武广客运专线箱梁高性能混凝土耐久性研究.pdf

4 8 桥梁检测与加固 2 0 0 9 年第 1 期 武广客运专线箱梁高性能混凝土耐久性研究 朱传 斌 ( 武汉桥梁建筑工程监理有限公 司 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘要 ： 以武广客运专线箱梁高性能混凝 土耐久性设计 为背景， 对 3 组高性能混凝土配合比及其耐久性进行研究。 结果表明， 采用优质高效外加剂和矿物掺合料， 能有效减少 水泥用量和用水 量， 同时能减 少混凝土 的碱含量 、 氯离 子含 量， 降低混凝土的电通量， 提高了高性能混凝土的耐久性。 关键词： 客运专线； 箱形梁； 高性能混凝土； 配合比； 耐 久性 1 前言 武广客运专线全长 9 9 5 k m， 设计车速高达 3 5 0 k m h ， 混凝土结构的使用年限为 1 0 0年 ， 均采用高 性能混凝土。高性能混凝土是以耐久性作为设计的 主要指标 ， 采用高性能混凝土可以显著延长铁路的 使用寿命 ， 节省大量维修 费用 ， 保证线路 的平顺 ， 提 高旅客乘坐的舒适性。为了提高武广客运专线混凝 土的耐久性 ， 从源头开始抓， 首先控制混凝土原材料 的有害物质的含量， 在配合比设计的优选方面， 着重 提高混凝土的密实性 ， 以阻挡外界有害物质进入危 害混凝土 。通过这些措施使箱梁混凝土耐久性得以 保证 。 2 客运专线高性能混凝土耐久性设计技术 指标 混凝土耐久性指标需根据结构的设计使 用年 限、 所处的环境类别 以及作用等级确定 。就衡阳段 而言， 混凝土所处的环境为碳化环境 T2 ， 因此主要 从混凝土的抗裂性 、 护筋性 、 抗碱骨料反应进行考虑 和优化。结合预应力箱梁的相关指标 ， 箱梁用高性 能混凝土的耐久性设计技术指标如下 ： ( 1 )高性能混凝土的抗碱骨料反应性能指标和 最大碱含量。粗骨料的碱活性首先要用岩相法进行 检验_ 1 。若粗骨料含有碱 一硅酸反应活性矿物 ， 其 砂浆棒膨胀率应小 于 0 1 0 l_ 1 。当骨料 的碱 一硅 酸反应砂浆棒膨胀率在 0 1 0 0 2 0 时 ， 混凝土 的碱含量应满足表 1的规定 ； 当骨料的碱 一硅酸反 应砂浆棒膨胀率在 0 2 0 O 3 0 时 ， 除了混凝土 的碱含量要满足表 1的规定外 ， 还应在混凝土 中掺 加具有明显抑制效能的矿物掺合料和外加剂， 并进 行相应试验证 明其抑制有效_ 】 。不得使用具有碱一 碳酸盐反应活性的骨料 1 。客运专线箱梁所用 的骨 料经委外试验检验为非活性骨料 。 表 1 混凝土最大碱含量 ( 2 )混凝土 中氯离子总含量 。预应力混凝土的 氯离子总含量不应超过胶凝材料总量的 0 0 6 l_ 2 j 。 ( 3 )混凝土 电通量应满足表 2 s 的规定。 表 2 混凝土的电通 量 一 ( 1 0 0年 ) 二 ( 6 0年 ) 三 ( 3 0年) 1 0 0 0 1 5 0 0 1 5 0 0 ( 4 )水胶比不应大于 0 3 5 ， 最小胶凝材料用量 不小于 3 0 0 k g m3 。 ； C 5 0以上混凝土 的胶凝材料 不应超过 5 0 0 k g m。 。 ( 5 )无抗 冻 要 求 的混 凝 土含 气 量不 应 小 于 2 0 4 0 引 。 3 原 材料优选 所用原材料及 主要规格指标见表 3 ， 所用材料 均经过委外试验检验合格 。各项指标均满足 客运 专线高性能混凝土暂行技术条件 和 客运专线预应 力混凝土预制梁暂行技术条件 的要求 。 4 3组混凝土配合比的对比选择 3 组配合 比所用原材料采用不同的外加剂 ， 其 收稿 日期 ： 2 0 0 9一O 2 一l 9 作者简介 ： 朱传斌 ( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 助理工程师， 2 0 0 4年毕业 于武汉理工大学材料科学 与工程专业 ， 工学学士 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 2 期 武广客运专线箱梁高性能混凝土耐久性研究 4 9 配合 比的水胶比及原材料用量( k g m3 ) 如下 ： ( 1 ) 水胶比为 0 2 9 时， 混凝土的配合比为： 水泥 ： 砂 ： 碎石 ： 粉煤灰 ： 矿粉 ： 外加剂( 上海通广久)： 水 一3 5 8： 7 1 4： 1 0 7 1： 7 2： 4 7： 3 8 1 6：1 3 8 。 ( 2 ) 水胶比为 0 3 0时， 昆 凝土的配合比为： 水泥 ： 砂 ： 碎石 ： 粉煤灰 ： 矿粉 ： 外加剂( 山西凯迪)： 水 一 35 8 ：7 3 1 ：1 09 7 ：7 2：47：7 1 5 5 ：1 4 5。 ( 3 ) 水胶比为 0 3 2 时， 混凝土的配合比为： 水泥 ： 砂 ： 碎石 ： 粉煤灰 ： 矿粉 ： 外加剂( 山东华伟)： 水 一 3 5 8 ：7 2 8 ：1 09 2 ：7 2 ：47 ：4 0 5 4 ：1 53。 3组配合 比的混凝土的相关数据对 比见表 4 。 通过试验和计算 ， 3组配合 比的混凝土强度 、 碱 含量 、 氯离子含量、 电通量 以及含气量都满足高性能 混凝土和预应力混凝土的耐久性指标要求。其用料 除了外加剂不同 ， 其他的原材料品种都一样 ， 胶凝材 料的用量相同， 均为 4 8 7 k g m3 ； 矿物掺合料含量均 占胶凝材料的 2 5 ； 水泥 、 粉煤灰 和矿粉 的数 量也 完全一致 。粗细骨料 的数量均较接近 ， 水 的差别稍 大， 但 外 加 剂 的掺 量 比较 悬 殊， 分 别 为 0 8 ， 0 8 5 ， 1 5 。在实际的试验和生产中 ， 重点考察 了 3 种外加剂与胶凝材料的和易性 。3种外加剂配 出的混凝土的流动 性、 坍落 度损 失、 和易性 都差不 多。但是 1 5 山西 KD S P - 3的掺量明显大于另外 2种外加剂 0 8 5 、 0 8 的掺量。同时还发现 ， 3 种配合 比混凝土的 3 d强度， 掺人 了 KD S P - 3的比 另外 2 组至少低 8 MP a 。基 于上述原因， 弃用山西 KD S P 一 3 外加剂。余下的 2组配合 比不仅混凝土各 项性能指标均满足设计要求 ， 且都具有优越 的施工 性能， 没有 出现离析 、 泌水、 分层等现象 ， 易泵送 、 易 浇注。比较而言， 掺入 L E X - 9 H外加剂 的配合 比又 优于掺 入NOF AS # b ) J IJ 剂 的配合 比 ， 其水 胶 比更 小 ， 用水量更少 ， 从电通量的结果看， 也是最小的， 而 其他指标都相差不大， 因此 ， 推荐用上海通广久生产 的 L E X - 9 H 聚羧酸 系高效减水 剂。但是 由于成 本 和供货等原因， 选择 了山东华伟生产 的 NOF - AS聚 羧酸盐高效减水剂 ， 在实 际施工 中也取得 了良好的 效果 。 5 混 凝 土 碱 骨 料 反 应 和 钢 筋 锈 蚀 的 预 防 措施 武广客运专线衡 阳段所 用的骨料经第三方检 测 ， 评定为非碱活性骨料 。为确保混凝土长期耐久 性 ， 在配合比设计时仍然对混凝土的总碱含量进行 了严格的计算 和控制 ， 各种原材料 的碱含量见表 5 。 另外 ， 我们在混凝土 中掺入的矿物掺合料和高效减 水剂对碱骨料反应也具有显著 的抑制效能 。从表 4 各组配合比的碱含量可以看出， 通过这 2种措施 ， 在 本身就使用非碱活性骨料的情况下更能保证混凝土 不会发生危害性碱骨料反应。 表 g 原材料碱含量和氯离子含量 注 ： *为预应力混凝土 。 为防止混凝土中钢筋锈蚀 ， 对原材料的氯离子 含量也进行了严格的控制 ， 从而确保 了混凝土配合 比中氯离子总含量均满足规范要求 ， 详见表 4氯离 子含量 。 表 4 3组混凝土配合 比性能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 桥梁检测与加 固 2 0 0 9年第 1 期 6 提 高混凝土抗裂性能 的措施 为了提高混凝土的抗裂性能 ， 采取如下措施 ： 选择 C 。 A含量低 的低碱水 泥， 所用水泥 C 。 A 含量 为 7 5 ， 小于标准要求的 8 0 ； 限制水胶比为 0 3 2 ， 小于规范要求的 0 3 5 l 3 ； 尽量降低用水量； 限制胶凝材料的用量为4 8 7 k g m。 ， 小于规范要 求的 5 0 0 k g m。 ； 掺用 了占胶凝材料总量 2 5 的 粉煤灰和矿渣粉， 减少胶凝材料 中水泥用量。以上 措施减低了胶凝材料的水化热， 进 而控制了由于水 化温升较高引起 的温度应力 ， 增加 了混凝土的抗裂 性。严格按照“ 混凝土抗裂性试验方法” 进行了混凝 土抗裂性能试验， 结果均未出现裂纹， 可见 ， 通过上 述几方面对配合比的优化 ， 使混凝 土具有 良好 的抗 裂性 。 7 控制电通量大小的措施 采用电通量法来评价混凝土密实性 ， 间接评价 混凝土的耐久性。混凝土越密实 ， 电通量就越低。 混凝土就越能有效抵抗 环境 中各种有害离子侵入 ， 提高混凝土的耐久性 。在试验阶段通过对材料优 选， 配合比优化， 掺人大量矿物掺合料 ， 优选高效减 水剂来降低用水量 ， 减小水胶 比等措施来提高混凝 土的密实性。各种掺合料在水泥水化产物氢氧 化钙的作用下 ， 将发生反应 ， 也生成水化硅酸钙凝 胶， 即所谓的二次反应 ， 其产物往往会填充在混凝土 内部孔隙中， 使混凝土更加密实 ， 从而提高了混凝土 密实度。通过表 4 可知， 所选配合 比 5 6 d混凝土电 通量 4 9 8 C的试验结果远低于规定值 1 0 0 0 C， 由此 可见武广客运专线衡阳段箱梁用高性能混凝土具有 高抗氯离子渗透性能 。 8 提高抗冻融性能的措施 武广客运专线不位于寒冷地区， 但为 了增强混 凝土对 自然风化因素的抵抗能力 ， 提高箱梁混凝土 耐久性， 仍对混凝土提出较高抗冻性要求 ， 5 6 d混 凝土抗冻等级F 2 0 0 。水胶 比是影响混凝土强度 和耐久性的重要因素， 水胶 比越大， 混凝土的孑 L 隙率 越大， 强度越低 ， 耐久性越差。通过降低水胶 比、 掺 用引气剂、 掺用 I 级粉煤灰和矿渣粉、 降低用水量等 综合措施， 很好地提高了箱梁混凝土的抗冻性 。从 混凝土抗冻试验结果看 ( 表 6 ) ， 试件经过 2 5 0次冻 融循环后 ， 其相对动弹性模量和重量损失率都合格 ， 箱梁混凝土具有较高抗冻性能 。 表 6 混凝土抗冻性能试 验结果 9 结语 通过对武广客运专线衡阳段箱梁用混凝土 3 组 配合 比的耐久性对比研究 ， 总结 以下技术要点 ： ( 1 )在 原 材料 选 用 上， 选 择 C 。 A 含量 低 于 8 O 的水泥， 以降低水化热 ， 防止出现裂纹 ， 有利于 提高混凝 土 的抗裂性 。选择吸水率低 于 2 9 6 的骨 料 ， 防止出现收缩裂纹 。粗骨料用二级级配 ， 反复试 配 ， 达到最佳比例 。有利于提高混凝土的密实度。 ( 2 )降低水胶 比和用水量， 限制胶凝材料的用 量小于 5 0 0 k g m。 ， 掺人适 量的 I级粉煤灰和优质 矿渣粉能大大改善混凝土的和易性及增强混凝土的 密实度。同时能减少水泥的用量， 减少水化热 ， 防止 开裂 。此外还能有效地 降低碱含量 和氯离子的含 量 ， 增强混凝土的抗碱骨料反应 的能力和护筋性 ， 提 高混凝土的耐久性。 ( 3 )外加剂的选择尤为重要 ， 要选择减水率高、 坍落度损失小、 适量引气及质量稳定的产品1 。同 时要求外加剂与胶凝材料要有 良好的相容性 。外加 剂的掺量不宜过大， 保证混凝土的和易性。此外 ， 要 控制外加剂不能引人过多的有害离子。 ( 4 )限制原材料碱含量和氯离子含量 ， 确保混 凝土总碱量和氯离子总含量满足设计要求 ， 防止混 凝土发生碱骨料反应和钢筋锈蚀。施工 中， 加强振 捣 ， 提高混凝土的密实性 ， 能有效提 高混凝 土的耐 久性 。 参考文献 ： 1 铁建设 2 o o 5 1 6 0号， 铁路混凝土工程施工质量验收 补充标准 S 2 铁科技函- 2 0 0 4 1 2 0号， 客运专线预应力混凝土预制 梁暂行技术条件I S 3 3 科技基 e 0 0 5 1 0 1号， 客运专线高性能混凝土暂行技 术条件I S 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m