境外鐵路項目惡劣環(huán)境下混凝土配合比試配研究

余小周

(中國國家鐵路集團有限公司， 北京 100038)

1 工程概況

中老鐵路北起中國與老撾邊境磨憨，南至老撾首都萬象，途徑老撾孟塞、萬榮等主要城市。項目采用中國鐵路Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)，為客貨共線單線電氣化鐵路。項目全長414 km，其中橋隧總長259 km，占線路總長的62.4%。老撾屬熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候，5月至10月為雨季，11月至次年4月為旱季，年平均氣溫約 26 ℃。老撾全境雨量充沛，最小年降水量為 1 250 mm，最大年降水量達 3 750 mm，一般年降水量約為 2 000 mm。項目所處于區(qū)域，受鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境、氯鹽環(huán)境等多種侵蝕環(huán)境的作用。復(fù)雜、惡劣的工程地質(zhì)環(huán)境對混凝土耐久性及其工作性能的要求更為嚴(yán)苛，加之境外鐵路項目使用的水泥、外加劑等混凝土主要組成材料一般為就地取材，其材料性能與國內(nèi)差異較大，這又在一定程度上增加了混凝土配合比的試配難度。

本文以中老鐵路項目為依托，對鐵路隧道二襯混凝土的配合比進行優(yōu)化設(shè)計，試配出惡劣環(huán)境條件且材料性能不同于國內(nèi)情況下，滿足工程施工質(zhì)量強度要求和耐久性的混凝土配合比[1-2]。

2 材料選用

2.1 水泥測試數(shù)據(jù)

膠材[3]選用是混凝土配合比試驗的重中之重，現(xiàn)場對5種水泥材料進行了檢測，其測試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 水泥物理化學(xué)測試數(shù)據(jù)表

表2 水泥礦物組分測試數(shù)據(jù)表(%)

從表1、表2的測試數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出， TPI水泥的膠砂強度和硅酸三鈣(C3S)[4]均高于其他4種水泥。這說明TPI水泥的水化過程速度較快，能迅速使水泥凝結(jié)，早期和后期強度都較高。但同時TPI水泥中氧化鎂、游離氧化鈣、三氧化硫的含量，也高于其他4種水泥，施工過程中易發(fā)生開裂、膨脹現(xiàn)象，因此，不建議在大體積混凝土中使用該水泥。TPI水泥的氯離子含量也高于其他4種水泥，其對鋼筋等構(gòu)件的腐蝕影響也大于其他4種水泥。

2.2 水泥減水劑摻入情況

調(diào)整5種水泥減水劑的摻量，使其出機擴展度(500～550 mm)、坍落度(200～220 mm)相同，對比5種水泥所需的減水劑摻量，其對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同水泥減水劑摻量對比圖

從圖1可以看出，紅獅水泥所需減水劑摻量最高，拉邦、SCG水泥次之，華新、TPI水泥最低。其原因在于減水劑摻量與水泥的比表面積及標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量有關(guān)。比表面積大，所需的潤濕水越多，要達到相同流動度，則需摻加更多的減水劑來分散釋放自由水[5]。5種水泥比表面積及標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量如圖2所示。

圖2 不同水泥比表面積和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量圖

2.3 水泥坍落度損失情況

5種水泥初始坍落度及1 h坍落度對比如圖3所示。從圖3種可以看出，通過控制初始減水劑的摻量，可使5種水泥具有幾乎相同的初始坍落度。但1 h后，5種水泥坍落度的損失情況差異較明顯，TPI、SCG水泥的坍落度損失較小，拉邦、華新水泥的坍落度損失明顯，紅獅水泥的坍落度損失最大。推測是由水泥礦物相中鋁酸三鈣含量的差異所致，鋁酸三鈣含量高，水化反應(yīng)加快，同時減水劑吸附加快，導(dǎo)致水泥漿體空隙溶液中游離的減水劑分子降低，后期吸附分散能力減弱，坍落度損失加快。華新水泥的鋁酸三鈣含量并不高，其坍落度損失也較快的原因在于華新水泥初始減水劑摻量低，游離減水劑較少也會導(dǎo)致坍落度損失較快。

圖3 5種水泥初始坍落度及1h坍落度對比圖

5種水泥礦物相中鋁酸三鈣含量對比及水泥漿體對減水劑吸附量對比分別如圖4、圖5所示。鋁酸三鈣含量主要通過X射線衍射進行測試，減水劑吸附量主要通過測試漿體上清液中減水劑的有機碳含量得出。

圖4 5種水泥鋁酸三鈣含量對比圖

圖5 5種水泥減水劑吸附量對比圖

從圖4、圖5中可以看出，水泥中鋁酸三鈣的含量與所需減水劑的摻入量具有較好的正相關(guān)性，鋁酸三鈣含量越高的水泥所需的減水劑摻入量越大。推測是由于聚羧酸減水劑分子主要吸附在鋁酸三鈣及其水化產(chǎn)物上，鋁酸三鈣多，吸附減水劑分子多，同時水化速度快，放熱量大，進一步加快水化。拉邦、紅獅水泥的鋁酸三鈣含量相對較多，減水劑的初始摻入量也較大。混凝土坍落度損失的控制主要是依靠水泥漿體空隙溶液中剩余減水劑分子的吸附分散作用，水泥漿體空隙溶液中剩余的減水劑分子越多，坍落度損失越慢。TPI、SCG水泥的剩余減水劑較多，坍落度損失較慢。

從適用性和經(jīng)濟性綜合考慮，最終選用TPI水泥作為本項目鐵路隧道二襯混凝土配合比試驗的選用材料。

3 粉煤灰摻入量

TPI水泥強度較高，但用于大體積混凝土?xí)r容易產(chǎn)生開裂，因此采用摻用一定劑量的粉煤灰來抑制開裂現(xiàn)象[6]。 摻入粉煤灰的測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 粉煤灰測試數(shù)據(jù)表(%)

適量摻入煤灰具有以下作用：

(1)減少水化熱，降低開裂

在混凝土拌和過程中，水泥水化集中放出大量熱量，特別是大體積混凝土施工，混凝土表面和內(nèi)部溫差較大，易產(chǎn)生裂縫。粉煤灰活性比水泥低，且不參與水化反應(yīng)，適量摻入粉煤灰，可相對減少膠凝材料中熟料C3S和C3A的含量，水化時水化熱相應(yīng)降低，降低混凝土開裂的機率。同時可使混凝土干縮減少5%，彈性模量提高5%～10%。

(2)提高鋼筋抗銹蝕性

粉煤灰與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),降低了混凝土中的堿性，對鋼筋銹蝕有利。

(3)提高混凝土抗?jié)B性

粉煤灰的活性物質(zhì)發(fā)生二次水化反應(yīng)，使粉煤灰具有一定的膠凝性，填充了水泥水化后的微小空隙，使混凝土密實度得以提高。因此，適量摻入粉煤灰，可提高混凝土的抗?jié)B性，且在使用時采用超量取代要比等量效果更好。

(4)改善混凝土的和易性

粉煤灰由大小不等的球狀玻璃體組成，表面光滑致密，在混凝土拌和中起到潤滑的作用。同時，粉煤灰顆粒比水泥顆粒小，均勻分布在水泥顆粒中，阻止了水泥顆粒粘聚，使存在于水泥顆粒之間的部分自由水釋放出來，從而改善其和易性。

基于以上幾點，適量摻入粉煤灰對改善混凝土性能起到良好的作用[7]。

粉煤灰摻量過少不能有效抑制大體積混凝土開裂；摻量過多則會導(dǎo)致混凝土強度會降低，和易性變差，且對化學(xué)環(huán)境、氯鹽環(huán)境侵蝕起不到抑制作用。因此，需通過分析選取適中的摻量，以達到最佳的配比效果。粉煤灰代替水泥摻量分析，如表4所示。

表4 粉煤灰代替水泥摻量分析表

由表4可知，摻入30%的粉煤灰，不僅能抑制化學(xué)環(huán)境、 氯鹽環(huán)境的侵蝕，還能降低TPI水泥中水泥氧化鎂、游離氧化鈣、三氧化硫的含量，為較為合適的粉煤灰摻入量。

4 引氣劑摻入量

鹽類結(jié)晶環(huán)境中，混凝土孔隙中鹽類結(jié)晶壓力很大，其所產(chǎn)生的破壞屬于物理侵蝕,但比化學(xué)侵蝕破壞更嚴(yán)重、速度更快。鹽類結(jié)晶產(chǎn)生的必要條件是混凝土孔液達到飽和狀態(tài)。除環(huán)境介質(zhì)外,溫度變化和干濕循環(huán)是混凝土孔液達到飽和的重要外部條件。鹽類結(jié)晶破壞的條件是鹽類在毛細孔中不斷結(jié)晶和聚集。摻入引氣劑可使混凝土拌合物內(nèi)形成大量微小的封閉狀氣泡，這些微氣泡如同滾珠一樣，減少骨料顆粒間的摩擦阻力，使混凝土拌合物的流動性增加[8]。同時由于水分均勻分布在氣泡的表面，自由移動水量減少，濕砂漿的泌水量減少，混凝土的保水性和黏聚性隨之提高。

外摻引氣劑過多，會使混凝土強度降低，摻量過少則起不到對鹽類結(jié)晶破壞的抑制作用。經(jīng)反復(fù)試驗，最終確定將含氣量控制在4%～6%之間。同配比下混凝土含氣量強度降低曲線如圖6所示。

圖6 同配比下混凝土含氣量強度降低曲線圖

5 混凝土配合比

通過對水泥材料性能的對比分析，最終選用TPI水泥作為配比試驗水泥選材。然后通過調(diào)整粉煤灰、引氣劑等外加劑的摻入量，多次試驗、分析、對比，優(yōu)化混凝土的配合比，最終確定得到最佳配合比。中老鐵路某標(biāo)段C35混凝土的配合比如表5所示。

表5 中老鐵路某標(biāo)段C35混凝土配合比表(kg/m3)

6 結(jié)論

本文通過對中老鐵路隧道二襯混凝土配合比的試配試驗，確定了原材料性能不同于國內(nèi)情況下的混凝土配合比，并在實際施工中得到了有效驗證。現(xiàn)場實體回彈檢測結(jié)果表明，中老鐵路某標(biāo)段鐵路隧道二襯混凝土合格率達100%，確保了工程質(zhì)量。可為其他境外項目混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計提供參考。