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        干旱、大風(fēng)、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)

        2018-03-08 07:24:41楊育紅
        四川建筑 2018年1期
        關(guān)鍵詞:耐久性混凝土環(huán)境

        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.

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        [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.

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        [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.

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