客運專線箱梁C50高性能混凝土配合比設(shè)計與泵送施工

摘　要　結(jié)合高耐久、高性能混凝土配合比的設(shè)計方法和聚羧酸系外加劑的特點,以及客運專線所處施工環(huán)境原材料的實際現(xiàn)狀,介紹客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50高性能混凝土的配合比設(shè)計方法,提出了其施工中應(yīng)注意的一些事項,以供參考。

關(guān)鍵詞　客運專線　配合比設(shè)計　泵送施工　高性能混凝土　外加劑

中圖分類號　U445. 47　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼　A　　文章編號　1009 4539 (2007) 02 0010 04

1 　概述

　　根據(jù)國務(wù)院批準(zhǔn)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,到2020年,客運專線建設(shè)量達(dá)1. 2萬km以上,隨著京津、合寧、武合、溫福、甬溫、武廣、福廈等客運專線相繼開工,中國大規(guī)模建設(shè)高速鐵路已經(jīng)啟動。

　　為建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)客運專線、推動鐵路建設(shè)技術(shù)進(jìn)步,鐵道部科技司等相關(guān)部門發(fā)布了若干暫行技術(shù)條件和規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn),確保客運專線混凝土結(jié)構(gòu)的長期耐久性。

　　客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁混凝土的技術(shù)性能特點有以下幾點: (1)混凝土有抗裂、抗氯離子滲透性、抗凍性、耐蝕性、抗堿骨料反應(yīng)性等耐久性要求;(2)礦物摻和料、聚羧酸系高性能外加劑使用納入箱梁高性能混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　下文就客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50 高性能混凝土應(yīng)遵循的配合比設(shè)計方法和泵送施工中應(yīng)注意的一些事項進(jìn)行闡述,以期給客運專線箱梁高性能混凝土施工提供參考。

2 　C50 高性能混凝土的配合比設(shè)計

　　客運專線橋梁使用年限按100年考慮,預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50混凝土技術(shù)要求主要有: 56 d電通量小于1 000 C (氯鹽環(huán)境小于800 C) ;抗凍融指標(biāo)為F200 (凍融環(huán)境F300) ;抗?jié)B等級P20以上。

2. 1　配合比設(shè)計技術(shù)路線

　　基于抗裂和耐久性考慮,“大摻量礦物摻和料+高性能外加劑”是配制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁高性能混凝土的主要技術(shù)路線。

　　對客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁混凝土來說,除預(yù)應(yīng)力措施外,混凝土本體的抗裂性是首要考慮因素,基于對水化熱和體積穩(wěn)定性的考慮決定了應(yīng)積極選擇粉煤灰和磨細(xì)礦粉作為輔助膠凝材料,并選擇適應(yīng)箱梁施工的兼有低收縮、早強(qiáng)、緩凝性能的聚羧酸系高性能外加劑配制其混凝土成為關(guān)鍵技術(shù)措施,也符合混凝土耐久性的技術(shù)實現(xiàn)途徑。

2. 2　原材料選擇

　　(1)基于控制水化熱和收縮的抗裂要求以及耐久性要求,選擇膠凝材料主要應(yīng)注意以下幾點:

　　①水泥。強(qiáng)度等級應(yīng)在42. 5以上;應(yīng)限制使用早強(qiáng)型水泥;應(yīng)控制堿含量≤0. 6%;應(yīng)控制熟料中的C3A含量≤8%;應(yīng)控制比表面積≤350 m2 /kg。

　?、诜勖夯??？刂茻Я俊?%;控制需水量比≤100%;對于硫酸鹽侵蝕環(huán)境,應(yīng)限制粉煤灰CaO含量≤10%。

　?、勰ゼ?xì)礦粉?？刂票缺砻娣e350～450 m2 /kg。

　　(2)基于強(qiáng)度和耐久性要求,選擇骨料應(yīng)注意以下幾點:

　?、俅止橇?。母巖強(qiáng)度應(yīng)達(dá)90 MPa以上;級配合理,粒形好,緊密空隙率宜≤40% ,松堆密度大于1 500 kg/m3 ,壓碎值≤10% ,針片狀≤5%;硬質(zhì)、潔凈碎石;控制吸水率≤2% ,處于凍融環(huán)境應(yīng)≤1%;非堿活性。

　?、诩?xì)骨料。細(xì)度模數(shù)宜為2. 6～3. 0,含泥量≤2%,吸水率≤2% ,硬質(zhì)、潔凈、天然河砂;非堿活性。

　　(3)基于抗裂、耐久性、強(qiáng)度、施工性能要求,選擇外加劑應(yīng)注意:外加劑與膠凝材料的相容性要好,減水率宜為25%以上,并適度引氣,適度緩凝。

2. 3　配合比設(shè)計方法

　　預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50 混凝土配合比是基于抗裂、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽腐蝕、抗凍融、抗碳化等耐久性的早強(qiáng)高性能混凝土配合比設(shè)計,因此,應(yīng)遵循高性能混凝土配合比設(shè)計方法,即選擇水膠比、礦物摻和料摻量、含氣量、漿集比、砂率(粗骨料用量)等參數(shù)采用絕對體積法進(jìn)行配合比設(shè)計,既可科學(xué)地指導(dǎo)混凝土的實際施工和過程調(diào)整,又便于分析施工中產(chǎn)生問題的原因。

2. 4　配合比參數(shù)選擇

2. 4. 1　C50高性能混凝土各參數(shù)的選擇

(1)水膠比

　　從100年設(shè)計年限要求的上海東海大橋和杭州灣跨海大橋預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50高性能混凝土的成功實踐來看,水膠比通常選擇0. 31～0. 33,較適應(yīng)基于國內(nèi)原材料現(xiàn)狀的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50高性能混凝土的施工。

(2)礦物摻合料摻量

　　通常,為有效改善混凝土抗化學(xué)侵蝕性能,優(yōu)質(zhì)粉煤灰的摻量宜選擇25% ～30% ,磨細(xì)礦粉的摻量宜選擇30%～50%。

　　采用52. 5及以上等級的水泥時,粉煤灰可選擇較大摻量,考慮預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁施工特點兼顧早強(qiáng)、降低水化熱的要求以及原料來源的限制,摻合料可選擇粉煤灰或磨細(xì)礦粉單摻路線、粉煤灰和磨細(xì)礦粉雙摻路線。

　　因摻合料單摻使用在不同施工季節(jié)難以協(xié)調(diào)混凝土強(qiáng)度、水化熱、耐久性、施工性能之間的矛盾,箱梁混凝土施工以粉煤灰與磨細(xì)礦粉二者雙摻較為適宜,通常雙摻的摻量組合范圍為: 粉煤灰( 10% ～20% ) +磨細(xì)礦粉(20%～45% ) ,總量30%～55%。

　　混凝土摻入粉煤灰因早期強(qiáng)度偏低,其摻量應(yīng)根據(jù)水泥實際強(qiáng)度和施工季節(jié)的溫度條件進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)箱梁的預(yù)應(yīng)力張拉要求,摻量通常應(yīng)選擇15%以上,以利于改善混凝土和易性和水化熱。礦粉的摻量則主要應(yīng)兼顧到施工性能,如混凝土粘度過大、拌和物流動性損失過快而影響混凝土可泵性時則應(yīng)適當(dāng)減少用量。

(3)漿集比

　　Mehta和A tcin認(rèn)為,采用適宜的集料時,漿集體積比0. 35∶0. 65可以解決強(qiáng)度、工作性和尺寸穩(wěn)定性(彈性模量、干縮和徐變)之間的矛盾。筆者多年來的混凝土施工實踐也表明,按此參數(shù)設(shè)計施工,可以得到理想的高性能混凝土。

　　客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50 高性能混凝土采用聚羧酸外加劑和大摻量礦物摻合料通?？墒箚挝挥盟拷档椭?45 ～155 kg/m3 ,按照水膠比0. 31～0. 33 計算,漿集比通常為( 0. 33 ～0. 37 ) ∶(0. 67～0. 63) ,保證適宜的含氣量( 2% ～4% ) ,可使?jié){集比參數(shù)與泵送施工工藝相協(xié)調(diào),獲得施工性能優(yōu)良的混凝土拌和物。

(4)含氣量

　　保證適宜的含氣量,可以提高混凝土的抗凍性能、抗硫酸鹽腐蝕性能,改善混凝土的拌和物性能和施工性能,保證適宜的漿體體積量,改善骨料性能缺陷,提高混凝土的勻質(zhì)性和穩(wěn)定性。

　　從施工性能和凍融耐久性兩方面考慮,客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50混凝土通常應(yīng)保證混凝土含氣量2% ～4% (抗凍F200以上) ,如進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計時因膠凝材料原因?qū)е禄炷羻挝挥盟枯^低時,為保證適宜的泵送施工性能,應(yīng)按含氣量上限進(jìn)行設(shè)計。

(5)砂率(粗骨料用量)

　　確定砂率應(yīng)考慮粗骨料密實堆積下的空隙率,如粗骨料粒形不好、級配差、空隙率大會造成填充空隙的膠凝材料漿體和細(xì)骨料用量過大、粗骨料用量過少,造成填充空隙和包裹骨料的膠凝材料用量增加,影響混凝土的彈性模量和尺寸穩(wěn)定性。

　　砂的細(xì)度模數(shù)通常不能完全反映顆粒組成差異,砂率還應(yīng)根據(jù)砂自身的顆粒組成進(jìn)行調(diào)整:細(xì)顆粒含量過多時則應(yīng)適當(dāng)降低砂率,以防止過多的細(xì)顆粒含量引起骨料裹漿量不足,引起管道潤滑層摩擦阻力增大;細(xì)顆粒含量過少時則應(yīng)適度增加砂率,增強(qiáng)漿體保水性能,降低離析傾向。

2. 4. 2　C50高性能混凝土配合比設(shè)計參數(shù)選擇建

議值

　　如粗骨料級配良好,細(xì)骨料中細(xì)顆粒含量合適,水泥相容性良好,采用聚羧酸外加劑配制的客運專線預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50高性能混凝土,進(jìn)行配合比設(shè)計時通常可按表1建議參數(shù)選擇。

3 　泵送質(zhì)量控制

　　箱梁混凝土膠凝材料用量相對較多,進(jìn)行適當(dāng)控制容易使?jié){體含量適應(yīng)泵送施工要求,但由于水膠比低、摻合料用量大、聚羧酸外加劑相對敏感而使拌和物性能不容易掌控,極易因原材料品質(zhì)的波動出現(xiàn)混凝土工作性不良。通過上述引起工作性不良的原因分析,可以明確主要通過嚴(yán)格控制計量、控制混凝土攪拌時間、控制骨料含水率波動、按照實際原材料及時調(diào)整相應(yīng)參數(shù)的辦法對混凝土施工性能進(jìn)行控制。

　　根據(jù)箱梁高性能混凝土的特點和聚羧酸外加劑的特性,箱梁泵送高性能混凝土建議注意如下參數(shù)和環(huán)節(jié)的控制。

　　(1)施工時應(yīng)合理控制混凝土的流動性,優(yōu)化可泵性。

　　泵送混凝土的可泵性與混凝土粘著管道產(chǎn)生的阻力及其在管道內(nèi)流動的速度快慢產(chǎn)生的阻力有關(guān),混凝土流動性過低、粘度過大會引起摩擦阻力增大導(dǎo)致泵送壓力增加,增加到一定程度即引起堵管。

　　采用聚羧酸外加劑拌制的箱梁混凝土單位用水量及水膠比較低并大量使用摻合料,混凝土粘度相對較大,同時混凝土中細(xì)粉料在聚羧酸外加劑適宜摻量時的保水能力非常強(qiáng),如按照以往對采用萘系減水劑的箱梁泵送混凝土的控制觀念進(jìn)行坍落度單指標(biāo)控制時,將引起混凝土壓力泌水過少,壓力泌水率過低,黏度過大,極易造成泵送壓力上升過高引起泵送受阻。

　　結(jié)合聚羧酸外加劑在適宜摻量時混凝土常壓泌水和壓力泌水較小的特點,應(yīng)適當(dāng)提高混凝土的流動性,降低混凝土黏度,以擴(kuò)展度和坍落度雙指標(biāo)控制流動性并以倒坍落度筒流下時間評價黏度,以滿足泵送工藝要求的可泵性。

　　可采用倒坍落度筒流下時間、壓力泌水率和泵送壓力來指導(dǎo)實際泵送施工。建議按照擴(kuò)展度450～550 mm、坍落度180～220 mm、倒坍落度筒流下時間以5～25 s的指標(biāo)對混凝土流動性、黏度進(jìn)行控制,如選定配合比的混凝土壓力泌水量較小,應(yīng)按建議的坍落度和擴(kuò)展度的上限對配比調(diào)整、控制,防止混凝土經(jīng)泵送后泵管出料口流動性下降過多影響澆筑質(zhì)量。

　　　(2)配合比設(shè)計時應(yīng)保證適宜的混凝土漿體含量,優(yōu)化可泵性。

　　為保證漿體包裹性和充盈度,保證可泵性和振搗密實度,應(yīng)采取措施保證漿體數(shù)量。如采用的骨料空隙率大,考慮鋼筋密集的箱梁施工時振搗的難度,因膠凝材料用量的限制,混凝土不應(yīng)過分追求低用水量,防止低用水量引起漿體量不足,造成振搗缺陷。為防止早期張拉強(qiáng)度不足,應(yīng)延長張拉時間,必要時應(yīng)合理提高對水泥強(qiáng)度和骨料空隙率的要求。

　　針對我國骨料加工的實際現(xiàn)狀,箱梁每m3 混凝土的漿體體積不應(yīng)低于0. 34 m3 ,如用水量過低時混凝土含氣量應(yīng)按照2% ～4%的上限控制,并在混凝土實際容重范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整降低石子和砂的用量、確保泵送工藝要求的漿體含量。

　　(3)嚴(yán)格材料的進(jìn)場和混凝土生產(chǎn)過程控制,保持拌和物性能的穩(wěn)定性。

4 　C50 高性能混凝土實際泵送施工配合比

調(diào)整示例

　　表2為甬溫客運專線某標(biāo)段預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁C50高性能混凝土的配合比,施工單位在其第一孔梁施工前,對實際進(jìn)場材料進(jìn)行配合比復(fù)核時發(fā)現(xiàn),混凝土拌和物較粘稠,流動性稍弱,含砂情況適宜,石子裹漿稍不足,無明顯泌水和泛漿。

表2 　甬溫客運專線某標(biāo)段預(yù)應(yīng)力

混凝土箱梁C50高性能混凝土配合比

　　經(jīng)了解,與配比設(shè)計時相比,骨料有所變化,粒徑有所降低,石粉含量略有增加,含氣量略有降低(下降0. 5% ) ,黏度有較大增加。調(diào)整如下:

　　(1)以保證強(qiáng)度和耐久性能為前提,即水膠比不變甚至有所降低時改善泵送性能。

　　(2)驗算調(diào)整前配比漿集比為0. 335∶0. 665,根據(jù)拌和物漿體包裹和流動性情況,確定外加劑摻量比例不變,膠材總量(粉煤灰)和單位用水均適當(dāng)增加,以提高漿體含量,充分利用優(yōu)質(zhì)粉煤灰有利于裹漿和改善流動性的優(yōu)點,降低摩擦阻力,提高泵送性能。

　　配比調(diào)整后,水膠比從0. 33 降至0. 325,漿集比為0. 345∶0. 655,拌和物和易性明顯改善,流動性增大,粘度也得到降低,拌和樓拌和、泵送試驗結(jié)果表明調(diào)整后的配比是合適施工的。

　　通過控制適宜的混凝土攪拌時間,對骨料采取濕潤和翻拌措施,強(qiáng)化對拌和用水量的控制,箱梁實際施工中自始至終未出現(xiàn)堵管等泵送困難現(xiàn)象,由于施工順暢,施工時間從預(yù)計的10 ～12 h縮短到7 h,進(jìn)展非常順利。

5 　結(jié)語

　　客運專線工程開工建設(shè)量大,施工點分散,原料復(fù)雜,高性能混凝土的配合比設(shè)計應(yīng)充分考慮客運專線混凝土礦物摻合料摻量大和采用聚羧酸外加劑的混凝土拌和物特點、骨料等原材料的品質(zhì)現(xiàn)狀,增進(jìn)對適應(yīng)泵送工藝要求的混凝土性能參數(shù)的考慮,并充分考慮實際機(jī)械、設(shè)備能力和控制水平及難度,才更有利于保證客運專線耐久性混凝土的施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

　　1　孫樹,蘇祖平,歐陽華林. 聚羧酸系外加劑在杭州灣跨海大橋工程海工高耐久混凝土中的應(yīng)用. 見:第一屆聚羧酸外加劑會議論文集. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005

　　2　孫樹,劉小軍,周猛. 聚羧酸系外加劑在廣東液化天然氣工程高性能混凝土中的試驗與應(yīng)用. 混凝土與水泥制品,2005 (2)

　　3　吳中偉,廉慧珍. 高性能混凝土. 北京: 中國鐵道出版社, 1999

　　4　馬保國. 新型泵送混凝土技術(shù)及施工. 北京:化工出版社, 2006