武广铁路客运专线耐久性混凝土施工技术.pdf

2 0 1 0年第 1 期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 】 53 文章 编号 ： 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ( 2 0 1 0 ) 0 l 一 0 1 5 3 — 0 3 武广铁路客运专线耐久性混凝 土施工技术 江京平 ， 戴友保 ， 彭建萍 ( 中铁大桥局集 团有 限公 司 武 广客运专线 X X T J I I 标项 目部 ， 湖南 岳 阳4 1 4 1 0 0 ) 摘要 ： 为 了实现 武 广铁 路 客运 专 线混凝 土 工程使 用寿命 百年 的 目标 ， 常 采用 耐久性 混凝 土技 术 。提 出应 用优 质原 材料 ， 合理胶 结材料 用量 和低 水胶 比的配制 思路 ， 辅 助加 强施 工过 程控 制 、 养护 维修 以及 跟 踪 监测等手段 来实现。耐久性混凝土具有显著抗氯离子渗透性能、 抗裂性 、 护筋性、 耐蚀性、 抗冻性、 耐磨 性以及抗碱一骨料反应性等性能。应用具有上述特征的耐久性混凝土施工重要的桥梁隧道等混凝土结 构 物 ， 取 得 了令人 满意 的结 果。 关键 词 ： 耐 久性混 凝 土 高性 能 减水 剂 矿 物掺 合料 双掺 技 术 低 水胶 比 中图分 类号 ： T U 5 2 8 ． 3 1 文献标 识码 ： B 由于混凝 土结 构物 耐久 性差 给 国家造成 的损 失难 以估 量 ， 因此 混凝 土结 构 的耐 久性 和安 全 性 已越来 越 受 到广 泛关 注 。提 高混 凝土 结构 耐久性 对 于 当前 实 现 可持续 发展 战略 ， 更好地 利 用资 源 、 节 约能 源和保 护 环 境 ， 都具 有 十分重 要 的 意 义 。当 前 我 国铁 路 部 门在 大 量推广 应用 以高抗 氯 离 子 渗 透性 能 、 高工 作 性 和 高 体 积 稳定性 为标 志 的耐久 性混 凝土 ， 并 于 2 0 0 5年度 先后 出台 了三部 行 业标 准 ， 即 《 铁 路 混 凝 土 工 程 施 工技 术 指南》 ( T Z 2 1 0 --2 0 0 5 ) 、 《 客运专线铁路桥涵工程施 工 技术 指 南 》 ( T Z 2 1 3 -- 2 0 0 5 ) 以及 《 铁 路 混 凝 土 结 构耐久 性 设 计 暂行 规 定 》 ( 铁 建设 [ 2 0 0 5 ] 1 5 7号 ) 。 为实现 武广 铁路 客运 专 线 混 凝 土使 用 寿 命 百 年 目标 ， 在工程 应用 和实施 过 程 中采取 了许多 不 同于 以往工 程 的做法 ， 本 文主要 介绍 耐久 性混 凝土 在原 材料 选择 、 配 合 比设计 、 施工性能控制等方面的具体措施 ， 供 同类似 工程借鉴。 1原材料选择 1 ． 1 铁 路 耐久性 混凝 土设 计 的主要 内容 《 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中规定 8 个方 面 的内容 ： 1 )结构及 主要 可更 换部 件 的设 计 使用 年 限 ； 2 )结构所处 的环境类别及其作用等级 ； 3 )结 构耐久 性要 求 的混凝 土原 材料 品质 、 配合 比 参数限值以及耐久性指标要求 ； 4 )结 构耐 久性 要求 的构 造措施 ( 包 括钢 筋 的混凝 收稿 日期 ： 2 0 0 9 — 1 1 — 3 0 ； 修 回 日期 ： 2 0 0 9 1 2 - 0 1 作者简 介： 江京平 ( 1 9 7 4 一) ， 男 ， 湖南长沙人 ， 工程师。 土保 护 层厚度 ) ； 5 )与结 构 耐久性 有关 的主要施 工控 制要 求 ； 6 )严重腐蚀环境条件下采取的附加防腐蚀措施； 7 )与结 构 耐久性 有 关 的跟踪 检测要 求 ； 8 )与结 构 耐久性 有 关 的养护 维修要 求 。 1 ． 2原 材料 品质 控 制 基于抗裂、 低水化热 、 高体积稳定性 、 低渗透性 ， 并 适应 混 凝 土施工 要求 ， 通 常 实现 耐 久 性 混凝 土 的关 键 技术措施主要有 ： 优选水泥 、骨料 、掺合料以及高性 能减水剂 ， 利用高性能减水 剂的大减水率特征大幅度 降低混 凝 土的水 胶 比 。本 文 只介绍 在原 材料 选择 上与 普 通混 凝 土选材 不一 样 的指标 。 1 ) 胶凝 材料 选择 水 泥 ： 不宜 使用 早强 型水 泥 ； C A含量 ≤8 ％ ( 氯盐 环 境 ≤1 0 ％ ) ； 比表 面积 ≤3 5 0 m ／ k g ( 对 硅 酸盐 水 泥 、 抗 硫 酸盐 水泥 ) ； 碱含 量 ≤0 ． 8 ％ ， C 4 0级 以上混 凝 土碱 含 量 ≤0 ． 6 ％ ； 氯 离子 含量 ≤0 ． 0 6 ％ 。 粉煤 灰 ： 铁 路行 业将 其 划 分 为 C 5 0以下 混 凝 土用 灰 和 C 5 0以 上 混 凝 土 用 灰 两 个 等级 。铁 路 行 业 C 5 0 以上 混凝 土用 灰某 些技 术要 求要 高 于 国家 标 准规定 的 I 级 灰 。烧 失 量 ： C 5 0以下 混 凝 土 ≤5 ． 0 ％ ， C 5 0以 上 混凝 土 ≤3 ． O ％ ； 细 度 ： C 5 0以下 混凝 土 ≤2 5 ． 0 ％ ， C 5 0 以上 混 凝 土 ≤1 2 ． 0 ％ ； 需 水 量 比 ： C 5 0以 下 混 凝 土 ≤ 1 0 5 ％ ， C 5 0以上 混凝 土 ≤1 0 0 ％ ； 对 硫酸 盐 环 境氧 化 钙 含量 ≤1 0 ％ ； 并 增加 了游 离 氧 化 钙 含 量 和 安定 性 两 项 指标 。2 0 0 9年 8月 2 6日， 铁建设[ 2 0 0 9 ] 1 5 2号文对粉 煤灰 的质量要 求 又进 行 了局 部 修 订 ， 适 当 放松 了烧 失 量指 标 要求 ， 但 对 于 C 5 0以上 混 凝 土用 灰 的 需水 量 比 府 ≤9 5 ％ 1 5 4 铁道建筑 矿渣 粉 ： 其 主要 技术 指 标 有烧 失 量 ≤4 ． 0 ％ ； 比表 面积 3 5 0～5 0 0 m ／ k g ； 需 水 量 比 ≤ 1 0 0 ％ ， 活 性 指 数 ( 2 8 d ) ≥9 5 ％ ； 铁 建设 [ 2 0 0 9 ] 1 5 2号 文对 烧 失 量 规 定 修 改为 ≤3 ． 0 ％ 。 硅 灰 ： 由于 硅 灰 比表 面 积特 别 大 ， 导 致 用水 量 增 加 ， 且掺 加硅灰 混凝 土早期 自收缩 大 ， 因此对 于硅灰 应 该谨慎使 用 。其 主要技 术指 标有烧 失量 ≤6 ． 0 ％ ； 比表 面积 ≥1 8 0 0 0 m ／ k g ； 需 水量 比 ≤1 2 5 ％ ， 活性 指 数 ( 2 8 d ) ≥8 5 ％ 。 2 ) 骨 料选择 粗 骨料 ： 上 述三本行 业标 准 ， 以文献 [ 2 ] 规 定 最 为 严 格 。以适用 于 C 5 0级及 以上 混凝 土 用粗 集 料 为例 ， 母 岩强度 应为混 凝土 设计 强 度 的 2倍 ； 压碎 指 标 值 ≤ 1 0 ％ ； 针 片状颗粒 含 量 ≤5 ％ ； 宜 为 5～ 2 O mm连 续 级 配碎石 ， 使 用 5～ 1 0 m m和 1 0～ 2 0 mm两级 配配料 ， 其 质量之 比为 ( 4 05 ) ％ ： ( 6 0 5 ) ％ ； 含 泥量 ≤0 ． 5 ％ ； 吸水率 ≤2 ． O ％ ； 并要 求 为非 活 性骨 料 等 等 ； 其 他 指标 参见文献 [ 3 ] 。大量工程实践表明， 粗集料应积极选 择 石灰岩 、 玄武 岩和细粒 花 岗岩等 岩种 ， 以满足线 膨胀 系数 ( 温控 ) 和混凝 土 弹性 模量 的要 求 。 细集料 ： C 5 0级 以上 混凝 土用 细 集 料 优先 采 用 优 质 天然 河 砂 ， 细 度 模 数 在 2 ． 6～3 ． 0之 间 ； 含 泥 量 ≤ 1 ． 5 ％ ； 并要求 为非 活性骨 料 ； 其 他指标 参见 文献 [ 3 ] 。 3 ) 减水 剂选择 从 某种 意义 上来讲减 水剂 质量 的好坏 是实现 耐久 性混凝 土 的最关键 材料 ， 为此 铁 道 部科 情 司 与 中 国铁 道科学 研究 院就我 国 当前 能满 足铁路 客运专 线工 程 的 减水剂 进行 了 系统 的抽 样 检 验 ， 并 公 布 了合 格 名 录 。 因此在 合格名 录范 围 内应 优先选 择减水 率 > 2 5 ％ 的聚 羧酸 系 ， 其他类 减水 剂 的减 水率 也应 > 2 0 ％ ， 适 应性 良 好 ， 硫 酸钠含量 、 碱含 量 、 氯 离子 含量合格 的产 品 ， 其 他 指标均 满足文 献 [ 3 ] 的优质减 水剂 。 2配合 比设计 以 5 6 d龄期强 度 代 表 值 为标 志 的耐 久 性 混凝 土 配 合 比设计 在我 国 尚无 规范 。通 常是 借鉴 高性 能 M e — h t a 等提出的浆体和集料 的体积 比满 足 0 ． 3 5 ： 0 ． 6 5的 设计 方法 ， 同时 为适 应 客 运专 线 铁 路 工程 泵 送 施 工要 求更 加强化 了工 作 性 能 的设 计 ， 即对 浆 骨 比、 骨 料 级 配、 拌合物性能进行优化设计。 1 )国内外工程实践表明 ， 浆体与骨料体积之 比能 满足 0 ． 3 5 ： 0 ． 6 5时可 以较好 解 决 强 度 、 工作 性 和尺 寸 稳定性 ( 弹性模 量 、 干缩 和徐变 ) 之 间的矛盾 。 2 )对胶凝 材料 用量 的限制 ， 为兼 顾耐 久性 设计 和 满足工作 性要 求 的多重 矛 盾 ， 对 混凝 土 用 胶凝 材 料 用 量既 有最 大限值 又有 最 小 限值 规 定 ， 根 据 不 同的 环境 类型 与作用 等级应 保证 最小 胶凝材 料用量 的要 求是 出 于耐久 性要 求 ， 而最 大胶 凝 材 料用 量 限制 是 出于对 收 缩 、 徐 变 的控制 。一般 C 3 0及 以下混 凝 土 的胶 凝材 料 用量 不宜 高于 4 0 0 k g ／ m ， C 3 5～C 4 0混凝 土不 宜 高于 4 5 0 k g ／ m ， C 5 0及 以上混凝 土不 宜高 于 5 0 0 k g ／ m 。 3 )为实现混 凝土低 渗透 性 ， 常采用低 水胶 比和矿 物掺合 料 双掺技术 路 线 ， 各掺 合 料 的组合 范 围通 常为 水泥 ： 粉煤 灰： 矿渣 粉 =( 4 5 ％ ～ 7 5 ％ ) ： ( 1 0 ％ ～ 2 0 ％ ) ： ( 1 5 ％ ～4 5 ％ )。 4 )适 宜砂率 对保证 混凝 土工作 性很 重要 ， 一般 配 合 比设 计采 用经验 选择 ， 对 于 耐久性 混凝土 而言 ， 建议 采用最 小空 隙填充 理 论进 行 计 算 为基 础 初 步确 定 ， 然 后根据工作性进行微调 ， 一般对于中砂、 河砂高性能大 流动性 混凝 土而 言 ， 水胶 比在 0 ． 2 8～0 ． 3 5之 间 ， 常 采 用 3 8 ％ ～ 4 2 ％的砂率比较适宜 ， 过小过大均引起混凝 土工作性 不 良， 过 大还容 易引起 收缩 和徐变 加大 ； 过小 泵送 阻力显著 增大 。 5 )拌合物性能检测除了测试传统的坍落度外 ， 还 要 求检测 扩展 度 、 倒 坍 落 度筒 流下 时 间 、 坍 落度 损失 、 凝 结时 间 以及 含气 量等 ； 对 于 工 作性 要 求 严格 的工 程 还 应测混 凝土 穿透 钢筋 网片性 能试验 。 比如 主梁混 凝 土通常坍 落度 宜控制在 l 8～2 2 c m， 扩 展度 4 5～5 5 c m， 坍落度与扩展度之 比控制在 0 ． 3 8～ 0 ． 4 2之间， 倒 坍 落度流 下时 间在 5～1 5 S 。 6 ) 耐 久性 指 标 的检 测 应 对 配 合 比进 行 抗 裂性 试 验 ( 常采用 约束 混凝 土的 圆环 试 验 ) 、 电通 量 、 护 筋性 、 抗 冻性等 指标 的检测 。 7 )选 定适 应 不 同温 度 环 境条 件 下 的 配合 比。 温 度对 混凝 土配合 比的影 响特 别 大 ， 特 别 是 聚羧 酸 系 高 分子 材料对 温度 的适 应更 加 敏 感 ， 因此 笔者 建 议根 据 不 同地 区 的情况 对 同一 等级混 凝土 至少要 有适应 冬期 施工 、 夏季高温燥热气候条件 、 常温条件三个配合 比。 最好 能根据 温度 范 围选择 不 同的配 合 比。 3 施 工控 制 掺 加聚羧 酸 系减水 剂 、 大掺 量 矿粉 的低水 胶 比耐 久 性混 凝土拌 合 物 往 往 比普 通 C 5 0级 纯 水 泥 混 凝 土 黏 聚性 大 ， 这 主要 是 因为 矿 粉 的颗 粒 形 状 引起 的 。原 材料品质波动 、 计量误差、 搅拌时间、 骨料含水率 的变 化 也容 易引起 混凝 土拌合 物工作 性不 良。结 合武广 铁 路 客运 专线工 程实践 建议 加强 以下方 面 ： 1 ) 施工中合理控制混凝土拌合物性能， 优化可泵 性并 注 意合理选 择泵 机和 布管工 艺 。混凝 土的可泵 性 能 与混凝 土黏着 管道 产生 的阻力 及其 在管道 内流动 的 2 0 1 0年第 1 期 武广铁路客运专线 耐久性混 凝土施工技术 l 5 5 速度快 慢产 生 的阻力 有关 ， 混凝 土 流动性 过小 、 黏 度过 大会 引起摩 擦 阻力增 大 并 导 致 泵送 压 力增 大 ， 甚 至堵 管 。因为 耐久性 混凝 土 黏度 较 普 通 混 凝 土 大 ， 应 改 变 传统 以单一坍落度指标控制变成以坍落度 、 扩展度 、 倒 坍落 度筒 流下 时 间等多 指标控 制 方法 。必要 时 可 以适 量掺 加助 泵剂 或者 润滑 剂 ， 以改善 新拌 合 物的工 作性 。 混凝 土输 送泵 的 电机功 率是 决定 出 口压力 和输 送 方 量 的前 提条 件 ， 如果 既要 达到 出 口压 力 高 ， 又 想得 到 输送 量 大 的 目的 ， 尤 其 在 布 管 长 度 ( 高度 ) 较 大 时 ， 选 择 电机 功率 高 的输 送 泵 目前来 看 是 最 便 捷 的 途径 ， 同 时还应 保证液 压泵 ， 液 压 阀 ， 电气 元件 的可 靠性 。根 据 武 广工 程实践 ： 应 选择 拖式 s形 摆管 阀高 压泵 ， 最大 出 口泵压 应 在 1 6 MP a以上 ， 电机 功 率 在 1 3 2 k W 以 上 。 还应根 据输送 泵 的设备 能 力和混 凝 土工作 性 能确定 合 理的 泵管布 置方 案 。在必 要 的情 况下 可 以通过 工程 试 泵试 验来确 定 。 2 ) 配合 比设计 时应保 证最适宜浆体含量 。最适 宜浆体含量与骨料品质特别是粗骨料 品质密切相关 ， 应确 保骨料 质 量 的稳 定 ， 且 经常 对 其 浆 体 体 积进 行 微 调 ， 通 常浆 体体 积变 动 1 ． 5 ％ 左右 即可 以实 现 。 3 ) 加 强 混凝 土 搅 拌 站 管 理 。在 实 践 中 经 常 发 现 搅拌时间不足是混凝 土拌合物质量不好 的普遍原因 ， 正 因为耐久 性 混凝 土水胶 比低 ， 组分 多 ， 更要 加强搅 拌 时 间的控 制 ， 通 常应 控制 在 1 2 0 S以上 比较 适宜 ； 定 期 检查 搅拌 系统 的计 量 准确 性 也 很 关键 ， 特 别 是外 加 剂 的计 量更 应准 确 ， 对 于 聚 羧 酸 系减 水 剂 因其 没有 明 显 的饱 和点 ， 因此 每 增 减 0 ． 1 ％ 的 剂 量 时 往 往 混 凝 土 拌 合 物性 能差异 很大 ； 加强 骨料 用水 量 的控制 ， 特别 是 季 节 变化 时更应 注 意随 时调整 砂 、 石 含水 量 ， 最好 能做 到 每 4 h实测 一次 。 4 ) 重视质 量管 理 图 的应 用 ， 及 时跟 踪 原 材 料 品 质 变化 。通 过质 量管 理 图 的 跟踪 分 析 ， 能及 时 找 到 造 成 质 量变 异 的原 因 ， 便 于及 时 有 效对 产 生 的 问题 进 行 处 理 。特别 是对 于原 材料 品质 变化 要做 到及 时有 效 的监 控 。对 于水 泥而 言 ， 其 化学 组成 、 比表 面积 、 新 鲜程度 、 出厂温 度均 可导 致外 加 剂 与 胶凝 材 料 相 容 性 的 改 变 ， 经常 出现板结 、 泌水 离 析 、 流 动性 差 、 抓 底甚 至 出现 假 凝 或 瞬凝等 现象 ， 通 常此类 现象 可 以通过 外加 剂掺 量 、 用水量 的微 调来 解决 ， 如 出现 严 重 的 相 容 性 问题 还 应 该启用 备用 配合 比。对于 减水 剂其 品质 的波 动容 易影 响减水 效 果 、 含 气 量 、 保 持 坍 落 度 能 力 以及 凝 结 性 能 等 ， 因此提 前进 行减 水剂 质 量 检 测 并 确 保 合 格就 显 得 尤 为重 要 。我 国 目前 不 太 重 视 骨料 的控 制 ， 因此 在 选 择料 源 的时候 尽 可能选 择加 工设 备 良好 、 产量 大 、 质 量 意识好的供应商合作。粗集料最易变化的就是颗粒级 配 、 泥 和泥块 含量 ， 而 这 些 指 标 对 耐 久性 影 响 又 很 大 ； 细 集料 细颗 粒含 量对 混凝 土流 动性 、 黏 度影 响很大 ， 通 常 集料 品质 变化 可 以通过砂 率 微调 来实 现 。严 禁 品质 变 化很 大 的材料 在工 程 中应用 。另 外笔 者建议 借 鉴美 国配合 比控 制理 论 ， 即试 配 出基 准 配合 比后 ， 人为对 原 材 料 品质和 用量 在一 定 幅度 内变化 ， 得 出推衍 配合 比 ， 结 果稳 定 ( 稳 定 的 标 准 是 对 考 察 结 果 进 行 分 析 ， 变 异 系数在 8 ％ 以内 ) 就可 以应用 。 5 ) 制订 特殊 条件 下 的施工 措 施 。混凝 土 冬 期 、 雨 期 、 高 温季 节应该 有 不 同的有效 的保 证 措施 ， 才能 持续 实 现混 凝 土耐久 性 。 一般 而 言 ， 混 凝 土 浇 筑前 温度 宜 控 制在 5 q C～2 8 ℃ ， 人 模 温 度 不 宜 高 于 气 温 并 不 应 大 于 3 0 o C， 新 浇 混 凝 土 与 老 混 凝 土 温 差 不 大 于 l 5 ℃ ， 混 凝 土 人 模 后 3 0 m i n ， 内部 最 高 温 度 不 高 于 6 5℃ ， 混凝土表面养护水与混凝土表面温差不应大于 1 5 o c； 冬 期 搅 拌 混 凝 土 ， 混 凝 土 出 机 温 度 不 宜 低 于 1 0 ℃ ， 入模 温 度不 宜低 于 5 ℃ 等 。 6 ) 加 强 混 凝 土 收 浆 并 注 意 及 时 养 护 。低 水 胶 比 混凝 土 的特 点 是 早 期 收缩 裂 缝 和 沉 缩 裂 缝 出 现 概 率 大， 而进行二次甚至多次收浆是解 决此类 问题最有效 的方法之一； 注意及时养护 ( 特别是 高温季节应及 时 覆 盖塑料 膜 和喷洒 养 护 剂 ) 也 是保 证 实 现 耐久 性 混 凝 土 的非 常重要 的一 个 环节 。 4 结 语 客 运专 线铁 路耐 久性 混凝 土配 制采 用优选 混凝 土 用 原材 料 ， 复合 大掺 量 矿 物掺 合 料 的低 水胶 比和 适 宜 胶 结材 料用 量 的技术 ， 并 充分注 意 养护 和跟踪 检测 ， 以 确 保耐 久性 ? 昆 凝 土 的质量 。 参 考 文 献 [ 1 ] 中华人 民共和国铁道部．T Z 2 1 0 --2 0 0 5 铁路混凝 土工 程 施 工技 术指 南[ s ] ． 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 中华 人民共和 国铁道部 ．T Z 2 1 3 --2 0 0 5 客运 专线铁路 桥 涵 工程施工技术指南 [ s ] ． 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 中华人 民共和 国铁 道部． 铁 建设 [ 2 0 0 5 ] 1 5 7号 铁路混 凝 土结构耐久性设计暂行规定 [ s ] ． 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 吴 中伟 ， 廉 慧珍． 高 性能 混凝 土 [ M] ． 北京 ： 中 国铁 道 出版 社 ， 1 9 9 9 ． ( 责任 审编王天威)