鐵路高性能混凝土配合比設計研究

王學彥 魏秀瑛 韓文軍

1 問題的提出

長期以來,對混凝土要求關注強度指標,在滿足施工工藝要求的前提下,認為強度越高,混凝土的品質越好,實際上很多工程領域的混凝土強度都達到了相當高的指標,但在試用期內卻過早地出現了劣化的現象,高性能混凝土就是在這種情況下提出來的。高性能混凝土與傳統的普通水泥混凝土的根本區別在于混凝土滿足強度基本要求的前提下,將混凝土的耐久性指標作為重點控制指標,并根據混凝土所處的環境介質的侵蝕情況進行必要的防腐處理,使混凝土的使用壽命達到預期要求,保證建設項目高效、安全、節能、環保。作者通過參與了武廣、京滬、廈深等鐵路客運專線的建設,對鐵路高性能混凝土的設計和使用做了較為深入的研究和實踐。

2 高性能混凝土的特點

高性能混凝土的配合比設計重點體現在混凝土的高性能上,它的高性能主要體現在:1)高工作性:即具有好的流動性,和易性,粘聚性和保水性,能夠滿足現場常規的施工工藝和設備的要求;2)高強度:在使用較小的膠材用量的情況下既能夠獲得比普通混凝土高的強度,并且前期水化反應溫和,二次水化產生的凝膠體使混凝土內部不斷密實,強度持續增長;3)高耐久性:按目前的鐵路客運專線的標準,要求混凝土結構要具有100年以上的使用壽命;4)高適應性:所使用的混凝土要能適應所處環境的需求,要針對不同侵蝕介質配制滿足耐久性要求的混凝土。

3 設計思路和途徑

高性能混凝土的設計與普通混凝土的設計步驟大致相同,所不同的是在設計初期要熟悉混凝土的各項耐久性指標,了解工程所在地的環境侵蝕情況以及施工圖紙上對耐久性的要求。結合我們在某鐵路長沙灣特大橋高性能混凝土的設計,高性能混凝土的設計思路和途徑應該是:熟悉耐久性指標→混凝土施工要求→原材料的選擇和控制→配合比設計要點→設計指標驗證、試驗→施工注意要點的說明等。

4 高性能混凝土配合比設計要點

4.1 膠材用量

膠材指用于配制混凝土的水泥、粉煤灰、磨細礦渣粉或硅粉等活性礦物摻合料的總稱,統稱為混凝土膠凝材料。在配制高性能混凝土時應嚴格控制膠材用量,在能夠滿足混凝土強度需求的情況下,盡量減少膠材用量,而增加級配良好、形狀規則、表面粗糙、線膨脹系數小、材質優良潔凈的粗骨料,細骨料盡量采用級配良好、干凈的中砂,這樣會有效地減少混凝土內部空隙,可以降低膠材用量,減少混凝土自縮。同時,因膠材用量的減少,可有效的抑制混凝土的水化反應,減少水化熱和混凝土內部毛細孔,改善混凝土內部結構,增強結構密實性。

活性摻合料的摻量同樣對混凝土的耐久性起到非常關鍵的作用,高性能混凝土與普通混凝土配合比區別所在無非有兩個方面:一方面摻加高效減水劑,減少混凝土單方用水量,降低了水膠比;另一方面在混凝土中加入活性摻合料(如粉煤灰、硅粉等),可很好的改善混凝土性能,減少水泥用量,增強混凝土和易性和密實性,抑制混凝土過快的水化反應,減少因早期強度過高而造成混凝土內部產生的缺陷性裂縫。所以在混凝土內摻入一定比例的活性礦物摻合料是提高混凝土耐久性的有效途徑。目前,現場普遍采用的摻合料主要是粉煤灰,因粉煤灰的細度比水泥細度小得多,有著較大的比表面積,可以很好的填充混凝土內部毛細孔和水路,增強混凝土密實性,而且粉煤灰的水化反應周期長,水化反應遲緩,可持續增長混凝土強度,對混凝土后期強度貢獻較大,我們在同種條件下進行的對比實驗表明,摻加粉煤灰后56 d強度增長可達10%～20%,最高可達30%以上。

通過對比可見,摻加粉煤灰后,混凝土的前期強度上升遲緩,28 d強度明顯低于不摻加粉煤灰的情況,但后期強度上升空間較大,這就說明粉煤灰對控制混凝土早期水化反應,改善混凝土內部結構,提高混凝土密實性能夠起到很好的作用。那么在實際運用中粉煤灰的摻量是如何控制的,理論上粉煤灰在混凝土中以可替代水泥用量的20%～30%為最佳,但實際上在對混凝土早期強度要求不高的情況下,有時可達40%以上,我們在對長沙灣特大橋的配合比設計中,粉煤灰的摻量按25%等量替代水泥。

4.2 水膠比

水膠比不僅對混凝土強度、耐久性有影響,而且對混凝土的流動阻力也有很大影響。過大的水膠比特別不利于混凝土內部微觀結構的發展,將會在混凝土內部形成大量的開口和閉口空隙或氣泡,以及因水分的移動形成的貫通水路,極大的影響到混凝土的強度和耐久性,所以在高性能混凝土的配合比設計時,水膠比是重點考慮和控制的參數,一般以控制在0.42以下為最佳。

4.3 砂率

混凝土要具有良好的工作性、泵送時不堵塞泵機和管道、澆筑成型時易振搗、好抹面,選擇合理的砂率就尤為重要。砂率過小,混凝土中砂漿量小,拌合物的流動性小,同時也容易產生石子離析;砂率過大,不僅會影響混凝土的工作性和強度,而且會增大收縮和產生裂縫。高性能混凝土的砂率一般宜控制在35%～45%,但為了保證混凝土強度,砂率最好控制在40%以內。

4.4 坍落度

目前的高性能混凝土由于摻加了粉煤灰、外加劑,混凝土的和易性和工作性都得到了很大改善,保證滿足施工工藝的坍落度相對比較容易,但因目前減水劑性能的不穩定性,以及施工現場自然環境、溫度等因素的影響,坍落度常常會發生變化,尤其是減水劑的影響尤為重要,所以在進行配合比設計時應重點對坍落度損失值進行控制,一般情況下在配制混凝土時60 min坍落度損失不應大于30 mm。

4.5 混凝土含氣量

在對高性能混凝土配合比設計時,含氣量也是一個必須考慮的指標之一,混凝土含氣量除對混凝土抗凍性能起到很好的作用外,對混凝土的和易性、流動性和耐久性等指標也有明顯的影響,混凝土的含氣量可在混凝土中產生大量的球形氣泡,在不同介質界面之間起到很好的潤滑作用,并在混凝土內形成均布的細小微孔,這些微孔可以有效的阻斷內部貫通的毛細孔通路,降低毛細水的滲透,并可吸收和抵抗外界化學侵蝕,這些毛細孔是由混凝土中分布的均勻的氣泡產生的閉口空隙,與因水膠比過大或水路貫通而產生的缺陷孔道有本質上的區別,二者不能混為一談。雖然混凝土的含氣量對混凝土的耐久性和工作性有一定的好處,但含氣量也不能過大,混凝土的含氣量主要是由引氣劑或有引氣功能的減水劑引起的,如果含氣量過大,一方面混凝土內部空間會充滿大量氣泡,造成混凝土拌合物表觀密度降低,混凝土密實性不夠,強度損失較大;另一方面流動的混凝土也會因時間的推移,內部的氣泡不斷發生破裂而減少,造成混凝土坍落度損失較大,在規定的時間內無法滿足施工工藝的要求。根據我們對試驗數據的統計分析認為:一般高性能混凝土在沒有抗凍要求的情況下,含氣量控制在2%～5%最為適宜,有抗凍要求時可達6%以上,對C50以上的混凝土最好控制在2%～4%,因為我們通過試驗發現,當混凝土含氣量超過5%以上時,含氣量每增加一個百分點,強度損失達5%～10%,60 min坍落度損失增加值可達10 mm～20 mm,對混凝土施工的質量控制和強度保證極為不利。

5 結語

以上觀點是作者在參建某鐵路工程中,在對長沙灣特大橋防腐耐久高性能混凝土配合比設計時考慮的幾個主要方面,按照上述思路和要點配制出的C40防腐耐久高性能混凝土,在經過試驗驗證后電通量可控制到500℃以下,含氣量3.2左右,抗滲等級達到P12,抗裂性滿足標準要求。隨著鐵路跨越式發展的需要,鐵路基礎設施建設得到了迅猛發展,高質量混凝土的應用與日俱增,建環保、永久、節能型的鐵路工程越來越依賴于混凝土的質量,伴隨著科學技術的不斷進步和發展,新型的混凝土材料和各種添加劑將不斷研發和誕生,目前市場上已經有了防腐劑、密實劑等新型混凝土外加劑,這些都必將對混凝土的革新帶來進一步深遠的影響,為高性能混凝土的研究開拓更加廣闊的空間。

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