海水环境下铁路桥梁混凝土结构耐久性施工技术.pdf

1 2 铁道建筑 Ra i l wa y En gi n e e r i ng 文章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 8 — 0 0 1 2 ． 0 4 海水环境 下铁路桥梁混凝土结构 耐久性施工技术 邱厚好 ( 中铁十六局集 团 二公司 ， 天津3 0 0 1 6 2 ) 摘 要 ： 混凝 土 结构耐 久性 是指 混凝 土结构 对 气候 作 用 、 化 学侵蚀 、 物 理 作 用或任 何 其 他破 坏过 程 的抵 抗 能力。本文结合位于浅海海域的迁( 安) 曹( 妃 甸) 铁路 曹妃 句特 大桥的工程 实例 ， 从混凝土材料 、 混凝 土结构施工， 以及混凝土结构使 用条件和 防护措施等方面， 介绍提高混凝土结构的耐久性经验。 关键 词 ： 海水 环境混凝 土耐久 性研 究 中 图分类 号 ： U 4 4 5 ； T U 5 2 8 ． 3 3 文献 标识 码 ： B 1 工程概况 2 混凝土配合 比设计及优化 曹妃甸特大桥是新 建迁曹铁路上一座 特大型桥 梁 ， 位于河北省唐 山市南部 7 0 k m 的渤海海滨 地区。 桥梁全长7 4 7 7 ． 2 6 m， 下部结构共 2 4 3个墩 台， 采用直 径 1 ． 0 0 IT I ， 1 ． 2 5 m和 1 ． 5 0 I n的钻孔桩 ， 独立承台 圆 端 型桥墩 ， T型桥 台。桩 基 、 承 台和墩 台混凝 土设计 强 度等 级为 C 4 5 。 该桥 桥 址 处 于 近海 区域 ， 一 般 水 深 3—5 1T I ， 跨 纳 潮河 区段 1 ． 4 k m 水 深 8～ 2 0 m。水 质分析 为 ： 地表 水 ( 海 水 ) ， Mg “含 量1 5 6 4 ． 9 m g ／ L ， C 1 一 含 量 1 7 6 1 1 ． 6 m g ／ L ， S O i 一含 量4 6 3 9 ． 7 m g ／ L ， p H值 含 量 8 ． 9 。地下水 p H值 1 1 ． 3 1 ， Mg “含量 5 5 ． 9 m g ／ L， C 1 一 含量5 7 8 9 m g ／ L ， S O ： 一含量1 4 3 6 ． 1 m g ／ L 。 根据《 铁路 混凝土结构耐久性设计暂行规定》 及其局部修订条文 中环境水对混凝土侵蚀程度 的类型及侵蚀 的判定 ， 地 表水及地下水对混凝土均具侵蚀性 ， 作用等级为 H 3 、 L 3 。桥梁墩 台、 承台、 桩基等结构将长期 浸泡在海水 中， 对结构混凝土的耐久性要求极高。 外界环境 因素对混凝土结构的破坏是物理化学作 用的结果 ， 环境因素引起混凝土结构损伤或破坏 主要 有 混凝 土 的碳化 、 氯 离子 的侵 蚀 、 碱一 骨料 反应 、冻融 循环破坏和钢筋锈蚀。混凝土材料的 自身特性和结构 的设计与施工质量是决定耐久性 的内因， 混凝 土的材 料组成直接影响其耐久性 ， 混凝土结构所处的环境条 件和防护措施是影响其耐久性的外 因。 收稿 日期： 2 0 1 1 - 0 3 - 2 5； 修回 日期： 2 0 1 1 — 0 5 - 2 0 作者简介： 邱厚好 ( 1 9 6 3 一) ， 男 ， 天津人 ， 工程师。 针对混凝土结构耐久性的影响因素 ， 从内因人手 ， 通过优化配合 比设计 ， 增强混凝土密实度， 达到混凝土 耐久性要求。根据混凝 土耐久性规范 ， 海水环境条件 下耐久性混凝土的基本要求有最大水胶 比为 0 ． 4 0 ； 最 小水泥用量为 3 0 0 k g ／ m ； 最大氯 离子含 量 占水泥用 量 的 0 ． 1 ％ ； 最大 碱含 量 3 ． 0 k g ／ m 。基 于 以上 几 点要 求并兼顾混凝土结构大体积的特点 ， 对混凝土配合 比 进 行优 化设计 。 1 ) 主要原 材料 耐久性混凝土对各原材料的技术要求除应满足国 家标准 G B ／ 1 7 5的规定外 ， 还应 满足表 1一表 3的要 求。 水泥采用冀东普通硅酸盐水泥 ， 标号为 P ． 0 4 2 ． 5 ； 粗 、 细骨料产地均为迁安 ， 细骨料细度模数 为 2 ． 8 表 观 密度 为2 5 5 0 k g ／ m ， 粗 骨 料 粒 径 为 5～2 5 m m， 1 6 ． 0 ～ 3 1 ． 5 m m， 表 观密度 为2 8 4 0 k g ／ m 。 表 1水 泥 的技 术 要 求 序号 项 目 技术要求 备注 2 8 O m方孔筛筛余 3 游离氧化钙含量 4 碱含嚣 熟料 中 的 C 3 A含 量 6 氯 离子含量 ( 对 硅酸 g 水泥而言)：~ G B ／ T 8 o 7 4检验 ( 对硅酸盐水泥 、抗硫水泥而言) 。 ～ ≤ 1 0 ． 0 ％ ( 对普通硅酸盐水泥而言) ≤ 1 ． 0％ ≤0 ．8 0％ ． 非氯盐环境下 ≤8 ％ ， 氯盐环境下 ≤1 0 ％ ≤0 ． 2 0 ％ ( 钢筋混凝土) ≤0 ． 0 6 ％( 预应力混凝土 ) 按 GB ／ T 1 3 4 5检验 按 GB ／ TI 7 6检验 按 GB ／ T1 7 6检验 按 GB ／ T 1 7 6检 验 后 计算求得 按 J C ／ T 4 2 0检 验 注 ： ① 当骨料具 有碱一硅酸反应 活性时 ， 水泥的碱含量不 宜超过 0 ． 6 0 ％ ； ② C 4 0及以上混凝土用水泥的碱含最不宜超过 0 ． 6 0 ％。 2 0 1 1年第 8期 海水环境下铁路桥 梁混凝土结构耐久性施工技术 表 2砂 中有害物质 限值 含泥量／ ％ ≤3 ． 0 泥块含量／ ％ 云母含量／ ％ 轻物质含量／ ％ 硫化物及硫酸盐含量 ( 折算成 s O 3 ) ／ ％ ≤2 ． 5 ≤2 ． 0 ≤0 ． 5 ≤0． 5 ≤O． 5 ≤0． 5 含量 ( 用 比色法 含泥量／ ％ ≤1 ． 0 泥块含量／ ％ 针 、 片状颗粒总含量／ ％ ≤1 0 硫化物及硫酸盐含量 ( 折算成 s O 3 ) ／ ％ 卵石中有机质含量 ( 用 比色法试验) ≤ 1 ． 0 ≤0． 2 5 ≤ l 0 ≤0． 5 ≤0 ． 5 ≤8 颜色不应深于标准色。当深于标 准色时 应配制成混凝土进行强度对比试 验， 抗压强度 比不应小于 0 ． 9 5 。 2 ) 水胶 比、 坍落度 为保 证混凝 土 的强度 ， 采用 了较低 的水胶 比为 0 ． 3 1 ； 设计坍落度为 1 4 0～1 8 0 m m。 3 ) 掺合料 粉煤灰含有大量的活性 S i O ， 其掺入具有增强效 应 、 增塑效应 、 填充效应和消减温度峰值 ， 减少水泥用 量 ， 减少混凝 土水化热 ， 从 而增 强混凝土耐 久性 的作 用。针对本工程实 际情况将混凝 土中加入 3 0 ％粉煤 灰( 粉煤灰与胶凝材料的比值) 。 4 ) 外 加剂 防冻剂能够降低拌合物冰点 ， 细化冰晶 ， 使混凝土 在负温下保持一定数量的液相水 ， 使水泥缓慢水化 ， 改 善了混凝 土的微观结构。由于本 工程为典 型冬 期施 工 ， 在 混凝 土 中加 入 2 ％ 的防冻 剂 。 为保证混凝土和易性并 减少用水量 ， 在混凝土 中 加入 U N F 一 1 A高效减水剂 1 ． 7 5 ％ ； 为增强海水环境混 凝土耐久性在混凝土中增加 HE ． 8防腐剂 9 ． 6 ％ ( 与胶 凝材料 的比值 ) 。 5 ) 最 后 选 定 理论 配 合 比 1 ： 1 ． 7 0： 2 ． 6 6 ： 0 ． 3 0 ： 0 ． 0 1 7 5 ： 0 ． 0 1 7 5 ： 0 ． 0 2 ， 水 胶 比为 0 ． 3 1 ， 每立方米 混凝 土用料 量 如表 4所示 。 表 4混凝土 用料 量( 以质量计 ) k g ／ m 6 ) 混 凝 土 标 准 试 件 5 6 d抗 压 强 度 分 别 为 5 6 ． 7 MP a 、 5 6 ． 2 MP a和 5 6 ． 6 MP a ， 5 6 d混 凝 土 强度 达 到 设 计强度的 1 2 6 ％ ， 强度符合要求。 3 耐久性混凝 土施 工质量控 制 3 ． 1原材 料质 量控 制 混凝土是一种复杂的多组分 的非均质材料 ， 影 响 混凝土性能的影响因素也是非常复杂的。对于耐久性 混凝土 ， 由于需要掺较高掺量的活性掺合料及为满 足 工作性需要掺经复合的高效减水剂 ， 其材料组分 比普 通混 凝土 更为 复 杂 。原材 料 不 同 的耐 久性 混 凝 土 ， 其 物理力学性能 、 工作性能及耐久性将会有较大差异 。 胶凝 材料 是影 响 高性 能混 凝 土 性 能 的 主要 因素 ， 而对于耐久性 占主要地位同时也要满足较高强度的高 性能混凝土 ， 除水泥外 ， 掺合料 的质量和品质 、 尤其是 掺合 料 的质量 稳定性 尤 为重要 。从 产 品生产 质量 控制 上来讲 ， 我国对掺合料的产品质量控制不如水泥那样 严格 ， 往往 导致 不 同批 次 的 掺合 料 在 质 量 上 有较 大 的 差异。当掺合料质量变化较大时 ， 将首先反映在混凝 土拌合物工作性上有较大 的波动 ， 最终将反映在混凝 土力 学性 能和 耐久性 能 的差 异 。 配制耐久性混凝土选用坚硬 、 高强 、 密实而无孔 隙 和软 弱杂质 的优质 骨 料 。对 细 骨 料 要 求使 用 中粗 砂 ， 且级配良好 、 含泥量少 。粗骨料在混凝土 中起骨架作 用， 要优先采用抗压强度高的粗骨料， 骨料应为表面粗 糙 利 于与水 泥 界面 黏结 的碎石 。 高效减水剂对胶凝材料有强烈的分散作用 、 随着 高效减水剂技术 的发展 和高效减水剂减水率 的提高 ， 减水率已可提高到 2 5 ％甚 至 3 5 ％ 以上。高效减水剂 的增强效果 已相 当显著 ， 对于高性能混凝土来讲 ， 更重 要的是掺高效减水剂后混凝土的坍落度损失问题 ， 这 就要求高效减水剂与复合 了水泥和掺合料 的胶凝材料 有好的相容性 ， 只有使用既具备 了高减水率、 又能与胶 凝材料相匹配的高效减水剂 ， 才能配置出工作性好 、 易 施工、 较密实、 体积稳定 的高性能混凝土。 因此 ， 原材料质量合格和质量稳定性是保证混凝土 质量的重要因素。耐久性混凝土的施工必须建立在严 格的原材料质量检验制度 ， 严格按混凝土配合比设计及 选定时所确定的原材料质量要求， 对进场材料进行认真 l 4 铁道建筑 的试验检验和把关 ， 达不到质量要求 的一律退场。 3 ． 2拌 制 混 凝土 的拌 制 目的 ， 除 了按 设定 的 配合 比达 到 均 匀混合外 ， 还要达到强化、 塑化的作用 。高性能混凝土 由于水胶比较小 ， 同时掺入的掺合料的细度 比水泥细 ， 所 以， 高性能混凝土对单位体积的用水量极为敏感 ， 因 此 ， 高 性能 混凝 土拌 制对 水 和 外 加 剂称 量偏 差 的规 定 比普通 混凝 土严 格 ， 耐久 性 混 凝 土 原材 料允 许 称 量 偏 差见表 5 。不 同的拌合方式与投料程 序， 对混凝 土拌 合 的均匀性有较大的影响 ， 高性能混凝 土拌合物 比较 黏稠 ， 为了保证混凝土搅拌 均匀 ， 必须采用性能好 、 搅 拌 效率 高 的行星 式 、 双锥 式或 卧轴式 强制搅 拌 机 ， 搅 拌 机中磨损的叶片应及时更换。高性能混凝土拌合物宜 先以粗 、 细骨料拌合均匀 ， 再加水和外加剂 ， 然后徐徐 加入胶凝 材料 ， 搅拌 时间应 比常规 混凝 土延长 4 0 s 以上 。 表 5确 定 耐 久 性 混 凝 土 原 材 料 允 许 称 量 偏 差 原材料名称 允许偏差／ ％ 水泥 、 掺合料 粗 、 细骨料 水 、 外加剂 2 士3 l 3 ． 3浇筑 耐久 性混凝 土 的 工作 性 能 好 坏 ， 直 接 关 系 到混 凝 土的密实性、 强度和耐久性 。在浇筑 时， 应不离析 、 不 分层 、 保水性 好、 流动性好 、 并 能保证 施 工所要 求 的 稠度 。 混凝土的保护层厚度是影响耐久性 的重要技术指 标 ， 浇筑前要仔细检查模板 、 钢筋 、 预埋件 、 预留孑 L 、 保 护层垫块等的位置、 规格和数量 ， 在主要受力部位保护 层 厚度 不得有 负 的偏差 。 耐久性混凝土应采用高频振捣器梅花形插捣 ， 振 捣 至混凝 土顶 面 基本 不 冒气 泡 ， 当混 凝 土 浇 筑 至顶 面 时 ， 宜采用二次振捣及二次抹 面。对 于流动性大的耐 久性 混凝 土 ， 振捣 器应 注意 不能过 振 ， 以 防止骨料 下沉 引起混凝土不均匀现象 。混凝土振捣 、 抹面后 ， 应刮去 表面浮浆 ， 确保混凝土的密实性。 对于大体积混凝土或夏季炎热天气施工时， 由于 在高温下拌合和浇筑混凝土， 水分蒸发快 ， 诸多原因引 起坍落度损失 ， 难 以保证所设计的坍落度 ， 易降低混凝 土的强度 、 抗渗和耐久性。若掺用高效减水剂的混凝 土 ， 温度高气泡易挥发 ， 降低其含气量 ， 且变得不稳定 ， 含气量难于控制 ， 使混凝土坍落度的控制变得较为困 难。对高性能混凝土 的浇筑 温度 、 最大升温和 内外温 差 必须进 行控 制 ， 限 制夏 季 混 凝 土 出料 温 度 不 得 大 于 3 0℃， 规定混凝土 内外温差不超过 2 0℃ ， 来保证混凝 土 的浇筑 质量 。冬 期施 工必须 对拌 合原 材进 行热 处理 后才能使用， 并加入适宜的防冻剂 。 3 ． 4 养护 养护质量对确保高性能混凝土质量非常关键 ， 特 别是对掺合料的混凝土的耐久性影响十分明显。大量 试验研究证明因为掺合料的水化滞后效应 ， 如果养护 不 够 ， 掺合 料 不能充 分 完成水 化反 应 ， 使 潜 在高性 能优 势 不能充 分发 挥 ， 从 而 达不 到应有 的耐 久性 。 对掺 Ⅱ级粉煤灰和硅灰的高性能混凝土进行不同 养 护时 间的 耐久性 测 试 ， 测 试 方式 是 分 别 对 标 养 室 内 7， 1 4 ， 2 8 d的高性能混凝土试块进行强度和 电通量测 试 ， 以及在 自然状态下养护至 9 0 d的测定 。研究结果 证明 ： 混凝土潮湿养护 7 d的电通量 比潮湿养护 2 8 d 的增大将近一倍 ， 潮湿养护 1 5 d后 ， 随养护时间延长， 电通量值降低 的幅度不大。 因此 ， 耐久性混凝土抹面后 ， 应立即覆盖 ， 防止水 分散失。终凝后 ， 混凝 土顶面应立即开始持续潮湿养 护。拆模前 1 2 h应拧松侧模板 的紧固螺帽 让水顺模 板与混凝土脱开面渗下 ， 养护混凝土侧面。整个养护 期 间 ， 尤 其从 终凝 到拆 模 的养护 初期 ， 应确 保混 凝土 处 于有利 硬化 及强度 增 长 的温 度 和湿 度 环 境 中 ， 在 常 温 下 ， 应至少养护 1 5 d ， 气温较高时可适 当缩短湿养护时 间 ； 气 温较低 时 ， 应适 当延 长养 护时 间 。 4 混凝土耐久性检验 为保证混凝土耐久性 ， 特别是在海水环境 内不受 氯离子侵蚀破坏 ， 特 委托“ 国家 建筑材料工业房建材 料质 量监督 检验 测试 中心 ” 对养 护 5 6 d的混 凝 土标 准 试件做氯盐环境下电通量检测 ， 检测结果符合铁建设 [ 2 0 0 5 ] 1 5 7号 《 铁 路混 凝土结 构耐久 性设 计暂 行规 定》 标准中氯盐环境下混凝土电通量的要求。检验报 告摘要如表 6 。由表 6可知 ， 此种配合 比的混凝土满 足海水条件下施工要求 ， 能够保证混凝土的强度及耐 久性 。 表 6检验 报告 摘要 备注 ： 工程设计要求 的环境类别为 L 3 、 H3 ， 设计使用年限 l O O年 。 5 保证混凝土 的耐久性辅助措施 1 ) 加大混凝土保护层 的厚度 ， 将桩基钢筋保 护层 厚度加大至 1 0 c m、 承台和墩身的保护层厚度加大至 6 c m， 防止 由于混凝 土保护层 碳化引起 钢筋钝 化膜 的 破坏 。 2 0 1 1年第 8期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i n g 1 5 文 章编 号 ： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 0 8 — 0 0 1 5 — 0 4 客运专线高架车站的减振设计研究 马 莉 ， 王 澜 ， 高芒芒 ， 熊建珍 ， 宣 言 ， 方 兴 ( 中国铁道科学研究 院 铁道科学技术研究发展 中心 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘 要 ： 某客 运 专线 高 架车站 采 用建桥 一体 化 结构形 式 ， 自下而上依 次为 出站 层 站 台层和 候 车厅 ， 其 中正 线位 于 高架站 台层 。本 文通 过 建立该 车站 站房 主 体 结 构模 型 ， 对 其进 行 列 车一 无砟 轨 道一 站 房 结 构耦 合 振 动分析 ， 结合现 场振 动试 验 测试 结果 验证 了模 型 的准确 性 ， 在 此基 础 上针 对正 线无砟 轨道 结构提 出 了提 高扣件弹性、 轨道板下铺设橡胶弹性垫层 以及使用钢弹簧浮置板轨道代替双块 式无砟轨道三种减 振优化方案， 并对各种方案的减振效果进行 了分析与比较。 关 键 词 ： 桥 一体 化 结构 结构模 型 减振 优化 中 图分类 号 ： U 2 1 9 ． 6 3文 献标 识码 ： B 随着我 国高速铁路 的迅猛发展 ， 客运专线 的高架 车站已经成为集铁路、 地铁 、 公交等多种交通方式为一 体的大型综合交通枢纽。高速列车通过高架车站时引 起的振动会直接影响旅 客候 车或换乘的舒适性 ， 由此 对车站 的减振降噪技术提出了较高的要求。本文以某 客运 专线铁 路 高架车 站为 实例 ， 建立 列车一无砟 轨 道一站房结构模型 ， 结合现场试验结果对模型 的准确 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 — 2 0； 修回 日期 ： 2 0 1 1 — 0 5 ． 2 0 作者简 介： 马莉 ( 1 9 8 0 一) ， 女 ， 河北满城县人 ， 博士研究生 。 性 进行 了验 证 ， 并对不 同减振方 案 的效果 进行 分析 。 1 工 程 概 况 某客运专线铁路高架车站 由主站房和站台雨棚组 成 ， 站台雨棚为一层单钢结构 ， 位于主站房 的两侧 ， 与 主站 房设 防振缝 分开 。 主站房结构采用建桥一体化结构形式 ， 自下而上 依次为出站层 、 站台层和候车厅。出站层地面高程为 一 9 ． 2 5 0 m， 层高 1 0 ． 5 0 0 m； 站台层楼 面高程为 1 ． 2 5 0 i n ， 层高 9 ． 2 5 0 m； 候 车厅楼面高程为 1 0 ． 5 0 0 m； 屋面 2 ) 在 承 台 和墩 身 的 钢 筋 保 护 层 内加 一 层 钢 丝 网 片 ， 本 工程 采用 的是 西 3 ． 5的冷 拔 钢丝 网片 ， 防止 因 混 凝 土表 面 的开裂 导致 海水 对 混凝 土 的侵蚀 。 3 ) 采用环氧树脂 、 聚氨酯为基的复合型或厚涂层对 承台及墩身的混凝土表面进行防护， 复合型涂层或厚涂 层与 混凝土 的 黏结 力不 小 于 1 ． 5 N ／ m m 。经 现 场进 行 试验 和 比选 ， 选用 中 国铁道 科学 研究 院研 制 的 z V 型修 补胶和 Z B罩面胶进行涂刷防腐。施工工艺 ： 首先采用 Z V修补胶和冀 东普通硅酸盐 R 4 2 5水 泥按 1 ： 1 ( 重量 比) 配置成浆液涂刷 3道 ， 以封闭因养护不当可能出现 的细微 裂纹或表 面缺 陷 ； 然后 采用 Z B罩 面胶涂刷 2道 ， 以增强 涂层 的硬度 、 光泽度 、 耐久性和 耐水 性 。 6 结语 通过对海水环境混凝土施工进行深入研究 ， 从海 水环境混凝土耐久性 问题人手 ， 在查 阅大量相关资料 并进行试验的基础上 ， 采取以优化混凝土配合比、 加强 施工过程控制等为主要措施 ， 有效解决 了海水环境混 凝土的 自身密实度问题。通过改变混凝土配合 比， 加 入粉煤灰等材料代替水泥 ， 在保证 了海水环境下混凝 土耐 久性 的同 时 ， 节省 了费用 ， 也减 小 了混 凝 土硬化 过 程 中水化热 、 降低 了出现温度裂缝 的可能性。同时采 取 了其他进一步保证混凝土耐久性 的相关措施 ， 取得 了 良好 的效 果 ， 可 以为今后 海域 混凝 土施 工提 供参 考 。 参 考 文 献 [ 1 ] 中华人 民共和 国铁道部 ． T B 1 0 2 0 3 --2 0 0 2 铁路桥涵工程施 工规范 [ S ] ． 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 中华人 民共 和国铁道 部． 铁建设 [ 2 0 0 5 ] 1 5 7号 铁路 混凝 土结构耐久性设计暂行规 定[ S ] ． 北京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 中华人 民共和 国铁道 部． 铁建设 [ 2 0 0 5 ] 1 6 0号铁路 混凝 土工程施工质量 验 收 补 充标 准 [ S ] ． 北京 ： 中 国铁 道 出 版社 ， 20 05． [ 4 ] 江京平 ， 戴 友保 ， 彭 建萍． 武广 铁路客运专 线耐 久性混凝 土 施工技术 [ J ] ． 铁道建筑 ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 1 5 3 — 1 5 5 ． ( 责任 审编 王红)