大风干旱大温差地区高性能混凝土配合比和养护方式现场试验墩研究方案.doc

大风、干旱、大温差地区
高性能混凝土配合比和养护方式
现场实验墩研究方案

兰新铁路新疆有限公司
高性能混凝土征询项目部
五月

1 研究背景
新建兰新铁路第二双线(新疆段)全长713.4km，设计时速350km／h以上，由中铁第一勘察设计院集团有限公司设计。该段沿线通过天山东脉北山南麓丘陵区，哈密、吐鲁番盆地北缘山前冲、洪积平原区，东天山博格多山南坡低中山区和准噶尔盆地南缘山前冲、洪积平原区等地区。
新建兰新铁路第二双线(新疆段)穿越的地区气候环境较为恶劣，重要表现在以下几个方面：
(1) 线路穿越风区，风期长、风力大
线路穿越百里风区、三十里风区等五大风区，区段内风速高，最大风速达60m／s；风期长，局部地段大于8级风的天数已超过200天。
(2) 沿线严重干旱缺水、蒸发量远大于降水量
线路穿越地区严重干旱缺水，线路穿越的四个地区的年降水量均较小，年均降水量最大的准噶尔盆地南缘山前冲、洪积平原区年降水量为271.4mm，而哈密、吐鲁番盆地北缘山前冲、洪积平原区年均降水量仅为16.2mm，但四个地区的年均蒸发量均在2023mm以上，其中天山东脉北山南麓丘陵区年均蒸发量达成3301.6mm。
(3) 夏季高温、冬季低温、昼夜温差大
线路穿越地区夏季极端气温均在30℃以上，最高达成47.7℃，而冬季极端气温又非常低，最低达成－41.5℃。由于夏季高温是由太阳直射导致的，晚上又受大风影响，气温减少较多，因此昼夜温差较大。
2 现场实验研究的必要性
由于新建兰新铁路第二双线(新疆段)穿越区段具有大风、干旱和大温差三大特点，因此该线对高性能混凝土配合比的设计及施工后的养护方法规定较高。若混凝土结构在施工完毕后，不采用合理、有效的养护方式对混凝土进行养护，势必会导致混凝土内部水分大量向外散失，影响水泥和胶凝材料的水化，使混凝土强度增长缓慢。此外，由于大量的水分散失，会导致较大的干燥收缩，在混凝土表面产生大量的干缩裂缝。裂缝的产生将导致混凝土结构抗冻性、抗渗性、抗化学腐蚀性以及抗风蚀性等耐久性严重减少，使混凝土结构无法满足设计的12023使用期限。
传统的养护方式，如洒水养护又由于本地缺水，很难进行，为了避免这种情况的发生兰州交通大学提出了在拆模后的混凝土表面先包裹一层保湿膜，然后再包裹一层保温膜的混凝土双层包裹养护方法。兰州交通大学对所提出的双层包裹的混凝土养护方法的有效性在实验室进行了实验研究，模拟现场环境对混凝土进行了养护，并对其进行了强度和相关耐久性指标的测试。但由于现场环境条件较为复杂，加之又随时在发生变化，因此实验室无法做到精确模拟现场情况，所以选取具有典型气候和环境地区的典型桥墩进行现场实验，并对相关性能进行测试，对于验证和优化高性能混凝土配合比和该种养护方式具有重要意义。通过预埋在现场实际混凝土构件内的测试元件得到的测试数据，可以掌握混凝土在养护期间的温度和应力变化规律，拟定该养护方式与混凝土配合比的适应性。此外，通过测试数据可以对配合比和此种养护方式进行优化和改善，在保证按实际配合比浇注的混凝土不产生裂缝的同时尽也许减少养护的经济成本，对保证兰新铁路第二双线(新疆段)全段后续的混凝土工程质量及推广这种养护方式起到至关重要的作用。
3 现场实验拟研究的内容和目的
3.1 通过对比实验，拟定配合比和双层养护方式的有效性以及互相的适应性
在具有典型恶劣气候或环境的桥梁桥址附近，修建两座对比桥墩作为研究对象。两个对比实验墩分别采用临时配合比和优化后的配合比浇注。用临时配合比浇注的实验墩采用传统的包裹养护方式，即塑料薄膜+棉毡+彩条布。采用优化后的配合比浇注的实验墩采用双层养护方式，即保湿膜+保温膜的方式进行包裹养护。此外，在两种桥墩施工同时预留混凝土强度测试试件和相关耐久性测试试件。通过测试两种养护方式养护的混凝土结构表面裂缝开展情况、裂缝深度、裂缝宽度、强度、抗冻性、抗渗性、抗磨蚀性、抗化学腐蚀性等指标比较两种养护方式的优劣，从而拟定高性能混凝土配合比和双层养护方式的有效性以及互相的适应性。
3.2 监测混凝土的内外温度以及温度应力的大小变化规律，判断裂缝的产生
实验墩混凝土浇筑前，在混凝土内部埋设温度测试元件和埋入式混凝土应变计或钢筋应力计等应力测试元件，测试混凝土浇筑完毕后水化过程中及养护期间混凝土内外不同部位的温度变化、混凝土应力变化情况和规律，通过对混凝土内外温度的实时监控，了解混凝土内外温差的大小，判断是否会产生较大温度应力而导致混凝土结构产生温度裂缝。此外，由于混凝土拆模时规定混凝土芯部与表层、表层与环境的温度温差不宜大于15℃，在混凝土内部的温度元件可以提供准确的拆模时机。
3.3 监测混凝土表面干燥收缩应力大小及变化规律，优化配合比和双层养护方式
导致混凝土产生裂缝的因素较多，而3.2中的措施仅能拟定混凝土水化过程中内外温差和养护期间外界温度变化产生的温度应力是否产生温度裂缝。而大风天气和强蒸发也会导致混凝土表面开裂(干燥收缩裂缝)，为测试大风和强蒸发的影响，监控混凝土表面拉应力和温度的变化规律，由监控数据对高性能混凝土配合比和双层包裹的养护方式进行优化，如调整保温保湿材料厚度等参数，从而使混凝土配合比和双层养护方式更为有效和经济。
4 现场实验拟研究对象的选取
根据新建兰新铁路第二双线(新疆段)穿越区段的气象资料，各方共同协商之后，经指挥部研究决定，现场实验拟选择四个环境条件极为恶劣的混凝土桥墩工程进行研究。
(1) DK1451＋335十三间房特大桥
十三间房特大桥位于十三间房，桥址处沟槽宽阔，宽约350m，深约20m，在两凸起的山坡之间。由于地处沙漠中，常年无水，加之大风的侵袭，地表覆盖的一层土呈褐色，寸草不生。
十三间房附近为兰新铁路第二双线(新疆段)最大的风区，重要是风速高(最大风速可达60m/s)、风期长(据2023年至2023年大风监测系统资料记录，兰新线百里风区大风天数约131天)、季节性强(每年冬春交替季节大风最为集中，占全年大风天数的30%以上，风速也最大)、变化速度快(15～40分钟内风速可由0～5m/s迅速增长到19～20m/s以上)的特点。
(2) D1K1567＋248跨X064县道大桥
跨X064县道大桥位于鄯善附近，夏季温度很高、蒸发量比较大的区段，极端最高温45.2℃，最冷月平均气温－10.7℃。
(3) DK1735+680 20—32M特大桥
本桥位于吐鲁番市和乌鲁木齐市达坂城区境内，沿既有兰新铁路南侧向西，全长665延米，距离既有兰新铁路较近。本桥处在三十里风区，风区大风频繁，风力强劲，对铁路的修建影响很大。大风多集中在每年的春秋季节，最大风速大于40m/s，主导风向N100～500W。线路所经之处大风频繁，风力强劲、风速变化剧烈。每年8级以上的风期平均就达156天之多。
(4) DK1831＋359跨乌鲁木齐河特大桥
跨乌鲁木齐河特大桥位于准噶尔盆地南缘山前冲、洪积平原区，是兰新铁路第二双线(新疆段)冻季温度最低区段，极端最低温度－41.5℃，长达4～5个月的冬季寒冷期。
5 现场实验测试仪器、测点布置
5.1 现场实验测试仪器
(1) 裂缝测试仪器
采用DJCK—2裂缝测宽仪读取裂缝宽度；DJCS—05裂缝测深仪读取裂缝深度；采用皮尺量测裂缝长度。
(2) 混凝土温度和应力测试元件
混凝土桥墩内外不同部位的温度采用JMT型温度传感器测试，该传感器技术指标为：测试精度为±0.5℃，测量范围为－20℃～＋125℃，最高可达＋150℃，线性误差为±0.3℃。
混凝土内部应力可采用埋入式混凝土应变计或ZX—416AT钢筋应力计测试，技术指标如下：
1) 量程 ±300MPa；
2) 灵敏度 0.1MPa；
3) 使用环境温度 －10℃～＋70℃；
4) 温度测量范围 －20℃～＋110℃；
5) 温度灵敏度 0.1℃；
6) 温度精度 ±0.5℃。
混凝土表面温度和应力采用ZX—2XXX表面应变仪测试，其技术指标如下：
1) 量程 ±1200με；
2) 灵敏度 1με或0.1Hz；
3) 测量标距 GLZX—212CT型：128mm
4) 使用环境温度 －10℃～＋70℃；
5) 温度测量范围 －20℃～＋110℃；
6) 温度灵敏度 0.1℃；
7) 温度精度 ±0.5℃。
5.2 测点布置
(1) DK1451＋335十三间房特大桥实验墩测点布置
十三间房特大桥处在百里风区，设计方对桥墩结构形式尚未拟定。经与施工单位协商，该处实验墩采用矩形实体墩的结构形式，截面尺寸2×6m，墩高3～4m。温度测点沿桥墩高度共布置两个截面，一个截面布置在距墩底1.0m处，一个截面位于距墩顶1.0m处。应力测点沿桥墩高度共布置一个截面，位于1／2墩高截面。每一个截面的测试元件布置如图1所示。

● 混凝土温度和应力测点 ○ 混凝土温度测点
单位：cm
图1 矩形实验墩测点布置平面图
(2) D1K1567＋248跨X064县道大桥实验墩测点布置

● 混凝土温度和应力测点 ○ 混凝土温度测点
单位：cm
图2 双柱式实验墩测点布置平面图
经与施工单位协商，跨X064县道大桥实验墩采用兰乌二线施桥参03—6双线双柱式桥墩的结构形式，墩高3～4m。温度测点沿桥墩高度共布置两个截面，一个截面布置在距墩底1.0m处，一个截面位于距墩顶1.0m处。应力测点沿桥墩高度共布置一个截面，位于1／2墩高截面。每一个截面的测试元件布置如图2所示(外侧测点距混凝土表面5cm)。
(3) DK1735+680 20—32M特大桥
经与施工单位协商， DK1735+680 20—32M 特大桥实验墩采用通桥2023(4301)圆端形实体墩的结构形式，墩高3～4m。温度测点沿桥墩高度共布置两个截面，一个截面布置在距墩底1.0m处，一个截面位于距墩顶1.0m处。应力测点沿桥墩高度共布置一个截面，位于1／2墩高截面。每一个截面的测试元件布置如图3所示。

● 混凝土温度和应力测点 ○ 混凝土温度测点
单位：cm
图3 实体实验墩测点布置平面图
(4) DK1831＋359跨乌鲁木齐河特大桥实验墩测点布置
经与施工单位协商，跨乌鲁木齐河特大桥实验墩采用通桥2023(4301)圆端形实体墩的结构形式，墩高3～4m。温度测点沿桥墩高度共布置两个截面，一个截面布置在距墩底1.0m处，一个截面位于距墩顶1.0m处。应力测点沿桥墩高度共布置一个截面，位于1／2墩高截面。每一个截面的测试元件布置如图3所示(外侧测点距混凝土表面5cm)。
6 温度和应力测试元件的预埋
模板安装前，施工单位要告知现场测试人员到场，指导测试元件和连接导线的布置。测试元件应按5.2节中的规定说明，牢固准确的定位。连接导线应合理平顺牢固的引致数据采收装置。在所有测试元件和连接导线布置完毕后，须进行整套设备的检测和调试。在保证所有测试元件都能正常工作的前提下，方可进行下一个工序的施工。
7 实验墩的施工
7.1 施工注意事项
实验墩的施工过程中，除了要遵守铁道部和兰新铁路新疆公司的有关规范标准和文献外，还应注意以下方面。
(1) 场地的准备
实验墩的场地要选在选定桥梁的桥墩附近，与设计桥墩应有相同的环境条件。因实验墩墩高3～4m，且不受上部荷载，只受自身的重力荷载作用，所以对地基的规定不高，但场地必须平整压实，并保证三通。场地准备好之后，报经现场测试人员查看批准后，方可进行下一工序的施工。
(2) 模板的安装
模板安装前，施工单位要告知现场测试人员到场指导测试元件和连接导线的布置。施工过程中要严格按照模板的施工规范对的安装模板，保证混凝土拆模后的表观质量。
(3) 混凝土的配制
按照选定的桥墩高性能混凝土临时配合比报告单和优化后高性能混凝土配合比准备实验所需的原材料，经现场测试人员检查无误后，由通过验收批准的混凝土搅拌站进行混凝土的拌合。
(4) 混凝土的运送
考虑到运送过程中干燥、大风、大温差环境的影响，混凝土拌和物运送时间建议应在满足《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204—1992）规定的基础上适当缩短，建议满足表1的规定。
从搅拌机中卸出后到浇筑完毕的延续时间，同样应考虑到运送过程中干燥、大风、大温差环境的影响，建议应在满足《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204—1992）规定的基础上适当缩短，建议不超过表2的规定。
表1 混凝土拌和物运送时间限值
气温T（℃）
无搅拌运送（min）
有搅拌运送（min）
20＜T≤30
20
50
10＜T≤20
35
65
0＜T≤10
50
80
－10＜T≤0
65
95
－20＜T≤－10
80
100

表2 从搅拌机卸出后到浇筑完毕延续时间
混凝土强度等级
延续时间
－20℃＜气温≤0℃
0℃＜气温≤10℃
10℃＜气温＞30℃
≤C30
120
110
80
＞C30
90
80
50

在高温条件下，尽也许缩短运送时间，减少混凝土失水，宜采用混凝土运送搅拌车运送混凝土，可将运送距离缩短或采用行进速度快的运送工具；运送混凝土过程中宜慢速搅拌混凝土，采用间歇式搅拌，减少搅拌产生的热量，并注意运送过程中的防晒；在低温条件下，在运送过程种要有保温措施以防止混凝土热量散失。
(5) 混凝土的浇注
一方面，混凝土入模时要避免对预埋的测试元件的直接冲击和伤害，保证后续实验测试工作的顺利进行。
另一方面，浇注时除了要遵守相关的施工规范外，要合理安排混凝土浇筑时间，以避免在最高气温和最低气温时浇筑混凝土。夏季，由于白天气温高、空气干燥，因此应避免在白天气温最高时浇筑混凝土；夜间浇筑混凝土受风和温度的影响相对较小，且可在接近日出时终凝，而此时的相对湿度较高，因而初期干燥和开裂的也许性最小。
(6) 拆模
混凝土拆模的时间是以不影响混凝土质量为前提的，不得为了加快模板周转，提前拆模。混凝土强度达成规定后，且其表面及棱角不因拆模而受损时，方可拆除模板。拆模要按立模顺序逆向进行，不得损伤混凝土。拆模时，应采用逐段拆模、边拆边包裹的拆模工艺，防止混凝土在拆模过程中开裂。
混凝土的拆模时间除需考虑拆模时的混凝土强度应满足规定的规定外，还应考虑拆模时混凝土的温度不能过高（由水泥水化热引起），以免混凝土接触空气时降温过快而开裂，更不能在此时浇筑凉水养护。当混凝土强度满足拆模规定，混凝土拆模时，芯部混凝土与表层混凝土之间的温差、表层混凝土与环境之间的温差均不得大于20℃。
拆模工作要快速有效，尽量缩短未包裹养护混凝土的裸露时间，并且不得影响或中断混凝土的养护工作。
7.2 制作混凝土试件数量
每一个实验墩预留的混凝土试件数量，应按照所选取的高性能混凝土施工配合比的规定制作，但至少要达成以下数量：
(1) 150×150×150mm3立方体试件
至少制作33块，分别用于测试标准条件养护和同条件养护两种养护方式下28d及56d的强度、28d及56d的电通量和56d的耐磨性；
(2) 100×100×400mm3棱柱体试件
制作6块，分别用于测试标准条件养护和同条件养护两种养护方式下56d的抗冻性；
(3) 150×150×300mm3棱柱体试件
制作12块，分别用于测试标准条件养护和同条件养护两种养护方式下56d的弹性模量；
(4) 抗渗性试件
制作12块，用于测试标准条件养护和同条件养护两种养护方式下的抗渗性。
(5) 抗裂性试件
制作2块，用于比较标准条件养护和同条件养护两种养护方式下的抗裂性。
8 保温保湿膜的施工工艺
应在混凝土拆模前，将养护所需的保温保湿材料准备妥当。当拆模工作结束后，立即进行保温保湿膜的包裹施工。两个对比实验墩分别采用保湿膜+保温膜和塑料薄膜+棉毡+彩条布的方式进行包裹养护。保湿膜规定产品的质量大于300g/m2，吸水率大于1000 g/m2。保温膜规定导热系数小于0.034w/m.k，真空吸水率小于10%）。其施工工艺如下：
(1) 模板拆除1小时前，将保湿膜浸水待用；
(2) 拆除模板后，快速将混凝土结构物表面清理洁净，构件边角部位应用刷子清理干净，清理工作宜在半小时内完毕；
(3) 一个实验墩先用绳子每隔50㎝将浸水1小时以上的保湿膜捆绑固定在混凝土表面，搭接宽度不得小于30㎝，搭接处也要用绳子捆绑固定，包裹保湿膜的工作宜在半小时内完毕，拆除模板后的混凝土表面要用保湿膜形成封闭的整体；再用保温膜包裹，保温膜搭接宽度不得小于20㎝，保温膜搭接处先用专用胶粘贴，然后用宽胶带密封并固定，胶带的宽度宜在5㎝以上，每隔50㎝要用宽胶带固定保温膜，包裹保温膜的工作宜在半小时内完毕，保温膜要在土工膜表面形成封闭的整体；
(4) 另一个实验墩先用塑料薄膜包裹，再用棉毡包裹，最后用彩条布包裹，各种包裹材料的搭接宽度不得小于20cm；
(5) 当环境昼夜平均气温连续3d低于5℃或最低气温低于－3℃时，混凝土施工应按冬期施工考虑，此时除了上述的包裹措施外，还需按蓄热养护的方式进行混凝土养护；
(6) 混凝土终凝后的连续保温保湿养护时间建议参照有关规定执行，但不宜小于2个月。养护期间混凝土的芯部与表层、表层与环境之间的温差不宜超过15℃，直至混凝土强度达成设计规定为止。
9 数据的收集和整理
9.1 浇注完桥墩混凝土后的数据收集
(1) 测试内容
测试各桥墩内部混凝土的温度和应力，以及大气温度。
(2) 测试频率
混凝土浇筑完毕后1个小时开始测试，每隔2小时测试一次，直到拆模。
9.2 养护期间的数据收集
(1) 测试内容
测试各桥墩内部和外部混凝土的温度和应力，以及大气温度。
(2) 测试频率
养护期间天天测试两次，测试时间应选在一天最热时刻(下午1时左右)和一天最冷时刻(凌晨)。如遇大风等异常天气，应加测测试次数。
9.3 养护结束后的数据收集
养护结束后，每一个实验墩都要对标准养护试件、同条件养护试件以及实体混凝土的强度和耐久性指标进行测试。
(1) 标准养护试件
分别测试28d及56d的强度、28d及56d的电通量、56d的抗冻性、56d的耐磨性、56d的抗渗性、56d的弹性模量和抗裂性；
(2) 同条件养护试件
分别测试28d及56d的强度、28d及56d的电通量、56d的抗冻性、56d的耐磨性、56d的抗渗性、56d的弹性模量和抗裂性；
(3) 实体混凝土
综合采用破损检测和无破损检测方式，对实体混凝土的强度、密实度等性能进行检测，如钻芯法、回弹法、超声回弹综合法。
9.4 数据整理
(1) 温度数据整理
对所测得温度数据汇总整理，绘出温度曲线探讨温度的变化规律。
(2) 应力数据整理
对所测得的应变数据通过力学转换为应力数据，总结变化规律，判断裂缝的产生位置。
10 实验协调组织工作
(1) 新疆公司指挥部对进行现场实验的施工单位进行协调。
(2) 高性能混凝土质量征询项目部派出现场测试人员，对实验墩的制作、养护以及数据的收集进行指导和控制。
(3) 施工单位在模板安装之前告知测试人员及时入场，由测试人员指导施工单位按现场实验的规定制作实验墩，并对其进行养护和数据的收集。施工单位要采用措施保证测试仪器的安全和正常运转，并协调解决现场测试人员的交通和食宿。
(4) 高性能混凝土质量征询项目部邮箱：。