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      自密實(shí)混凝土的特點(diǎn)及其在高速鐵路中的應(yīng)用

      2012-09-05 05:08:02李化建譚鹽賓謝永江易忠來
      鐵道建筑 2012年8期
      關(guān)鍵詞:鐵道外加劑道岔

      李化建,譚鹽賓,謝永江,易忠來

      (1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

      自密實(shí)混凝土(Self-Compacting Concrete,Self-Consolidating Concrete簡稱SCC)是指拌合物具有高的流動(dòng)性、間隙通過性和抗離析性,澆筑時(shí)僅靠其自重作用而無需振搗便能均勻密實(shí)成型,且硬化體具有和傳統(tǒng)振搗混凝土相當(dāng)力學(xué)性能、耐久性能以及體積穩(wěn)定性的混凝土[1-2]。自密實(shí)混凝土是一種具有極高工作性能的混凝土,雖然沒有從流動(dòng)性指標(biāo)上來定量描述自密實(shí)混凝土,但通常將坍落擴(kuò)展度>550mm的混凝土稱之為自密實(shí)混凝土。自密實(shí)混凝土開發(fā)的原動(dòng)力是解決由于日本熟練工人的減少造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不足問題[3]。自密實(shí)的概念(即無需振搗,僅依靠自重作用就能使混凝土密實(shí)填充模板每個(gè)角落)是由Okamura于1986年提出的,自密實(shí)混凝土的雛形為日本東京大學(xué)岡村甫教授于1988年在東京大學(xué)用市售原材料開發(fā)的第一號“不振搗的高耐久性混凝土”,并確認(rèn)了該混凝土自身收縮、干縮、水化熱以及硬化后的強(qiáng)度和致密性等綜合性能與傳統(tǒng)振搗混凝土相當(dāng)[4]。由于自密實(shí)混凝土突出的自填充性能,適用于密集配筋、無法振搗、薄壁異性復(fù)雜以及要求無噪音施工等結(jié)構(gòu)。

      1 自密實(shí)混凝土的性能特點(diǎn)

      自密實(shí)混凝土高粉體用量、低水膠比、低骨料用量的配合比特征以及自密實(shí)混凝土高流動(dòng)性決定了自密實(shí)混凝土的敏感性特點(diǎn),具體表現(xiàn)為原材料敏感性、溫度敏感性、施工敏感性以及時(shí)間敏感性。

      1)原材料敏感性。原材料敏感性是指與傳統(tǒng)振搗混凝土相比,自密實(shí)混凝土的性能尤其是拌合物性能受原材料性能波動(dòng)影響較大。原材料波動(dòng)包括兩個(gè)方面:一是不同批次原材料的穩(wěn)定性,二是同一批次原材料不同部位材料之間的均質(zhì)性。針對不同批次原材料,應(yīng)控制不同批次原材料的性質(zhì)指標(biāo)的波動(dòng)在一定范圍內(nèi),不宜超過±10%。第二種情況多發(fā)生在骨料和外加劑中,骨料堆不同部位的細(xì)顆粒含量與含水率的變化,外加劑主要是由于沉淀而導(dǎo)致外加劑筒中不同部位減水劑和減水率不同。以細(xì)骨料含水率為例,當(dāng)細(xì)骨料含水率變化1%時(shí),混凝土中的單方用水量將變化6~10 kg,當(dāng)細(xì)骨料含水率增加1%時(shí),自密實(shí)混凝土?xí)霈F(xiàn)離析泌水,當(dāng)細(xì)骨料含水率減少1%時(shí),自密實(shí)混凝土就會(huì)無法滿足自密實(shí)的效果。歐洲自密實(shí)混凝土指南提出了新拌混凝土的穩(wěn)健性(Robustness),一種設(shè)計(jì)較好的自密實(shí)混凝土,當(dāng)用水量變化范圍為5~10 kg/m3時(shí),新拌自密實(shí)混凝土的性能不能超出自密實(shí)混凝土拌合物規(guī)定的目標(biāo)等級[1]。文獻(xiàn)[5]在系統(tǒng)研究砂率、粉煤灰摻量、膠集比、單方用水量及外加劑用量波動(dòng)對自密實(shí)混凝土工作性和強(qiáng)度影響的基礎(chǔ)上,確定了其投料精度控制范圍,得出了骨料的波動(dòng)對自密實(shí)混凝土質(zhì)量影響較大的結(jié)論,并提出了骨料(砂和石)控制精度應(yīng)在0.9%以內(nèi),這比普通混凝土要求的2%要高。

      2)溫度敏感性。溫度敏感性是指自密實(shí)混凝土拌合物性能隨溫度變化波動(dòng)幅度大。自密實(shí)混凝土的核心是其拌合物的自密實(shí)性能,由于自密實(shí)混凝土中膠凝材料用量較大、外加劑用量也較大,當(dāng)環(huán)境溫度較高或者原材料的溫度較高時(shí),會(huì)加快水泥的水化以及外加劑減水作用的發(fā)揮,自密實(shí)混凝土工作性能也將隨著溫度的提高而損失加快。在自密實(shí)混凝土的配制過程中,要確保自密實(shí)混凝土拌合物的入模溫度為5 ℃ ~30 ℃[6]。

      3)施工敏感性。施工敏感性是指自密實(shí)混凝土拌合物性能經(jīng)現(xiàn)場輸送(泵送、自卸等)前后變化的顯著性。施工對自密實(shí)混凝土性能影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:一是泵送對自密實(shí)混凝土性能的影響,一般泵送會(huì)降低自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性,但由于自密實(shí)混凝土黏度較大,泵送自密實(shí)混凝土所需的壓力也較大;二是自密實(shí)混凝土對模板的要求,由于自密實(shí)混凝土極高的工作性能,近似流體,不僅自密實(shí)混凝土對模板的側(cè)壓力增加,必須提高模板的支撐剛度,而且自密實(shí)混凝土對模板的密封性要求很高,密封不好的模板經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漏漿。當(dāng)采用泵送施工時(shí),一定要通過模擬試驗(yàn)來驗(yàn)證施工工藝的合理性[7-8]。

      4)時(shí)間敏感性。時(shí)間敏感性是指自密實(shí)拌合物性能隨時(shí)間的非線性變化,某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)自密實(shí)混凝土?xí)スぷ餍阅?,無法實(shí)現(xiàn)混凝土的自密實(shí)。對于自密實(shí)混凝土而言,材料性能和施工效果都是靠自密實(shí)混凝土自身性能來實(shí)現(xiàn)。自密實(shí)混凝土?xí)r間敏感性要求必須要有良好的施工銜接和施工組織,保證在可施工時(shí)間內(nèi)完成自密實(shí)混凝土的施工。自密實(shí)混凝土攪拌后到入模前,應(yīng)控制在120min以內(nèi),美國ACI協(xié)會(huì)編制的自密實(shí)混凝土(ACI 237 R)要求控制在90min 以內(nèi)[9]。

      2 自密實(shí)混凝土在高速鐵路中的應(yīng)用

      2.1 自密實(shí)混凝土應(yīng)用概況

      自密實(shí)混凝土在我國高速鐵路中的應(yīng)用始于京津城際鐵路亦莊車站,亦莊車站2/4#渡線道岔設(shè)計(jì)為鋪設(shè)2組18號板式無砟道岔。道岔下的填充層設(shè)計(jì)采用C40自密實(shí)混凝土(原設(shè)計(jì)文件中為自流平混凝土),灌注采用重力式灌注方式,按每組道岔分別施工。自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)要求擴(kuò)展度>700mm,28 d抗壓強(qiáng)度>40mPa[10]。京滬高速鐵路共16個(gè)車站道岔區(qū)采用了自密實(shí)混凝土,并編制了《京滬高速鐵路道岔板充填層自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)要求》[2]、《京滬高速鐵路道岔板充填層自密實(shí)混凝土現(xiàn)場工藝性實(shí)驗(yàn)管理實(shí)施細(xì)則》[11]。另外,石武客專和京石客專也參照京滬高速鐵路自密實(shí)混凝土技術(shù)要求配制自密實(shí)混凝土、指導(dǎo)自密實(shí)混凝土施工[12-13];武廣高鐵花都車站也采用了C40自密實(shí)混凝土。

      成灌鐵路路基地段CRTSⅢ型無砟軌道結(jié)構(gòu)的充填層設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度等級為C40自密實(shí)混凝土,自密實(shí)混凝土層內(nèi)配置12 mm的構(gòu)造鋼筋網(wǎng),鋼筋縱橫間距均為200mm。在路基地段,自密實(shí)混凝土按照軌道板長度采用模筑施工。自密實(shí)混凝土模筑長度與對應(yīng)的軌道板長度相同,模筑寬度2 800mm,自密實(shí)混凝土厚度 100mm[14]。

      2.2 存在的問題

      1)應(yīng)用空間發(fā)生變化引起對自密實(shí)混凝土性能要求的改變

      表1列舉了自密實(shí)混凝土在高速鐵路和工業(yè)與民用建筑使用的差異性以及存在的問題[15]。

      表1 高速鐵路和工業(yè)與民用建筑工程自密實(shí)混凝土特性

      2)鐵路條狀結(jié)構(gòu)分布與自密實(shí)混凝土原材料敏感性之間的矛盾

      不同地域原材料性能差異很大、鐵路混凝土用原材料必須就地取材是制約鐵路混凝土配制最為關(guān)鍵的因素[16]。另外,與常規(guī)振搗混凝土相比,自密實(shí)混凝土具有顯著的原材料敏感性,這就要求高速鐵路自密實(shí)混凝土原材料必須相對穩(wěn)定和固定。

      3)攪拌站分布分散與自密實(shí)混凝土工作性能經(jīng)時(shí)損失大之間的矛盾

      高速鐵路混凝土攪拌站多是沿鐵路線分布,主要配制C30-C50的現(xiàn)澆混凝土和C15的水硬性支承層材料。在鐵路沿線還會(huì)專門為軌道板廠、軌枕廠和預(yù)制梁廠設(shè)置一些專用攪拌站。而自密實(shí)混凝土是以高工作性能為特征,并且這些高工作性能是以澆注現(xiàn)場的評價(jià)指標(biāo)為準(zhǔn),并不是在攪拌站內(nèi)的測試結(jié)果,有時(shí)自密實(shí)混凝土的運(yùn)輸距離會(huì)達(dá)到2 h,這就對自密實(shí)混凝土工作性能的保持提出了很高的要求。

      4)自密實(shí)混凝土與常規(guī)振搗混凝土混用攪拌站

      自密實(shí)混凝土與常規(guī)振搗混凝土混用攪拌站,如果兩類混凝土所使用的原材料不同,就有可能出現(xiàn)兩種問題:一是使用常規(guī)振搗混凝土原材料來配制自密實(shí)混凝土,如果所使用的外加劑不同,打過傳統(tǒng)振搗混凝土后,不進(jìn)行清洗,就進(jìn)行攪拌自密實(shí)混凝土,可能會(huì)出現(xiàn)外加劑相容性問題;如果使用品質(zhì)要求比較低的原材料,就可能無法配制出滿足工作性能要求的自密實(shí)混凝土,這在高速鐵路岔區(qū)自密實(shí)混凝土施工時(shí)很可能遇到,因?yàn)榘迨綗o砟軌道路基上道岔下充填層使用自密實(shí)混凝土,而路基支承層采用C15水硬性支承層材料,其原材料要求相對較低(如骨料含泥量、針片狀含量,礦物摻合料等級,外加劑的品質(zhì)等),使用支承層原材料不可能配制出自密實(shí)混凝土;另外一種問題是攪拌參數(shù)設(shè)置問題,由于自密實(shí)混凝土中使用大量粉體材料,漿體黏度較傳統(tǒng)振搗混凝土大,需要更長的攪拌時(shí)間才能將自密實(shí)混凝土拌合物攪拌均勻,如果沒有及時(shí)修改攪拌機(jī)的攪拌參數(shù)設(shè)置,就有可能出現(xiàn)質(zhì)量問題。

      5)缺少自密實(shí)混凝土配制技術(shù)以及施工控制經(jīng)驗(yàn)

      工程技術(shù)人員在進(jìn)行自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)多是在傳統(tǒng)振搗混凝土配合比基礎(chǔ)上,通過簡單提高膠凝材料用量、降低骨料體積含量的方式來配制自密實(shí)混凝土(如部分自密實(shí)混凝土膠凝材料總用量達(dá)到650 kg/m3及以上),如此高的膠凝材料用量會(huì)大大增加自密實(shí)混凝土材料的收縮變形,造成充填層與道岔板或軌道板間出現(xiàn)離縫或充填層出現(xiàn)收縮裂縫,危及到軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠度,降低其服役壽命。

      6)缺少高速鐵路自密實(shí)混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

      雖然我國已頒布《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[17]和《自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南》[18]等技術(shù)條件,但未考慮鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)特征、施工條件等實(shí)際問題。

      3 結(jié)論與建議

      1)自密實(shí)混凝土高度敏感性要求自密實(shí)混凝土原材料品質(zhì)穩(wěn)定、配料精度高以及施工組織有序。

      2)高速鐵路用自密實(shí)混凝土不同于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域,配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮高速鐵路對自密實(shí)混凝土的特殊需求。

      3)為確保自密實(shí)混凝土工程質(zhì)量,應(yīng)加強(qiáng)對自密實(shí)混凝土試驗(yàn)、生產(chǎn)和施工人員的培訓(xùn),并盡快有針對性地制定高速鐵路自密實(shí)混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

      [1]BIBM,CEMBUREAU,ERMCO,EFCA and EFNARC.The European Guidelines for Self-Compacting Concrete[Z].2005.

      [2]中華人民共和國鐵道部.京滬高速鐵路道岔板充填層自密實(shí)混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

      [3]OKAMURA H,OUCHI M.Self-Compacting Concrete[J].Journal of Advanced Concrete Technology,2003(1):5-15.

      [4]OKAMURA H.Self-Compacting High-Performance Concrete[J].Concrete International,1997,19(7):50-54.

      [5]趙慶新,孫偉,楊正輝,等.自密實(shí)混凝土生產(chǎn)投料控制精度研究[J].建筑技術(shù),2006,37(1):52-54.

      [6]盤營客專公司.盤營客專CRTSⅢ型板式無砟軌道自充填混凝土?xí)盒屑夹g(shù)要求[S].盤錦:盤營客專公司,2011.

      [7]SKARENDAHL A,Billberg P.RILEM TC 188 Casting of Self Compacting Concrete[R].France:RILEM Publications S.A.R.L,2006.

      [8]中國鐵道科學(xué)研究院.西安至銅川高速公路渭河特大橋鋼混結(jié)合段C55自密實(shí)混凝土研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院,2011.

      [9]American Concrete Institute.ACI 237 R-07 Self-Consolidating Concrete[S].Washington:American Concrete Institute,2007.

      [10]京津城際鐵路有限責(zé)任公司.京津城際鐵路道岔板技術(shù)研究[R].北京:京津城際鐵路有限責(zé)任公司,2008.

      [11]中華人民共和國鐵道部.京滬高速鐵路道岔板充填層自密實(shí)混凝土現(xiàn)場工藝性實(shí)驗(yàn)管理實(shí)施細(xì)則[S].北京:中國鐵道出版社,2010.

      [12]辛永平.石武客專河南段新鄉(xiāng)東站自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量控制[J].粉煤灰綜合利用,2011(5):45-47.

      [13]張慶廣.板式無砟道岔自密實(shí)混凝土灌筑施工工藝研究[J].鐵道建筑技術(shù),2011(3):121-124.

      [14]中華人民共和國鐵道部.成都至都江堰鐵路工程新型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土(暫行)技術(shù)條件[S].北京:中國鐵道出版社,2009.

      [15]趙國堂,李化建.高速鐵路高性能混凝土應(yīng)用管理技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

      [16]中國鐵道科學(xué)研究院.岔區(qū)板式無砟軌道自密實(shí)混凝土材料試驗(yàn)研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院,2011.

      [17]中華人民共和國建設(shè)部.CECS 203自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2006.

      [18]中華人民共和國建設(shè)部.CCES 02自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)與施工指南[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

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