干旱、大風、大溫差環境下橋梁墩身混凝土的配制與養護技術

楊育紅

(中鐵二局工程測試中心, 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-12-26

1 工程概況[1]

新建蘭新鐵路第二雙線(新疆段)(簡稱蘭新二線)全長713.4 km，設計時速250 km/h以上，該段沿線經過天山東脈北山南麓丘陵區，哈密、吐魯番盆地北緣山前沖、洪積平原區等地區,線路所穿越的地區氣候環境極為惡劣，主要表現為：

(1)沿線嚴重干旱缺水、蒸發量遠大于降水量

線路穿越地區嚴重干旱缺水，線路穿越的四個地區的年降水量均較小，年均降水量最大的準格爾盆地南緣山前沖、洪積平原區年降水量為271.4 mm，而哈密、吐魯番盆地北緣山前沖、洪積平原區年均降水量僅為16.2 mm，但四個地區的年均蒸發量均在2 000 mm以上，其中天山東脈北山南麓丘陵區年均蒸發量達到3 301.6 mm。

(2)線路穿越風區，風期長、風力大

線路穿越百里風區、三十里風區等五大風區，區段內風速高，最大風速達60 m/s；風期長，局部地段大于8級風的天數已超過200 d。

(3)夏季高溫、冬季低溫、晝夜溫差大

線路穿越地區夏季極端氣溫均在30 ℃以上，最高達到47.7 ℃，而冬季極端氣溫又非常低，最低達到-31.3 ℃。因為夏季高溫是由太陽直射造成的，晚上又受大風影響，氣溫降低較多，因此晝夜溫差較大。

由于蘭新二線穿越地區處于干旱、大風和大溫差環境，我單位施工的第五標段經過地區惡劣環境條件尤為突出, 在這樣的環境下修建高速鐵路，國內外還沒有成熟的混凝土施工技術，也沒有相關的控制參數，成型后的混凝土結構物不能采取常規的灑水養護，養護不到位以及大溫差容易引起早期收縮過快，導致出現混凝土開裂病害,而設計文件又要求使用壽命為100年的高性能混凝土，為保證混凝土施工質量,我單位成立了混凝土施工技術研究課題組,本文結合該工程對干旱、大風和大溫差環境下橋梁墩身混凝土的配制與養護技術進行研究，并取得良好效果，可供類似工程借鑒。

2 研究的主要內容

當混凝土結構處于干燥、大風、大溫差氣候條件下時，如果設計的混凝土配合比存在問題，易造成混凝土性能不好、抗裂性差，同時由于氣候環境干燥、相對濕度小、蒸發量大，混凝土在養護期間很難從外界獲得水分補充，而其內部水分會大量向外散失，使水泥等膠凝材料水化不充分，不僅混凝土強度增長緩慢，而且會產生較大的干縮，在混凝土表面形成大量的干縮裂縫，裂縫的產生將導致混凝土結構抗凍性、抗蝕性等耐久性嚴重降低，無法保證混凝土使用壽命達100年[2～3]。

針對干旱、大風、大溫差惡劣環境下混凝土工程所面臨的技術問題，需研究的主要內容為：

(1)精心設計混凝土配合比，研制適用于惡劣環境下的高性能混凝土配合比，確保混凝土滿足抗裂性、抗凍性與抗蝕性等技術要求。

(2)通過對混凝土在惡劣氣候環境下不同的養護方式對高性能混凝土工作性、抗開裂性的影響，研究惡劣環境下高性能混凝土防裂養護技術。

3 橋梁墩身混凝土設計要求

根據TB 10005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》及設計文件要求，本標段墩臺身大多數為C40混凝土，且處于T2、H3、L1、D2環境，要求墩臺身混凝土和易性良好、外觀無蜂窩麻面、不開裂、顏色一致、無水紋、抗風蝕等，具體要求如下：

(1)墩身的混凝土強度設計等級為C40，坍落度160±20 mm，坍落擴展度應控制在500±20 mm，含氣量不低于5 %，可泵性好；

(2)電通量<1000 C；

(3)抗凍性≥F300；

(4)混凝土抗裂性好，不開裂；

(5)混凝土中氯離子含量小于膠凝材料總量的0.06 %；

(6)混凝土中總堿含量不大于3.0 kg /m3。

4 混凝土的配制路線

為保證在干旱、大風、大溫差環境下混凝土結構工程的使用壽命，確定的混凝土配合比配制路線如下：

(1)選用優質的混凝土原材料，方可配制出性能優良的混凝土，從而確保混凝土的耐久性。

(2)在混凝土中摻入聚羧酸減水劑，通過減水劑的高分散性的特點，降低混凝土的水膠比，使混凝土內部更加致密，抗裂性、抗凍性提高。

(3)在混凝土中摻入足夠量優質粉煤灰與磨細礦渣(礦粉)等活性礦物摻和料，不僅改善混凝土的和易性，還可延緩混凝土最高溫升時間，降低混凝土內部水化熱與內外溫差，提高混凝土的抗裂能力，且利用其活性和微粒填隙作用，改善硬化混凝土的微觀結構，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密實性、抗裂性、抗凍性[4]。

5 原材料選擇

混凝土設計使用壽命為100 a，要求混凝土耐久性高，抗裂性能強，選擇原材料時，應以防止混凝土開裂為目標進行選材，并滿足TB 10005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》的相應要求。

(1)水泥應選擇堿含量低、C3A含量較小的水泥品種，工程中選用新疆天山水泥股份有限公司生產的P·O42.5水泥，其主要技術指標見表1。

表1 天山水泥主要技術性能檢驗結果

(2)粉煤灰選用新疆華潤通(瑪電)Ⅰ級粉煤灰 ，其主要技術性能指標見表2。

表2 粉煤灰主要技術性能檢驗結果 %

(3)礦粉，選用曲沃縣旭東建材有限公司S95級礦粉，其主要技術指標見表3。

表3 礦粉主要技術性能檢驗結果

(4)細骨料選用鄯善砂場中砂，其主要技術指標見表4。

表4 細骨料主要技術性能檢驗結果

(5)粗骨料選用吐魯番石場碎石，采用5～31.5 mm連續級配，主要技術指標檢驗結果見表5。

表5 粗骨料主要技術指標檢驗結果

(6)減水劑選用北京建工有限公司生產的緩凝型AN4000聚羧酸減水劑, 其主要技術指標檢驗結果見表6。

表6 減水劑主要技術性能檢驗結果

(7)拌合水采用新疆鄯善地區坎兒井水，其主要技術指標檢驗結果見表7。

表7 拌合水主要技術性能檢驗結果

6 混凝土配制與養護方式研究

6.1 混凝土配制

依據TB 10005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》,采用選擇的混凝土原材料,按水膠比不大于0.40的原則進行混凝土配制[5]，經多次試驗,得到性能較優、可供比選的配合比(表8)。

6.2 養護方式的比對方案

按上述確定的較優配合比分別澆注3個試驗墩，共計6個試驗墩(為矩形實心墩,截面尺寸2 m×2 m,高4 m)，并采用三種不同的方式進行養護，同時在試驗墩內部埋設溫度傳感器，監測混凝土內部溫升，通過混凝土性能測試、試驗墩內部溫度測試和外觀質量分析、對比，確定最終的混凝土配合比與養護方式(表9)。

表8 C40混凝土比選配合比

表9 試驗墩混凝土養護方案

6.3 測試情況

對試驗墩混凝土拌和物性能、強度進行測試，監測試驗墩混凝土的溫升，相應測試結果見表10，試驗墩混凝土芯部達最高溫度延時情況見表11。

表10 試驗墩測試結果匯總

表11 試驗墩混凝土芯部達最高溫度延時統計

6.4 結果分析

(1)兩個不同礦物摻和料摻量的混凝土和易性均良好，抗壓強度均能滿足設計等級C40的要求。

(2)隨著混凝土中摻和料摻量的增加，水泥用量減少，混凝土水化熱在減少，內部溫升降低。當摻合料摻量為41%時，混凝土芯部最高溫度為73 ℃，已超過TB 10424-2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》要求(混凝土芯部溫度不宜超過60 ℃)；當摻合料摻量為50 %時，混凝土芯部最高溫度為58 ℃左右，符合TB 10424-2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》要求。

(3)隨著混凝土中摻和料摻量的增加，混凝土芯部達到最高溫度用時得以延長9～18 h(表12)，從而也減少了混凝土早期開裂的風險。

(4)摻和料摻量為50 %的混凝土采用三種方式進行養護，10 d內與環境最大溫差(14～17 ℃)均得到明顯降低，滿足TB 10424-2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》混凝土芯部溫度與混凝土表面溫差、表面溫度與環境溫差不宜超過20 ℃的要求，同樣也減少了混凝土開裂的風險；同時，在養護28 d后，將保溫保濕膜拆除，檢查混凝土外觀，摻和料摻量為50 %試驗墩采用方案二(浸水毛氈+防水薄膜+彩條布)養護，表面狀況最好，未發現有裂縫產生。

綜上，采用浸水毛氈+防水薄膜+彩條布的保溫保濕養護方式，可減少養護期間水分向外散失與混凝土的表面溫度受外界環境溫度的影響，夏季高溫時起到隔熱作用，保證混凝土表面溫度不過高；冬季低溫時又起到保溫作用，保證混凝土表面溫度不過低，不發生凍脹，從而確保混凝土芯部與表面溫差、混凝土表面與大氣溫差不超過20℃的要求，保證混凝土結構抗凍性、抗蝕性以及抗裂性等耐久性能，從而解決混凝土開裂這一技術難題。

6.5 配合比確定

根據試驗墩混凝土測試情況與養護方式的結果分析，最終確定C40墩身混凝土配合比見表12，混凝土中總堿含量、氯離子含量均滿足要求。

表12 選定的混凝土配合比

7 應用情況

7.1 混凝土質量抽檢情況

按選定的配合比進行混凝土墩身施工，混凝土拌和物性能良好，對墩身混凝土進行抽檢，其56 d抗壓強度、電通量、抗裂性等指標均滿足設計與驗標要求[6]，試驗結果見表13。

表13 C40墩身混凝土抽檢結果

7.2 養護工藝

墩身混凝土澆注后按確定的養護工藝進行養護，在強風區混凝土養護時間不少于28 d，在一般風區混凝土養護時間不少于14 d，墩身混凝土內實外美，無開裂，也未發現其它質量問題。

(1)拆模前在墩頂覆蓋一層浸水毛氈，并用尼龍繩將毛氈固定在模板上，保證大風不影響養護效果，并對混凝土進行灑水養護；

(2)混凝土拆模時其強度應滿足設計及驗標要求，混凝土的溫度也不能過高，以免混凝土接觸空氣時降溫過快而開裂，拆模工作要快速有效，盡量縮短混凝土的裸露時間[7]。

(3)拆模后混凝土表面采用浸水毛氈+防水薄膜+彩條布覆蓋，包裹均勻，保證搭接長度不小于20 cm，豎向接縫位于背風側，接縫處采用封口膠粘接，左右搭接接頭采用尼龍繩固定，上下搭接接頭采用鋼管和地錨固定，在墩頂設置水箱并接水管進行不間斷滴灌補水養護。

8 結束語

(1)在干旱、大風和大溫差惡劣環境下通過優選混凝土原材料，摻入足夠量的礦物摻和料與高性能聚羧酸減水劑，可明顯降低混凝土內部溫升，提高混凝土的各項性能，尤其是抗裂性，是解決特殊環境下混凝土易開裂的有效途徑；

(2)在干旱、大風和大溫差惡劣環境下，混凝土的養護至關重要，采用浸水毛氈+防水薄膜+彩條布覆蓋的方式對混凝土結構進行養護，可有效減少混凝土內外溫差，降低混凝土開裂風險，是解決特殊環境下混凝土易開裂的有效養護方式。

(3)在惡劣環境條件下進行混凝土施工，監測混凝土內部溫升極為重要,通過溫度的監測，可及早發現問題并采取有效措施，減少混凝土出現開裂病害，提高混凝土的耐久性能。

(4)針對蘭新二線穿越地區處于干旱、大風和大溫差的惡劣環境配制的橋梁墩身混凝土及研究確定的養護技術,應用效果良好,其它類似工程可參考借鑒。

[1] 中鐵二局股份有限公司.大風戈壁環境高性能混凝土施工技術研究總結[R].2015.

[2] 李全文.三十里風區高速鐵路高性能混凝土施工養護技術的研究[J].鐵道建筑技術,2011(5):89-93.

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

[4] 蔡以智,王文學,薄祥照.杭州灣跨海大橋50箱梁C50海工耐久性混凝土配合比試驗研究[J].混凝土,2006(6):86-90.

[5] 中華人民共和國行業標準.TB 10005-2010 鐵路混凝土結構耐久性設計規范[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[6] 中華人民共和國行業標準.TB 10424-2010 鐵路混凝土工程施工質量驗收標準[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[7] 黃峰. 大風、干旱、大溫差地區高性能混凝土養護工藝[C]//全國橋梁學術會議論文集,2012:955-959.