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        嚴寒地區(qū)高速鐵路岔區(qū)現(xiàn)澆道床混凝土裂縫控制技術(shù)

        2019-10-18 06:04:28孫學(xué)奎
        鐵道建筑 2019年9期
        關(guān)鍵詞:混凝土施工

        孫學(xué)奎

        (京沈鐵路客運專線遼寧有限責(zé)任公司,遼寧沈陽 110006)

        無砟軌道是我國高速鐵路建設(shè)主要的軌道結(jié)構(gòu)形式。與傳統(tǒng)有砟軌道相比,無砟軌道具有更高的可靠性、平順性、穩(wěn)定性和耐久性,并且能夠滿足高速鐵路“安全、舒適、維修少”的技術(shù)要求[1-3]。岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)具有線形復(fù)雜、軌道截面寬度大、荷載受力大等特點,已建和在建的高速鐵路線路岔區(qū)普遍采用中間長枕埋入式及兩端雙塊式軌枕過渡的整體現(xiàn)澆道床結(jié)構(gòu)形式。近年來,東北、西北、華北等嚴寒地區(qū)高速鐵路工程建設(shè)和運營實踐表明,道床混凝土結(jié)構(gòu)存在易開裂、凍脹粉化等問題[4-5]。因此,開展岔區(qū)現(xiàn)澆道床混凝土劣化形式及成因分析,提出降低道床混凝土開裂風(fēng)險的綜合抗裂技術(shù),對今后嚴寒地區(qū)高速鐵路建設(shè)具有重要意義。

        1 岔區(qū)道床混凝土裂縫特征及成因分析

        岔區(qū)無砟軌道雙塊式軌枕過渡段橫斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示,從下到上依次為底座混凝土、道床混凝土、雙塊式軌枕、扣件及鋼軌。

        圖1 岔區(qū)無砟軌道雙塊式軌枕過渡段橫斷面結(jié)構(gòu)(單位:mm)

        岔區(qū)道床混凝土的主要劣化形式有軌枕周圍的八字角裂縫、道床板單元中間出現(xiàn)的橫向貫通裂縫、混凝土表面龜裂縫(見圖2)、粉化剝落等。雙塊式軌枕過渡段劣化情況普遍較長枕埋入式地段嚴重。

        圖2 雙塊式軌枕過渡段道床混凝土典型裂縫形態(tài)

        各類裂縫的成因:

        1)八字角裂縫的產(chǎn)生主要是由于預(yù)制軌枕塊與現(xiàn)澆道床混凝土收縮變形不同步[6]。出廠的預(yù)制軌枕塊幾乎不收縮,而現(xiàn)澆道床板屬于典型的平面薄板結(jié)構(gòu),表面積比較小,早期失水較快加劇了收縮,變形過程中受到軌枕塊所施加的約束力,最終導(dǎo)致開裂。

        2)龜裂縫的產(chǎn)生主要是由于岔區(qū)道床混凝土的澆筑普遍采用泵送方式。泵送混凝土存在膠凝材料用量高、單方用水量高、坍落度過大等問題,極易出現(xiàn)過度振搗、表面漿體富集等情況[7-8],加之早期養(yǎng)護常常不到位,混凝土表面失水過快,最終導(dǎo)致開裂。另外工人采用灑水潤面的方式進行收面作業(yè)時亦容易導(dǎo)致龜裂縫的產(chǎn)生。

        3)橫向貫通裂縫的產(chǎn)生主要是由于岔區(qū)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)單元長度較大。以18#道岔為例,最長的現(xiàn)澆道床板單元為25.17 m,最短的也有13.77 m,一次澆筑距離長且混凝土方量大,沿直岔方向的收縮不斷累積,容易在中部形成收縮應(yīng)力集中,最終導(dǎo)致開裂。

        2 岔區(qū)道床混凝土存在的問題及處理措施

        通過對已建線路岔區(qū)無砟軌道現(xiàn)澆道床混凝土的配合比設(shè)計、制備、施工等各環(huán)節(jié)的系統(tǒng)分析,發(fā)現(xiàn)主要存在以下3方面的問題:

        1)配合比設(shè)計參數(shù)不科學(xué)?;炷聊z凝材料用量偏高,早期水化速率快,總放熱量高,導(dǎo)致混凝土的收縮變形大。

        2)性能指標不合理?;炷撂涠绕笄覙O易過振,容易產(chǎn)生浮漿層;同時未考慮岔區(qū)長線連續(xù)澆筑的特點,完全套用普通混凝土的耐久性指標,缺乏早期收縮及抗裂性能評價指標。

        3)養(yǎng)護工藝不合理。施工過程中,道床混凝土終凝前普遍存在6~8 h 的養(yǎng)護暴露期,而此時間段混凝土表面失水和收縮變形最為劇烈。另外,傳統(tǒng)的土工布+塑料布灑水養(yǎng)護方式可靠性差,常常流于形式,難以有效保證養(yǎng)護時間。

        根據(jù)上述分析并結(jié)合嚴寒地區(qū)混凝土抗凍融破壞要求,從混凝土配合比設(shè)計、功能材料使用、施工工藝3方面提出降低道床混凝土開裂風(fēng)險的技術(shù)措施:

        1)配合比設(shè)計。嚴格控制單方膠凝材料用量及用水量,降低混凝土早期開裂敏感性,盡可能增加粗骨料用量,強化“骨架效應(yīng)”,提高混凝土的體積穩(wěn)定性。擬定膠凝材料用量≤380 kg/m3,用水量≤145 kg/m3,砂率≤40%。

        2)功能材料使用。采用中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司自主研發(fā)的TK-I型粉體抗裂劑,以補償?shù)来不炷猎缙谑湛s,降低開裂敏感性。

        3)施工工藝。擬定道床混凝土坍落度為(140±20)mm,含氣量為6%~8%,泵送或斗送入模進行澆筑,選用高頻振搗器振搗,同時覆蓋節(jié)水保濕養(yǎng)護膜進行養(yǎng)護。

        3 混凝土塑性收縮試驗和早期抗裂試驗

        3.1 原材料

        膠凝材料分別為遼寧亞泰亞新P·O 42.5水泥,沈陽國電康平I 級粉煤灰、冀東S95 級礦渣粉,主要化學(xué)組成及其物理參數(shù)見表1。粗骨料采用遼寧宏發(fā)采石場生產(chǎn)的5~10 mm和10~20 mm的兩級配碎石,表觀密度分別為 2 750,2 700 kg/m3,按質(zhì)量比 4︰6 混合使用,緊密空隙率為40%。細骨料為天然河砂,細度模數(shù)為2.8,表觀密度為2 650 kg/m3,含泥量為0.8%。

        表1 膠凝材料主要化學(xué)組成及其物理參數(shù)

        功能材料為TK-I 型粉體抗裂劑。外加劑采用河北三楷深發(fā)科技股份有限公司的保坍型聚羧酸減水劑和高效引氣劑,減水率為25%。水為自來水。

        3.2 配合比

        混凝土試驗配合比見表2。其中:JZ組采用現(xiàn)場常用的C40 道床混凝土配合比,坍落度為160~180 mm,含氣量為4%~6%;KL 組采用添加了粉體抗裂劑的配合比,坍落度在140 mm左右,含氣量為6%~8%。

        表2 混凝土試驗配合比 kg·m-3

        3.3 試驗方法

        混凝土塑性收縮試驗和早期抗裂試驗均參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[9]進行。塑性收縮試驗采用中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司自主研發(fā)的TKY-SSY01 型非接觸式混凝土收縮變形測定儀(見圖3)進行測試。采用100 mm×100 mm×515 mm 的棱柱體標準試件,在混凝土兩端插入標靶,并將傳感器固定在2 個標靶中間。鑒于試驗室電風(fēng)扇無法滿足早期抗裂試驗中風(fēng)速和風(fēng)向要求,自行設(shè)計風(fēng)機進行試驗(見圖4)。

        圖3 非接觸式混凝土收縮變形測定儀

        圖4 混凝土早期抗裂試驗

        3.4 試驗結(jié)果與分析

        3.4.1 混凝土工作性能及力學(xué)性能

        混凝土工作性能及力學(xué)性能見表3。可見:①JZ組混凝土3 d抗壓強度接近30 MPa,約為KL組的2倍,56 d 抗壓強度達到50 MPa 以上,內(nèi)部水化速率很快,具有較高的早期開裂敏感性。②KL組早期強度較低,28 d 抗壓強度僅為37.3 MPa,表明早期混凝土內(nèi)部水化進程較緩慢,水化放熱量低,有效降低了內(nèi)外溫差開裂風(fēng)險;56 d 抗壓強度為44.2 MPa,滿足強度設(shè)計等級要求。

        表3 混凝土工作性能及力學(xué)性能

        針對KL 組56 d 強度富余系數(shù)不高的問題,對室內(nèi)振搗成型前后混凝土的含氣量進行了對比。結(jié)果表明,由于KL 組混凝土出機含氣量較高,加之室內(nèi)振動臺的振動頻率及振擊力有限,振動成型試件中混凝土的含氣量仍在4.5%以上,而采用高頻振搗棒振搗后,混凝土含氣量即可降至3%左右。一般而言,混凝土抗壓強度與含氣量成反比,對于C40 及以上等級混凝土,含氣量每變化1%,抗壓強度相應(yīng)變化5 MPa[10],因此采用綜合抗裂技術(shù)制備的混凝土實體強度應(yīng)具有更高的富余系數(shù)。

        3.4.2 早期塑性收縮性能

        混凝土早期塑性收縮性能見圖5??梢姡篕L 組混凝土成型24 h塑性收縮率僅為JZ 組的28%,且仍有逐漸降低的趨勢。表明采用綜合抗裂技術(shù)能夠有效降低混凝土的早期塑性收縮值,同時粉體抗裂劑具有顯著的補償收縮效果,其作用發(fā)揮時間約在成型8 h左右。

        圖5 混凝土早期塑性收縮性能

        3.4.3 早期抗裂性能

        混凝土早期平板抗裂試驗結(jié)果見圖6和表4。

        圖6 混凝土早期平板抗裂效果

        表4 混凝土早期平板抗裂試驗結(jié)果

        由圖6和表4可見:2組混凝土同樣出現(xiàn)8條裂縫,但KL 組混凝土的最大裂縫寬度僅為JZ 組的50%,平均開裂面積和總開裂面積為JZ組的40%左右,可見采用綜合抗裂技術(shù)能夠顯著提升混凝土的抗裂性能。

        4 工程驗證

        為進一步驗證本文所提出綜合抗裂技術(shù)在實際工程中的有效性,課題組于2017年10月依托京沈客運專線線下雙塊式軌枕試驗段開展了足尺驗證試驗。按照表2的配合比分別澆筑2段長24.0 m、寬3.2 m的試驗段。JZ 組混凝土坍落度為180 mm,含氣量為5.4%;KL 組混凝土坍落度為140 mm,含氣量為7.9%。鑒于采用泵送方式進行混凝土澆筑,振搗后易產(chǎn)生較厚浮漿層,會增大混凝土塑性開裂的風(fēng)險,因此試驗段施工時均采用斗送方式進行澆筑。考慮到斗送布料路徑對混凝土勻質(zhì)性影響很大,根據(jù)道床板結(jié)構(gòu)特點并結(jié)合前期研究成果[8],試驗段混凝土按照“己”字形均勻布料,如圖7所示。

        圖7 現(xiàn)場斗送布料路徑示意

        4.1 施工流程

        混凝土施工流程包括混凝土攪拌、運輸、澆筑、振搗、抹面、養(yǎng)護等環(huán)節(jié)。通過現(xiàn)場足尺驗證試驗,總結(jié)了采用綜合抗裂技術(shù)制備高抗裂混凝土的關(guān)鍵施工流程,見圖8。

        圖8 采用綜合抗裂技術(shù)制備混凝土的施工流程

        4.2 實際效果

        截止到2018年4月,經(jīng)過6個月的長期觀測,現(xiàn)場雙塊式軌枕試驗段開裂情況統(tǒng)計見表5。可知:采用綜合抗裂技術(shù)施工的試驗段僅發(fā)現(xiàn)3 條裂縫,裂縫數(shù)量減少90%,總開裂面積僅為采用常規(guī)技術(shù)施工試驗段的4%,可見采用綜合抗裂技術(shù)可顯著提升現(xiàn)澆道床混凝土的抗裂性能。

        表5 現(xiàn)場雙塊式軌枕試驗段開裂情況統(tǒng)計

        4.3 施工控制要點

        采用綜合抗裂技術(shù)制備的混凝土具有“稠而不粘”的特點。施工時除應(yīng)按照上述流程作業(yè)外,還應(yīng)注意以下控制要點:①下雨天不得施工;風(fēng)力大于3級以上天氣不建議施工。②攪拌機的下料口處應(yīng)及時清理殘余混凝土;罐車內(nèi)壁及葉片應(yīng)定期清理,以減少混凝土粘壁、出料困難等現(xiàn)象。③澆筑前應(yīng)對軌枕周邊充分預(yù)濕,保證軌枕處于“飽和面干”狀態(tài)。④采用高頻振搗棒插入式振搗,并遵循“快插慢拔”的原則;振搗時間以混凝土不再下沉,表面無氣泡逸出為限,且不少于30 s。⑤振搗完畢后應(yīng)立即開始抹面,抹面流程為木抹子初平+鋼抹子收平、壓實、覆蓋土工布,抹面時大面平整即可,不用追求光面效果。⑥混凝土抹面完成后應(yīng)立即做好苫蓋措施,起到保溫、防風(fēng)的作用,混凝土終凝后應(yīng)立即覆蓋節(jié)水養(yǎng)護膜,并澆水保濕養(yǎng)護。

        5 結(jié)論

        1)嚴寒地區(qū)岔區(qū)道床混凝土過早劣化主要是由于開裂和凍脹的共同作用。現(xiàn)行道床混凝土普遍存在膠凝材料用量高、用水量高、坍落度偏大等特點,同時缺乏相應(yīng)抗裂性評價指標。

        2)室內(nèi)試驗結(jié)果表明,控制單方膠凝材料用量、用水量等關(guān)鍵配合比參數(shù),可顯著降低混凝土的早期塑性收縮率,摻加膠凝材料用量6%的粉體抗裂劑,成型8 h后即可發(fā)揮補償收縮的功效,24 h混凝土收縮率降低72%。采用綜合抗裂技術(shù)能夠降低總開裂面積,顯著提升道床混凝土的早期抗裂性能。

        3)經(jīng)在京沈客運專線雙塊式軌枕試驗段現(xiàn)場驗證,相比于采用常規(guī)技術(shù)施工的混凝土,采用綜合抗裂技術(shù)施工的混凝土裂縫數(shù)量減小90%,總開裂面積減少96%,具有顯著的抗裂效果。

        4)通過對岔區(qū)道床混凝土配合比設(shè)計、制備和施工等各環(huán)節(jié)進行優(yōu)化,所提出的綜合抗裂技術(shù)可顯著提升混凝土的抗裂性能,有效解決嚴寒地區(qū)高速鐵路岔區(qū)道床混凝土早期劣化問題。

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