許 文 英

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 試驗(yàn)檢測(cè)研究院，四川 成都 611730)

1 概 述

川藏鐵路是國(guó)家“十三五”重大建設(shè)項(xiàng)目計(jì)劃中的重中之重，川藏鐵路東起四川省成都市，向西經(jīng)雅安、康定、昌都、林芝、山南，終于西藏自治區(qū)首府拉薩市。其中雅安至林芝為新建段，橋隧比為95.64%，新建隧道72座，占線路長(zhǎng)度比例為84.41%。線路經(jīng)過區(qū)域山高谷深，地形條件極為復(fù)雜。線路所經(jīng)過地區(qū)具有高寒、低氣壓、大溫差、強(qiáng)紫外線、氣候干燥等特點(diǎn)。

川藏鐵路沿線薄弱的資源補(bǔ)給、惡劣的自然環(huán)境、復(fù)雜的地質(zhì)條件、多元的民族文化等工程特點(diǎn)造成整個(gè)工程建設(shè)中混凝土質(zhì)量控制會(huì)遇到多項(xiàng)難點(diǎn)——混凝土原材料資源匱乏、耐久性要求嚴(yán)苛、長(zhǎng)期抗裂性能差、混凝土面臨的特殊工況考驗(yàn)多、低氧環(huán)境混凝土工效低等。

針對(duì)上述多項(xiàng)難點(diǎn)，結(jié)合沿線實(shí)際情況以及對(duì)川藏鐵路中可預(yù)見的混凝土質(zhì)量控制的薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)川藏鐵路沿線混凝土的質(zhì)量控制提出了具體的、有建設(shè)性的可行性意見。

2 工程難點(diǎn)及建議

2.1 原材料資源匱乏

川藏鐵路沿線無粉煤灰生產(chǎn)廠家，需要從外地采購(gòu)并長(zhǎng)途運(yùn)輸，將導(dǎo)致粉煤灰運(yùn)到價(jià)高昂,而且川藏公路在雨季或冬季都極易交通擁堵甚至癱瘓、時(shí)常中斷，將嚴(yán)重影響到粉煤灰的供應(yīng)保障。粉煤灰材料的匱乏需要合理地利用周邊可利用的摻合料，如石灰石粉、硅灰、礦粉、火山灰、磷渣粉等可替代粉煤灰的摻合料。對(duì)于所利用的可替代性摻合料需針對(duì)川藏鐵路沿線特殊的氣候條件進(jìn)行相關(guān)的調(diào)研及驗(yàn)證性試驗(yàn)后方可應(yīng)用于工程實(shí)體中。

針對(duì)水泥、粉煤灰供應(yīng)緊張情況下在其他工程中多次發(fā)生的偷換廠家和假粉煤灰問題，宜在運(yùn)輸車輛上加裝衛(wèi)星定位裝置進(jìn)行監(jiān)控，且大宗原材料中轉(zhuǎn)站應(yīng)采用數(shù)碼顯微鏡直接快速觀察進(jìn)場(chǎng)粉煤灰是否主要為球狀(真假粉煤灰在顯微鏡下的形貌見圖1)，據(jù)此實(shí)時(shí)接收或拒收。

圖1 真假粉煤灰在顯微鏡下的形貌

川藏鐵路沿線海拔高、河谷深，天然河砂資源缺乏、開采困難且受河道環(huán)境保護(hù)的限制天然砂產(chǎn)量不足以滿足沿線工程建設(shè)需要。而采用機(jī)制砂替代天然砂配制混凝土是川藏鐵路建設(shè)混凝土用細(xì)骨料不可避免的替代方式，因此，建立成熟穩(wěn)定的砂石生產(chǎn)系統(tǒng)是混凝土質(zhì)量控制的關(guān)鍵。由于川藏鐵路沿線可作為生產(chǎn)骨料的巖性多達(dá)6種以上，骨料生產(chǎn)時(shí)需要根據(jù)不同巖性的母巖配置相應(yīng)的生產(chǎn)工藝，應(yīng)進(jìn)行水洗工藝參數(shù)(如水的流量、壓力、沖洗時(shí)間)與細(xì)度模數(shù)、石粉含量的相關(guān)性工藝試驗(yàn)，據(jù)此確定適宜的水洗工藝參數(shù)；采用干法工藝生產(chǎn)機(jī)制砂時(shí)，應(yīng)進(jìn)行風(fēng)選工藝參數(shù)(如負(fù)壓值、風(fēng)量、含水率)與細(xì)度模數(shù)、石粉含量的相關(guān)性工藝試驗(yàn)，據(jù)此確定適宜的風(fēng)選工藝參數(shù)，以達(dá)到較優(yōu)的石粉含量及級(jí)配。川藏鐵路沿線多處揭露的巖性為花崗巖、閃長(zhǎng)巖及花崗閃長(zhǎng)巖。根據(jù)既有工程經(jīng)驗(yàn)，這些母巖多存在云母含量偏高的問題，因此，宜通過巖相分析或者定量X射線衍射分析(XRD)測(cè)試其中的云母含量[1]。云母含量較高時(shí)，應(yīng)更加嚴(yán)格地控制機(jī)制砂中粒徑為0.16 mm以下的細(xì)顆粒物質(zhì)的含量。

對(duì)于外加劑，同樣需要考慮沿線交通運(yùn)輸?shù)那闆r，需在合理的位置設(shè)置中轉(zhuǎn)站或備用倉(cāng)庫(kù)。由于工程所在地特殊的氣候條件并考慮外加劑的敏感性，以及其他材料可能發(fā)生的波動(dòng)情況，應(yīng)根據(jù)需要在施工場(chǎng)地附近建立外加劑調(diào)整倉(cāng)。

2.2 耐久性要求嚴(yán)苛

川藏鐵路需要通過多年凍土層、地震區(qū)、地下斷層、地?zé)帷r爆、雪崩、溶洞、暗河等多種復(fù)雜地質(zhì)狀況并存區(qū)域。線路越過四川盆地、云貴高原、青藏高原三個(gè)臺(tái)階，沿線跨越多個(gè)斷裂帶，需要修建橋梁、隧道，其將涉及酸、堿、鹽等侵蝕腐蝕環(huán)境。針對(duì)如此復(fù)雜的環(huán)境，對(duì)混凝土構(gòu)件的抗凍融、抗裂性、抗?jié)B性、抗侵蝕、抗剝落等耐久性要求非常高，因此需要通過對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行理論研究及原材料類型、品種、品質(zhì)的選擇，合理應(yīng)用硅灰、礦渣粉、粉煤灰、仿鋼纖維、增韌劑等材料，強(qiáng)化混凝土施工技術(shù)的管理與質(zhì)量控制，以此來保證川藏鐵路復(fù)雜環(huán)境區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)物的工程質(zhì)量及耐久性[2]。

在配合比設(shè)計(jì)階段，需要嚴(yán)格控制混凝土的膠凝材料用量和水膠比。合理的膠凝材料用量及水膠比可以有效控制好混凝土的初期開裂；考慮到該地區(qū)氣壓低，混凝土中的氣泡在低氣壓條件下極易隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸逃逸和變化[3]，應(yīng)優(yōu)選適合高原低氣壓環(huán)境下使用的引氣劑以保證混凝土中的氣泡小而更加密實(shí)均勻；合理選擇摻和料的品種、品質(zhì)及替代量，使混凝土的礦物組成粒徑級(jí)配更加合理，物理力學(xué)性能得到最佳發(fā)揮，耐久性指標(biāo)更容易實(shí)現(xiàn)。拌和樓生產(chǎn)須采用全封閉化管理，有利于防止風(fēng)沙和保溫。一定要采用科學(xué)有效的手段對(duì)混凝土出機(jī)口溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，通過骨料溫度、水溫、膠材溫度對(duì)混凝土的熱工進(jìn)行計(jì)算，并通過調(diào)節(jié)幾種材料的溫度來保證不同氣候狀態(tài)下混凝土的出機(jī)口溫度，從而控制混凝土的入模溫度，以防止混凝土初期水化過快而造成構(gòu)件開裂。合理布站，減少運(yùn)輸距離，防止過振，以免出現(xiàn)含氣量損失和其他質(zhì)量問題，提高混凝土的均質(zhì)性；對(duì)于運(yùn)輸車輛，必要時(shí)需采取遮陽(yáng)和保溫措施以防止溫度損失。

為保證混凝土表面質(zhì)量，在澆筑前應(yīng)進(jìn)行混凝土表面質(zhì)量工藝性試驗(yàn)，確定模板種類，選擇合適的脫模材料，控制外觀質(zhì)量。通過工藝性試驗(yàn)中的混凝土表面氣泡間距系數(shù)篩選合理的方案。

嚴(yán)格控制好混凝土生產(chǎn)過程中的攪拌、澆筑振搗及養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，確保混凝土拌和物均勻、密實(shí)、礦物材料能充分水解硬化，進(jìn)而有利于混凝土強(qiáng)度穩(wěn)步增長(zhǎng)，外光內(nèi)實(shí)，延長(zhǎng)壽命。

2.3 長(zhǎng)期抗裂性能差

相關(guān)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：高原地區(qū)已建的青藏鐵路、拉林鐵路、青藏高速等工程在混凝土澆筑后的一年或幾年時(shí)間內(nèi)均出現(xiàn)了不同程度的裂紋[4，5]，其中受陽(yáng)面和背陰面的裂紋嚴(yán)重程度不同，受陽(yáng)面更為嚴(yán)重，迎風(fēng)面的裂紋較多，G318國(guó)道某橋墩和承臺(tái)陽(yáng)面裂縫見圖2。導(dǎo)致此類裂紋出現(xiàn)的主要原因是混凝土處于高寒、大溫差、強(qiáng)輻射、干燥、大風(fēng)沙等惡劣環(huán)境。其主要原因之一應(yīng)為晝夜溫差反復(fù)作用下產(chǎn)生的溫度疲勞應(yīng)力。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，沿線類似巖性骨料的混凝土線膨脹系數(shù)存在顯著差異，采用類似沿線巖性骨料的混凝土典型熱膨脹系數(shù)見表1，而混凝土線膨脹系數(shù)越大，混凝土的熱脹冷縮變形亦越大，溫度疲勞應(yīng)力就越大。因此，在經(jīng)濟(jì)性可以接受的前提下，應(yīng)盡量采用石灰?guī)r、玄武巖這類低線膨脹系數(shù)的骨料，可以提高混凝土的抗裂性。

表1 采用類似沿線巖性骨料的混凝土典型熱膨脹系數(shù)表[6]

圖2 G318國(guó)道某橋墩和承臺(tái)陽(yáng)面裂縫

為降低此類裂紋的產(chǎn)生，在混凝土設(shè)計(jì)階段需要充分考慮混凝土的干縮、水化熱及抗拉強(qiáng)度，降低混凝土在硬化干縮階段產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于暴露于惡劣環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土澆筑后，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)需要帶模養(yǎng)護(hù)及拆模養(yǎng)護(hù)。對(duì)于帶模養(yǎng)護(hù)時(shí)間，建議在混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度且水化熱溫度趨于穩(wěn)定后再進(jìn)行拆模養(yǎng)護(hù)，拆模后可采用土工布包裹環(huán)狀淋水養(yǎng)護(hù)、覆蓋薄膜養(yǎng)護(hù)、橡塑板包裹養(yǎng)護(hù)、新材料包裹養(yǎng)護(hù)等方式。一定要加強(qiáng)對(duì)混凝土的保溫保濕以減少混凝土的開裂。對(duì)于長(zhǎng)期性的包裹材料需要考察其耐候性，相關(guān)指標(biāo)(耐低溫性、耐紫外性)需為平原地區(qū)的2倍以上，以延長(zhǎng)其使用壽命，減少修復(fù)次數(shù)。

2.4 混凝土面臨多種特殊工況的考驗(yàn)

由于川藏鐵路沿線以高寒、高海拔、大高差和強(qiáng)烈的構(gòu)造作用為典型地質(zhì)背景，內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用均十分強(qiáng)烈，不良地質(zhì)構(gòu)造和特殊巖土發(fā)育，不良地質(zhì)構(gòu)造主要有活動(dòng)斷裂和高烈度地質(zhì)結(jié)構(gòu)、高地應(yīng)力(巖爆與大變形)、高地溫和高溫?zé)崴榷喾N特殊工況，這些特殊工況對(duì)混凝土具有不同程度的考驗(yàn)。

隧道掘進(jìn)過程中，噴射混凝土在高地應(yīng)力環(huán)境中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)剝落、開裂的情況，對(duì)于此類環(huán)境需要更高的抗沖擊韌性。為保證混凝土噴射效果及施工安全，對(duì)噴射混凝土需要更好的黏結(jié)性、更低的回彈率、更高的小時(shí)強(qiáng)度(根據(jù)實(shí)際工況需求為1 h或3 h)。此類工況的噴射混凝土應(yīng)使用纖維混凝土，必要時(shí)摻入納米材料以提高其黏結(jié)力及強(qiáng)度。

高地溫隧道施工過程中，對(duì)于高溫環(huán)境(高溫水、汽)對(duì)建筑材料及結(jié)構(gòu)耐久性的影響，噴射混凝土需要添加摻合料以替代部分水泥，摻加減水劑或硅灰[9]以降低水灰比、提高密實(shí)度以減小熱害影響，也可使用高爐礦渣水泥、添加高效引氣劑等措施。對(duì)于混凝土，應(yīng)測(cè)試其高溫下的工作性損失、延遲鈣礬石反應(yīng)可能導(dǎo)致的后期抗壓強(qiáng)度損失等；在噴射混凝土中宜摻入20%～30%的摻合料，充分利用高溫對(duì)膠凝材料的促凝、促硬作用，同時(shí)減少水化熱、改善可噴性；同理，二襯混凝土宜提高摻合料摻量；宜盡量采用熱膨脹系數(shù)低的骨料，如石灰?guī)r、玄武巖，以減少內(nèi)外溫差高引起的開裂風(fēng)險(xiǎn)。綜合選用粉煤灰、高性能外加劑、復(fù)合摻合料等并優(yōu)化其配比。受高溫影響，混凝土中的水分散失速度較快，容易發(fā)生干裂現(xiàn)象，因此，對(duì)混凝土配合比需要做出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施，必須考慮混凝土受高溫影響工作性損失的情況，可在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)二次攪拌設(shè)備以便二次添加減水劑以保證混凝土的工作性，保證澆筑各環(huán)節(jié)的銜接，確保澆筑連續(xù)且澆筑后及時(shí)養(yǎng)護(hù)，防止混凝土干裂?？紤]到高地溫對(duì)混凝土(尤其是摻合料用量較大的混凝土)強(qiáng)度發(fā)展的影響，宜采用模擬地溫養(yǎng)護(hù)混凝土試件并用于評(píng)定混凝土質(zhì)量。

針對(duì)特殊工況的不同需求，引入不同的摻合料或外加劑對(duì)混凝土配合比進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有針對(duì)性的質(zhì)量控制，方能保證混凝土可以承受不同工況的考驗(yàn)，保證其結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.5 低氧環(huán)境混凝土工效低

高原高海拔的低氧環(huán)境易導(dǎo)致施工人員疲勞，疲勞后對(duì)混凝土施工的責(zé)任心將降低，從而降低混凝土的施工質(zhì)量。為降低施工人員因疲勞作業(yè)導(dǎo)致的工程質(zhì)量問題，高原作業(yè)人員應(yīng)采用45歲以下的青年勞動(dòng)力更為適宜，將作業(yè)班次調(diào)整為6 h/班更為合理[10]。對(duì)于海拔3 500 m以上的環(huán)境宜采用大流動(dòng)性混凝土，以降低高寒高海拔地區(qū)施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少施工缺陷。積極引進(jìn)新型智能化設(shè)備，采用信息化技術(shù)，改善施工人員的作業(yè)環(huán)境，進(jìn)而提升施工質(zhì)量。如澆筑過程中可采用封閉管路帶壓澆筑新工藝與自動(dòng)布料帶壓澆筑隧道智能襯砌臺(tái)車，可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的澆筑飽滿度和密實(shí)度。宜采用智能化振搗設(shè)備[11]、全自動(dòng)襯砌噴淋養(yǎng)護(hù)臺(tái)車取代人工養(yǎng)護(hù)，或在拱頂布設(shè)自動(dòng)噴淋工裝。

3 結(jié) 語(yǔ)

川藏鐵路沿線惡劣的自然條件必然會(huì)給混凝土工程帶來不少困難，但在采用科學(xué)的管理手段、有針對(duì)性的控制措施后完全可以極大程度地解決工程存在的難點(diǎn)。對(duì)原材料控制、配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)全過程中的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)采用有針對(duì)性的措施，嚴(yán)格管控施工過程，可以有效提高混凝土施工質(zhì)量，進(jìn)一步提升混凝土在惡劣氣候條件下的使用壽命。川藏鐵路這一世紀(jì)工程的混凝土質(zhì)量控制面臨氣候、地質(zhì)、資源、人力方面的巨大挑戰(zhàn)，且存在諸多未知之處，需要參建各方充分發(fā)揮經(jīng)驗(yàn)與智慧，充分利用信息化、智能化技術(shù)，不斷跟蹤研究，為保證工程質(zhì)量、提升我國(guó)鐵路混凝土結(jié)構(gòu)建造技術(shù)作出貢獻(xiàn)。