。
2) 相同掺量条件下粉煤灰降低混凝土电通量的效果优于矿粉。对C50 混凝土,当粉煤灰掺量大于15 %或掺入矿粉大于30 %时,混凝土电通量能满足小于1 000 C的要求。采用粉煤灰和矿粉同时掺入的“双掺”方法也可以降低混凝土的电通量。
3) 对混凝土含气量与抗冻性能的研究表明,非引气C50 混凝土仅经过125 次冻融循环就破坏,含气量达到2.5 %～3.5 %时,混凝土经过200 次冻融循环后相对动弹性模量仍高于85 % ,抗冻性良好。控制混凝土入模含气量2 %～4 %是保证混凝土抗冻性达到要求的重要保证。
参考文献
[1 ]科技基[2005 ]101 号,客运专线高性能混凝土暂行技术条件[ S] .
[2 ]铁建设[2005 ]157 号,铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定[ S] .
[3 ]铁科技函[2004 ]120 号,客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件[ S] .
[4 ]冯乃谦. 高性能混凝土结构[M] . 北京: 机械工业出版社,2004.
[5 ]吴中伟、廉慧珍. 高性能混凝土[M] . 北京:中国铁道出版社,1999.
