楊育紅

(中鐵二局工程測(cè)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(xiàn)(新疆段)(簡(jiǎn)稱(chēng)蘭新二線(xiàn))全長(zhǎng)713.4 km，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km/h以上，該段沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)天山東脈北山南麓丘陵區(qū)，哈密、吐魯番盆地北緣山前沖、洪積平原區(qū)等地區(qū),線(xiàn)路所穿越的地區(qū)氣候環(huán)境極為惡劣，主要表現(xiàn)為：

(1)沿線(xiàn)嚴(yán)重干旱缺水、蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降水量

線(xiàn)路穿越地區(qū)嚴(yán)重干旱缺水，線(xiàn)路穿越的四個(gè)地區(qū)的年降水量均較小，年均降水量最大的準(zhǔn)格爾盆地南緣山前沖、洪積平原區(qū)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(qū)年均降水量?jī)H為16.2 mm，但四個(gè)地區(qū)的年均蒸發(fā)量均在2 000 mm以上，其中天山東脈北山南麓丘陵區(qū)年均蒸發(fā)量達(dá)到3 301.6 mm。

(2)線(xiàn)路穿越風(fēng)區(qū)，風(fēng)期長(zhǎng)、風(fēng)力大

線(xiàn)路穿越百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)等五大風(fēng)區(qū)，區(qū)段內(nèi)風(fēng)速高，最大風(fēng)速達(dá)60 m/s；風(fēng)期長(zhǎng)，局部地段大于8級(jí)風(fēng)的天數(shù)已超過(guò)200 d。

(3)夏季高溫、冬季低溫、晝夜溫差大

線(xiàn)路穿越地區(qū)夏季極端氣溫均在30 ℃以上，最高達(dá)到47.7 ℃，而冬季極端氣溫又非常低，最低達(dá)到-31.3 ℃。因?yàn)橄募靖邷厥怯商?yáng)直射造成的，晚上又受大風(fēng)影響，氣溫降低較多，因此晝夜溫差較大。

由于蘭新二線(xiàn)穿越地區(qū)處于干旱、大風(fēng)和大溫差環(huán)境，我單位施工的第五標(biāo)段經(jīng)過(guò)地區(qū)惡劣環(huán)境條件尤為突出, 在這樣的環(huán)境下修建高速鐵路，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有成熟的混凝土施工技術(shù)，也沒(méi)有相關(guān)的控制參數(shù)，成型后的混凝土結(jié)構(gòu)物不能采取常規(guī)的灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)不到位以及大溫差容易引起早期收縮過(guò)快，導(dǎo)致出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂病害,而設(shè)計(jì)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(zhì)量,我單位成立了混凝土施工技術(shù)研究課題組,本文結(jié)合該工程對(duì)干旱、大風(fēng)和大溫差環(huán)境下橋梁墩身混凝土的配制與養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究，并取得良好效果，可供類(lèi)似工程借鑒。

2 研究的主要內(nèi)容

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)處于干燥、大風(fēng)、大溫差氣候條件下時(shí)，如果設(shè)計(jì)的混凝土配合比存在問(wèn)題，易造成混凝土性能不好、抗裂性差，同時(shí)由于氣候環(huán)境干燥、相對(duì)濕度小、蒸發(fā)量大，混凝土在養(yǎng)護(hù)期間很難從外界獲得水分補(bǔ)充，而其內(nèi)部水分會(huì)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(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，而且會(huì)產(chǎn)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(chǎn)生將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性、抗蝕性等耐久性嚴(yán)重降低，無(wú)法保證混凝土使用壽命達(dá)100年[2～3]。

針對(duì)干旱、大風(fēng)、大溫差?lèi)毫迎h(huán)境下混凝土工程所面臨的技術(shù)問(wèn)題，需研究的主要內(nèi)容為：

(1)精心設(shè)計(jì)混凝土配合比，研制適用于惡劣環(huán)境下的高性能混凝土配合比，確?；炷翝M(mǎn)足抗裂性、抗凍性與抗蝕性等技術(shù)要求。

(2)通過(guò)對(duì)混凝土在惡劣氣候環(huán)境下不同的養(yǎng)護(hù)方式對(duì)高性能混凝土工作性、抗開(kāi)裂性的影響，研究惡劣環(huán)境下高性能混凝土防裂養(yǎng)護(hù)技術(shù)。

3 橋梁墩身混凝土設(shè)計(jì)要求

根據(jù)TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》及設(shè)計(jì)文件要求，本標(biāo)段墩臺(tái)身大多數(shù)為C40混凝土，且處于T2、H3、L1、D2環(huán)境，要求墩臺(tái)身混凝土和易性良好、外觀無(wú)蜂窩麻面、不開(kāi)裂、顏色一致、無(wú)水紋、抗風(fēng)蝕等，具體要求如下：

(1)墩身的混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C40，坍落度160±20 mm，坍落擴(kuò)展度應(yīng)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(kāi)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(xiàn)

為保證在干旱、大風(fēng)、大溫差環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)工程的使用壽命，確定的混凝土配合比配制路線(xiàn)如下：

(1)選用優(yōu)質(zhì)的混凝土原材料，方可配制出性能優(yōu)良的混凝土，從而確?；炷恋哪途眯?。

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

(3)在混凝土中摻入足夠量?jī)?yōu)質(zhì)粉煤灰與磨細(xì)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(shí)間，降低混凝土內(nèi)部水化熱與內(nèi)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(jié)構(gòu)，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密實(shí)性、抗裂性、抗凍性[4]。

5 原材料選擇

混凝土設(shè)計(jì)使用壽命為100 a，要求混凝土耐久性高，抗裂性能強(qiáng)，選擇原材料時(shí)，應(yīng)以防止混凝土開(kāi)裂為目標(biāo)進(jìn)行選材，并滿(mǎn)足TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的相應(yīng)要求。

(1)水泥應(yīng)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(chǎn)的P·O42.5水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 天山水泥主要技術(shù)性能檢驗(yàn)結(jié)果

(2)粉煤灰選用新疆華潤(rùn)通(瑪電)Ⅰ級(jí)粉煤灰 ，其主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰主要技術(shù)性能檢驗(yàn)結(jié)果 %

(3)礦粉，選用曲沃縣旭東建材有限公司S95級(jí)礦粉，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 礦粉主要技術(shù)性能檢驗(yàn)結(jié)果

(4)細(xì)骨料選用鄯善砂場(chǎng)中砂，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 細(xì)骨料主要技術(shù)性能檢驗(yàn)結(jié)果

(5)粗骨料選用吐魯番石場(chǎng)碎石，采用5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配，主要技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 粗骨料主要技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果

(6)減水劑選用北京建工有限公司生產(chǎn)的緩凝型AN4000聚羧酸減水劑, 其主要技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 減水劑主要技術(shù)性能檢驗(yàn)結(jié)果

(7)拌合水采用新疆鄯善地區(qū)坎兒井水，其主要技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 拌合水主要技術(shù)性能檢驗(yàn)結(jié)果

6 混凝土配制與養(yǎng)護(hù)方式研究

6.1 混凝土配制

依據(jù)TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)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(jìn)行混凝土配制[5]，經(jīng)多次試驗(yàn),得到性能較優(yōu)、可供比選的配合比(表8)。

6.2 養(yǎng)護(hù)方式的比對(duì)方案

按上述確定的較優(yōu)配合比分別澆注3個(gè)試驗(yàn)墩，共計(jì)6個(gè)試驗(yàn)墩(為矩形實(shí)心墩,截面尺寸2 m×2 m,高4 m)，并采用三種不同的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，同時(shí)在試驗(yàn)墩內(nèi)部埋設(shè)溫度傳感器，監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫升，通過(guò)混凝土性能測(cè)試、試驗(yàn)墩內(nèi)部溫度測(cè)試和外觀質(zhì)量分析、對(duì)比，確定最終的混凝土配合比與養(yǎng)護(hù)方式(表9)。

表8 C40混凝土比選配合比

表9 試驗(yàn)墩混凝土養(yǎng)護(hù)方案

6.3 測(cè)試情況

對(duì)試驗(yàn)墩混凝土拌和物性能、強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)墩混凝土的溫升，相應(yīng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表10，試驗(yàn)墩混凝土芯部達(dá)最高溫度延時(shí)情況見(jiàn)表11。

表10 試驗(yàn)墩測(cè)試結(jié)果匯總

表11 試驗(yàn)墩混凝土芯部達(dá)最高溫度延時(shí)統(tǒng)計(jì)

6.4 結(jié)果分析

(1)兩個(gè)不同礦物摻和料摻量的混凝土和易性均良好，抗壓強(qiáng)度均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)等級(jí)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(nèi)部溫升降低。當(dāng)摻合料摻量為41%時(shí)，混凝土芯部最高溫度為73 ℃，已超過(guò)TB 10424-2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求(混凝土芯部溫度不宜超過(guò)60 ℃)；當(dāng)摻合料摻量為50 %時(shí)，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(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》要求。

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

(4)摻和料摻量為50 %的混凝土采用三種方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，10 d內(nèi)與環(huán)境最大溫差(14～17 ℃)均得到明顯降低，滿(mǎn)足TB 10424-2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》混凝土芯部溫度與混凝土表面溫差、表面溫度與環(huán)境溫差不宜超過(guò)20 ℃的要求，同樣也減少了混凝土開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，在養(yǎng)護(hù)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(yàn)墩采用方案二(浸水毛氈+防水薄膜+彩條布)養(yǎng)護(hù)，表面狀況最好，未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。

綜上，采用浸水毛氈+防水薄膜+彩條布的保溫保濕養(yǎng)護(hù)方式，可減少養(yǎng)護(hù)期間水分向外散失與混凝土的表面溫度受外界環(huán)境溫度的影響，夏季高溫時(shí)起到隔熱作用，保證混凝土表面溫度不過(guò)高；冬季低溫時(shí)又起到保溫作用，保證混凝土表面溫度不過(guò)低，不發(fā)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(guò)20℃的要求，保證混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性、抗蝕性以及抗裂性等耐久性能，從而解決混凝土開(kāi)裂這一技術(shù)難題。

6.5 配合比確定

根據(jù)試驗(yàn)墩混凝土測(cè)試情況與養(yǎng)護(hù)方式的結(jié)果分析，最終確定C40墩身混凝土配合比見(jiàn)表12，混凝土中總堿含量、氯離子含量均滿(mǎn)足要求。

表12 選定的混凝土配合比

7 應(yīng)用情況

7.1 混凝土質(zhì)量抽檢情況

按選定的配合比進(jìn)行混凝土墩身施工，混凝土拌和物性能良好，對(duì)墩身混凝土進(jìn)行抽檢，其56 d抗壓強(qiáng)度、電通量、抗裂性等指標(biāo)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與驗(yàn)標(biāo)要求[6]，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13。

表13 C40墩身混凝土抽檢結(jié)果

7.2 養(yǎng)護(hù)工藝

墩身混凝土澆注后按確定的養(yǎng)護(hù)工藝進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在強(qiáng)風(fēng)區(qū)混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28 d，在一般風(fēng)區(qū)混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d，墩身混凝土內(nèi)實(shí)外美，無(wú)開(kāi)裂，也未發(fā)現(xiàn)其它質(zhì)量問(wèn)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(fēng)不影響?zhàn)B護(hù)效果，并對(duì)混凝土進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)；

(2)混凝土拆模時(shí)其強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及驗(yàn)標(biāo)要求，混凝土的溫度也不能過(guò)高，以免混凝土接觸空氣時(shí)降溫過(guò)快而開(kāi)裂，拆模工作要快速有效，盡量縮短混凝土的裸露時(shí)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(zhǎng)度不小于20 cm，豎向接縫位于背風(fēng)側(cè)，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(shè)置水箱并接水管進(jìn)行不間斷滴灌補(bǔ)水養(yǎng)護(hù)。

8 結(jié)束語(yǔ)

(1)在干旱、大風(fēng)和大溫差?lèi)毫迎h(huán)境下通過(guò)優(yōu)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(nèi)部溫升，提高混凝土的各項(xiàng)性能，尤其是抗裂性，是解決特殊環(huán)境下混凝土易開(kāi)裂的有效途徑；

(2)在干旱、大風(fēng)和大溫差?lèi)毫迎h(huán)境下，混凝土的養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要，采用浸水毛氈+防水薄膜+彩條布覆蓋的方式對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可有效減少混凝土內(nèi)外溫差，降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，是解決特殊環(huán)境下混凝土易開(kāi)裂的有效養(yǎng)護(hù)方式。

(3)在惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行混凝土施工，監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫升極為重要,通過(guò)溫度的監(jiān)測(cè)，可及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取有效措施，減少混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂病害，提高混凝土的耐久性能。

(4)針對(duì)蘭新二線(xiàn)穿越地區(qū)處于干旱、大風(fēng)和大溫差的惡劣環(huán)境配制的橋梁墩身混凝土及研究確定的養(yǎng)護(hù)技術(shù),應(yīng)用效果良好,其它類(lèi)似工程可參考借鑒。

[1] 中鐵二局股份有限公司.大風(fēng)戈壁環(huán)境高性能混凝土施工技術(shù)研究總結(jié)[R].2015.

[2] 李全文.三十里風(fēng)區(qū)高速鐵路高性能混凝土施工養(yǎng)護(hù)技術(shù)的研究[J].鐵道建筑技術(shù),2011(5):89-93.

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

[4] 蔡以智,王文學(xué),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(yàn)研究[J].混凝土,2006(6):86-90.

[5] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB 10005-2010 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2011.

[6] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB 10424-2010 鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2011.

[7] 黃峰. 大風(fēng)、干旱、大溫差地區(qū)高性能混凝土養(yǎng)護(hù)工藝[C]//全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,2012:955-959.