高性能混凝土在重載鐵路上的應用與試驗

文｜中交二公局第四工程有限公司 楊富余

1、概述

高性能混凝土是一種易于澆注、搗實、能長期保持高強、韌性與體積穩定性，在嚴酷環境下使用壽命長的特點，經常規材料拌和生產，混凝土力學性能、耐久性、工作性和體積穩定性比普通混凝土更優，混凝土澆筑具有高流動性、高粘聚性、自密實性優點，在鐵路工程施工與運營期，具有明顯的環境條件的適應性和經濟合理性。

山西中南部鐵路通道17標段是國家規劃的大能力運煤通道建設項目，是“十一五”期間國家重點工程，路線設計等級為國鐵I級重載鐵路，設計軸重30t，時速120km/h；山西中南部鐵路通道ZNTJ-17標四分部位于山東省，線路經過泰安市岱岳區到達萊蕪市，穿越泰安市岱岳區魯東冶新村、萊蕪市三鎮（牛泉鎮、方下鎮、口鎮）一區（工業園區），沿線經32個行政村。路基填方200萬方；挖方30萬方；橋梁工程9748.24延米；框架小橋23座；框架涵45座，建設工期總共40個月。

2、配合比設計時原材料的選擇及技術指標要求

2.1、原材料選用依據《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》及《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中的相關規定選用，技術指標必須符合規范要求。

表1 水泥技術指標

表2 粉煤灰技術指標

表3 礦渣粉技術指標

表4 砂技術指標

2.2、原材料技術指標匯總如下：

2.2.1 水泥選用山東魯碧建材有限公司生產的P.O42.5水泥，技術指標見表1。

2.2.2 粉煤灰選用山東鄒縣發電廠生產的C50及以上的粉煤灰，技術指標見表2。

2.2.3 礦粉選用山東魯碧建材有限公司生產的S95礦渣粉，技術指標見表3。

2.2.4 河砂選用牛泉砂場生產的中粗砂，技術指標見表4。

2.2.5 碎石選用生林石料廠生產的粒徑5-20mm碎石，技術指標見表5。

2.2.6 外加劑選用山西華凱偉業生產的聚羧酸系高性能減水劑，技術指標見表6。

3、混凝土配合比設計及混凝土性能要求

山西中南部鐵路通道ZNTJ-17現澆梁混凝土設計強度等級為C50；設計使用年限為100年；坍落度160-200；含氣量＞2.0%；環境作用等級T2；28 d電通量＜1000C；彈性模量＞3.55×104 Mpa；根據高性能混凝土的設計原理及施工工藝，通過計算、試配、試件檢測，試驗條件下混凝土技術指標為：坍落度190；含氣量3.1%；28 d抗壓強度64.3 Mpa；28 d彈性模量 3.69×104 Mpa；28 d電通量560C；抗凍等級達到F200以上；每方堿含量2.42 kg/ m3、三氧化硫含量1.91%、氯離子含量0.042%。現澆梁具體配合比見表7。

表5 碎石技術指標

表6 碎石技術指標

表7 現澆梁C50配合比

在配合比設計時，應根據設計使用年限、環境條件、和施工工藝進行設計，要重點突出混凝土耐久性的要求，提高混凝土的密實性，減小混凝土的孔隙率，采取措施降低各種侵蝕介質和其它有害物質通過空隙混入混凝土內部。因此，在配合比設計時，要注意以下事項：

3.1、選用優質原材料，水泥宜為硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，不宜使用早強水泥，且必須符合國家標準規；礦物摻和料應為性能穩定的粉煤灰、磨細礦渣粉、和硅灰，滿足技術要求；細骨料選擇質地堅硬、級配良好、吸水率低、孔隙率小的潔凈天然中粗河砂；粗骨料選用級配合理、質地堅固線脹系數小的潔凈碎石，不得使用砂漿棒膨脹率大于等于0.30%煩人骨料，不得使用具有堿-碳酸鹽反應活性骨料；外加劑選用質量穩定，與水泥及礦物摻合料之間有良好的相容性；通過計算混凝土中由水泥、礦物摻合料、骨料、外加劑和拌和用水等引入氯離子含量不超標，避免對鋼筋的銹蝕，確保混凝土的耐久性。

3.2、摻入礦物摻合料提高高性能混凝土的高工作性和高耐久性。礦物摻合料填充膠凝材料的空隙，使膠凝采用有更好的級配，通過膠凝材料的水化反應，提高混凝土的密實度、耐久性和強度。優質礦物摻合料在抑制堿-骨料反應、降低水化熱、方面起到重要作用。如粉煤灰火山灰效應提高混凝土的化學抗侵蝕性能，微集料效應不但改善集料的級配，還增強了混凝土的流動性，又可以增加混凝土的自密實性和入模能力。因此，混凝土中摻入礦物摻合料，在改善混凝土性能，降低水化熱，防止溫升裂縫、提高混凝土的長期強度、提高混凝土的耐久性和抗侵蝕作用、抑制堿-骨料反映抑制方面起到重要作用。

3.3、添加聚羧酸系高性能減水劑能提高混凝土的各種優良特性，在配合比設計選擇外加劑必須要具備這些性能的條件，聚羧酸高性能減水劑減水率能達到30%左右，降低水灰比，增強混凝土的粘性，為了保證混凝土有良好的和工作性能，設計坍落度控制在20厘米左右。聚羧酸高性能減水劑具有一定的緩凝性與引氣性，正好能滿足泵送性能要求，且通過調整適合的含氣量，提高混凝土的耐久性。

3.4、配合比設計過程及有害物質的確定，設計過程按照《鐵路混凝土工程施工技術指南》中規定的方法計算、試配、和調整。首先根據混凝土的性質、設計強度等級、和耐久性指標要求，結合工程上所選水泥的性能、外加劑性能、初步確定膠凝材料總用量，礦物摻合料的種類及摻量、外加劑的摻量、水膠比和砂率，并計算出單位體積的水泥用量、礦物摻合料的用量、用水量以及外加劑的用量，其次根據體積法計算砂、石用量，核算單方混凝土的堿含量、氯離子含量、三氧化硫含量、漿體體積是否滿足要，根據確定的單方原材料用量拌和混凝土，測試混凝土的坍落度、泌水率、凝結時間、和含氣量等性能指標。為了滿足高耐久性和高強度的要求，要按照《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中的相關規定確定電通量、礦物摻合料摻量范圍、最大水膠比，最小水膠比是否滿足要求，試驗室經過試拌確定工作性能優良、強度和耐久性滿足設計和施工要求，經濟又合理的原則，選定最終的試驗室理論配合比，通過測定混凝土拌和物表觀密度，對試驗室理論配合比校正，確定混凝土的實際理論配比。計算凝土中由水泥、礦物摻合料、骨料、外加劑和拌和用水等引入的堿含量、三氧化硫含量、氯離子含量等有害物質是否超過規范有求。保證高性能混凝土高強度、高耐久性和施工工藝的要求。

3.5、滿足混凝土澆筑工藝要求，連續梁施工中，高性能混凝土因為強度等級高、粘度大，影響混凝土的流動性，混凝土泵送時造成吸入效率低，泵送阻力大，致使泵送困難，效率低，甚至出現堵管現象，如果長時間高壓泵送，混凝土的穩定性和工作性變差。連續梁施工中為了增強混凝土的泵送的連續性，要求高性能混凝土具有良好的和易性和抗分離性，因此，在配合比設計中，通過確定最佳砂率、漿骨比、在水灰比不變的情況下，增加膠凝材料用量和拌合水用量，降低高性能混凝土的粘性，提高混凝土的可泵性。

4、高性能混凝土在現澆梁施工中的質量控制

在山西中南部鐵路通道ZNTJ-17標四分部現澆梁的施工中，為了保證高性能混凝土的質量的穩定性和結構耐久性的要求，試驗室在新拌高性能混凝土質量控制中采取了如下措施：

4.1、高性能混凝土要采用強制式攪拌機攪拌，對計量器具定期檢定，在每一盤正式稱量前，對計量設備需自行檢查，原材料稱量最大允許誤差滿足膠凝材料±1%、外加劑±1%、粗細骨料±2%、拌和用水±1%。

4.2、高性能混凝土攪拌前，測定粗、細骨料的含水率，及時調整施工配合比，確保混凝土的水膠比不發生變化。

4.3、注意投料順序及拌和時間，為了保證高性能混凝土攪拌的均勻，拌和機計量系統對混凝土原材料計量后，投料順序按照先投放骨料、水泥和礦物摻和料后，充分攪拌均勻后，在添加拌和用水和聚羧酸高性能減水劑，直至攪拌均勻為止。同時，由于現澆梁施工配合比水膠比低，膠凝材料用量大，粘性大，通過延長攪拌時間，一般控制不低于2min，確保了混凝土拌和物均勻，工作性能和可泵性良好，便于現澆梁澆筑和振搗，澆筑后的混凝土面觀光澤，無麻面蜂窩現象。

4.4、高性能混凝土運輸要求。本項目在現澆梁施工中，由于高性能混凝土粘性大，攪拌時間長的特點，配備了4輛攪拌罐車運輸混凝土，在運輸過程中，運輸車裝料前將筒內水排除干凈，嚴禁添加計量外用水，確保了混凝土連續澆筑和混凝土的水膠比不發生變化。

4.5、澆筑現場混凝土工作性檢測及澆筑。混凝土運輸到施工現場，首要要進行坍落度、含氣量、泌水率、勻質性和拌和溫度等技術指標檢測，保證混凝土滿足施工工藝、可泵性及設計要求。連續梁混凝土在澆筑時，現場設置專職技術人員指揮，加強與攪拌站、罐車、泵車操作人員送等保持通信暢通，按照事先確認的施工方案合理調度，混凝土連續澆筑，一次成型，滿足了在混凝土初凝前澆筑的要求。混凝土在澆筑過程中，采用高頻振動器振動成型，在混凝土粘稠時，要加密振點分部，應特別注意二次振搗和二次振搗的機會。同時避免由于漏振和過振，造成混凝土不密實、泌水、離析和產生砂紋，有效控制混凝土密實澆筑。

4.6、加強混凝土的后期養護，由于高性能混凝土膠凝材料用量大、水膠比小，水化反應速度塊，容易使高性能混凝土中毛細管中斷，若養護期水不能及時進入混凝土參與水化反應，將影響水化效果，易影響混凝土力學性能，所以高性能混凝土應在早期加強養護。在現澆梁澆筑的前期養護中，采用灑水和塑料薄膜覆蓋措施減少水分蒸發，養生期間，確保混凝土芯部與表面、表面與環境之間的溫差不超過15℃的要求，保證混凝土不產生干縮和溫縮裂紋，增強混凝土的耐久性要求。

5、高性能混凝土在現澆梁施工的應用情況

在山西中南部鐵路通道ZNTJ-17標四分部現澆梁的施工中，通過對高性能配合比設計、質量控制、及合理的施工組織設計和調度，所設計的高性能混凝土各項技術指標均能滿足現澆梁設計規范要求、施工工藝要求及功能要求，主要表現在一下幾方面：

5.1、高工作性要求：現澆梁C50混凝土出機坍落度控制在16-200mm，含氣量控制在2%-4%之間。混凝土拌和物工作性能及勻質良好，無泌水、離析現象，混凝土在入模過程中不分層、不離析，可泵性、自密實性能效果良好，減輕施工勞動強度,節約施工能耗。

5.2、力學指標要求：現澆梁C50混凝土28 d平均抗壓強度值64.3 Mpa，28 d彈性模量3.69×104 Mpa；本項目在混凝土拌和時計量準確，原材料選擇上選用優質原材，及在現澆梁施工中采取的各項措施，保證了所生產的混凝土在質量上優良，力學指標滿足規范設計要求。

5.3、高耐久性要求：現澆梁C50混凝土以低水灰比配制，選用優質原材料，除水泥、水和骨料外，摻加性能穩定的聚羧酸系高性能減水劑，減少水泥用量，減少混凝土內部孔隙率，減少體積收縮， 28d電通量達到560C，抗凍等級達到F200以上，每方混凝土中堿含量2.42 kg/ m3、三氧化硫含量1.91%、氯離子含量0.042%，耐久性滿足設計規范要求。

5.4、高穩定性要求：在現澆梁施工中，由于配制時摻入了30%的礦物摻和料，混凝土在硬化早期水化熱較低，硬化后期養護措施落實到位，能確保混凝土彈性模量較高、收縮與徐變較低、溫縮變形較小的特點，體現了高穩定性要求。

6、結論

在山西中南部鐵路通道ZNTJ-17標四分部現澆梁的施工中，通過混凝土配合比設計，原材料優選及混凝土質量控制，生產的混凝土在工作性、耐久性，可泵性和穩定性上滿足高性能混凝土的要求。但混凝土配制上的特點是水灰比低，混凝土容重大，流動性能差，通過試配摻加合理用量的礦物集料和聚羧酸系高效減水劑，選用最佳砂率，降低水泥用量，增強混凝土的工作性能，在施工中便于混凝土的澆筑，同時由于礦物摻合料的加入，增強了混凝土的體積穩定性，提高了混凝土的強度及耐久性。高性能混凝土技術指標控制中，其核心是保證耐久性，所以在施工中加強對高性能混凝土的試驗研究， 關注施工中出現的問題, 并及時總結，對優化施工工藝、保障工程質量，為我們今后施工積累豐富經驗。