干旱、大風、大溫差環(huán)境下橋梁墩身混凝土的配制與養(yǎng)護技術

楊育紅

(中鐵二局工程測試中心, 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-12-26

1 工程概況[1]

新建蘭新鐵路第二雙線(新疆段)(簡稱蘭新二線)全長713.4 km，設計時速250 km/h以上，該段沿線經(jīng)過天山東脈北山南麓丘陵區(qū)，哈密、吐魯番盆地北緣山前沖、洪積平原區(qū)等地區(qū),線路所穿越的地區(qū)氣候環(huán)境極為惡劣，主要表現(xiàn)為：

(1)沿線嚴重干旱缺水、蒸發(fā)量遠大于降水量

線路穿越地區(qū)嚴重干旱缺水，線路穿越的四個地區(qū)的年降水量均較小，年均降水量最大的準格爾盆地南緣山前沖、洪積平原區(qū)年降水量為271.4 mm，而哈密、吐魯番盆地北緣山前沖、洪積平原區(qū)年均降水量僅為16.2 mm，但四個地區(qū)的年均蒸發(fā)量均在2 000 mm以上，其中天山東脈北山南麓丘陵區(qū)年均蒸發(fā)量達到3 301.6 mm。

(2)線路穿越風區(qū)，風期長、風力大

線路穿越百里風區(qū)、三十里風區(qū)等五大風區(qū)，區(qū)段內(nèi)風速高，最大風速達60 m/s；風期長，局部地段大于8級風的天數(shù)已超過200 d。

(3)夏季高溫、冬季低溫、晝夜溫差大

線路穿越地區(qū)夏季極端氣溫均在30 ℃以上，最高達到47.7 ℃，而冬季極端氣溫又非常低，最低達到-31.3 ℃。因為夏季高溫是由太陽直射造成的，晚上又受大風影響，氣溫降低較多，因此晝夜溫差較大。

由于蘭新二線穿越地區(qū)處于干旱、大風和大溫差環(huán)境，我單位施工的第五標段經(jīng)過地區(qū)惡劣環(huán)境條件尤為突出, 在這樣的環(huán)境下修建高速鐵路，國內(nèi)外還沒有成熟的混凝土施工技術，也沒有相關的控制參數(shù)，成型后的混凝土結(jié)構物不能采取常規(guī)的灑水養(yǎng)護，養(yǎng)護不到位以及大溫差容易引起早期收縮過快，導致出現(xiàn)混凝土開裂病害,而設計文件又要求使用壽命為100年的高性能混凝土，為保證混凝土施工質(zhì)量,我單位成立了混凝土施工技術研究課題組,本文結(jié)合該工程對干旱、大風和大溫差環(huán)境下橋梁墩身混凝土的配制與養(yǎng)護技術進行研究，并取得良好效果，可供類似工程借鑒。

2 研究的主要內(nèi)容

當混凝土結(jié)構處于干燥、大風、大溫差氣候條件下時，如果設計的混凝土配合比存在問題，易造成混凝土性能不好、抗裂性差，同時由于氣候環(huán)境干燥、相對濕度小、蒸發(fā)量大，混凝土在養(yǎng)護期間很難從外界獲得水分補充，而其內(nèi)部水分會大量向外散失，使水泥等膠凝材料水化不充分，不僅混凝土強度增長緩慢，而且會產(chǎn)生較大的干縮，在混凝土表面形成大量的干縮裂縫，裂縫的產(chǎn)生將導致混凝土結(jié)構抗凍性、抗蝕性等耐久性嚴重降低，無法保證混凝土使用壽命達100年[2～3]。

針對干旱、大風、大溫差惡劣環(huán)境下混凝土工程所面臨的技術問題，需研究的主要內(nèi)容為：

(1)精心設計混凝土配合比，研制適用于惡劣環(huán)境下的高性能混凝土配合比，確?；炷翝M足抗裂性、抗凍性與抗蝕性等技術要求。

(2)通過對混凝土在惡劣氣候環(huán)境下不同的養(yǎng)護方式對高性能混凝土工作性、抗開裂性的影響，研究惡劣環(huán)境下高性能混凝土防裂養(yǎng)護技術。

3 橋梁墩身混凝土設計要求

根據(jù)TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構耐久性設計規(guī)范》及設計文件要求，本標段墩臺身大多數(shù)為C40混凝土，且處于T2、H3、L1、D2環(huán)境，要求墩臺身混凝土和易性良好、外觀無蜂窩麻面、不開裂、顏色一致、無水紋、抗風蝕等，具體要求如下：

(1)墩身的混凝土強度設計等級為C40，坍落度160±20 mm，坍落擴展度應控制在500±20 mm，含氣量不低于5 %，可泵性好；

(2)電通量<1000 C；

(3)抗凍性≥F300；

(4)混凝土抗裂性好，不開裂；

(5)混凝土中氯離子含量小于膠凝材料總量的0.06 %；

(6)混凝土中總堿含量不大于3.0 kg /m3。

4 混凝土的配制路線

為保證在干旱、大風、大溫差環(huán)境下混凝土結(jié)構工程的使用壽命，確定的混凝土配合比配制路線如下：

(1)選用優(yōu)質(zhì)的混凝土原材料，方可配制出性能優(yōu)良的混凝土，從而確?；炷恋哪途眯?。

(2)在混凝土中摻入聚羧酸減水劑，通過減水劑的高分散性的特點，降低混凝土的水膠比，使混凝土內(nèi)部更加致密，抗裂性、抗凍性提高。

(3)在混凝土中摻入足夠量優(yōu)質(zhì)粉煤灰與磨細礦渣(礦粉)等活性礦物摻和料，不僅改善混凝土的和易性，還可延緩混凝土最高溫升時間，降低混凝土內(nèi)部水化熱與內(nèi)外溫差，提高混凝土的抗裂能力，且利用其活性和微粒填隙作用，改善硬化混凝土的微觀結(jié)構，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密實性、抗裂性、抗凍性[4]。

5 原材料選擇

混凝土設計使用壽命為100 a，要求混凝土耐久性高，抗裂性能強，選擇原材料時，應以防止混凝土開裂為目標進行選材，并滿足TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構耐久性設計規(guī)范》的相應要求。

(1)水泥應選擇堿含量低、C3A含量較小的水泥品種，工程中選用新疆天山水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O42.5水泥，其主要技術指標見表1。

表1 天山水泥主要技術性能檢驗結(jié)果

(2)粉煤灰選用新疆華潤通(瑪電)Ⅰ級粉煤灰 ，其主要技術性能指標見表2。

表2 粉煤灰主要技術性能檢驗結(jié)果 %

(3)礦粉，選用曲沃縣旭東建材有限公司S95級礦粉，其主要技術指標見表3。

表3 礦粉主要技術性能檢驗結(jié)果

(4)細骨料選用鄯善砂場中砂，其主要技術指標見表4。

表4 細骨料主要技術性能檢驗結(jié)果

(5)粗骨料選用吐魯番石場碎石，采用5～31.5 mm連續(xù)級配，主要技術指標檢驗結(jié)果見表5。

表5 粗骨料主要技術指標檢驗結(jié)果

(6)減水劑選用北京建工有限公司生產(chǎn)的緩凝型AN4000聚羧酸減水劑, 其主要技術指標檢驗結(jié)果見表6。

表6 減水劑主要技術性能檢驗結(jié)果

(7)拌合水采用新疆鄯善地區(qū)坎兒井水，其主要技術指標檢驗結(jié)果見表7。

表7 拌合水主要技術性能檢驗結(jié)果

6 混凝土配制與養(yǎng)護方式研究

6.1 混凝土配制

依據(jù)TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構耐久性設計規(guī)范》,采用選擇的混凝土原材料,按水膠比不大于0.40的原則進行混凝土配制[5]，經(jīng)多次試驗,得到性能較優(yōu)、可供比選的配合比(表8)。

6.2 養(yǎng)護方式的比對方案

按上述確定的較優(yōu)配合比分別澆注3個試驗墩，共計6個試驗墩(為矩形實心墩,截面尺寸2 m×2 m,高4 m)，并采用三種不同的方式進行養(yǎng)護，同時在試驗墩內(nèi)部埋設溫度傳感器，監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫升，通過混凝土性能測試、試驗墩內(nèi)部溫度測試和外觀質(zhì)量分析、對比，確定最終的混凝土配合比與養(yǎng)護方式(表9)。

表8 C40混凝土比選配合比

表9 試驗墩混凝土養(yǎng)護方案

6.3 測試情況

對試驗墩混凝土拌和物性能、強度進行測試，監(jiān)測試驗墩混凝土的溫升，相應測試結(jié)果見表10，試驗墩混凝土芯部達最高溫度延時情況見表11。

表10 試驗墩測試結(jié)果匯總

表11 試驗墩混凝土芯部達最高溫度延時統(tǒng)計

6.4 結(jié)果分析

(1)兩個不同礦物摻和料摻量的混凝土和易性均良好，抗壓強度均能滿足設計等級C40的要求。

(2)隨著混凝土中摻和料摻量的增加，水泥用量減少，混凝土水化熱在減少，內(nèi)部溫升降低。當摻合料摻量為41%時，混凝土芯部最高溫度為73 ℃，已超過TB 10424-2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》要求(混凝土芯部溫度不宜超過60 ℃)；當摻合料摻量為50 %時，混凝土芯部最高溫度為58 ℃左右，符合TB 10424-2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》要求。

(3)隨著混凝土中摻和料摻量的增加，混凝土芯部達到最高溫度用時得以延長9～18 h(表12)，從而也減少了混凝土早期開裂的風險。

(4)摻和料摻量為50 %的混凝土采用三種方式進行養(yǎng)護，10 d內(nèi)與環(huán)境最大溫差(14～17 ℃)均得到明顯降低，滿足TB 10424-2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》混凝土芯部溫度與混凝土表面溫差、表面溫度與環(huán)境溫差不宜超過20 ℃的要求，同樣也減少了混凝土開裂的風險；同時，在養(yǎng)護28 d后，將保溫保濕膜拆除，檢查混凝土外觀，摻和料摻量為50 %試驗墩采用方案二(浸水毛氈+防水薄膜+彩條布)養(yǎng)護，表面狀況最好，未發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生。

綜上，采用浸水毛氈+防水薄膜+彩條布的保溫保濕養(yǎng)護方式，可減少養(yǎng)護期間水分向外散失與混凝土的表面溫度受外界環(huán)境溫度的影響，夏季高溫時起到隔熱作用，保證混凝土表面溫度不過高；冬季低溫時又起到保溫作用，保證混凝土表面溫度不過低，不發(fā)生凍脹，從而確保混凝土芯部與表面溫差、混凝土表面與大氣溫差不超過20℃的要求，保證混凝土結(jié)構抗凍性、抗蝕性以及抗裂性等耐久性能，從而解決混凝土開裂這一技術難題。

6.5 配合比確定

根據(jù)試驗墩混凝土測試情況與養(yǎng)護方式的結(jié)果分析，最終確定C40墩身混凝土配合比見表12，混凝土中總堿含量、氯離子含量均滿足要求。

表12 選定的混凝土配合比

7 應用情況

7.1 混凝土質(zhì)量抽檢情況

按選定的配合比進行混凝土墩身施工，混凝土拌和物性能良好，對墩身混凝土進行抽檢，其56 d抗壓強度、電通量、抗裂性等指標均滿足設計與驗標要求[6]，試驗結(jié)果見表13。

表13 C40墩身混凝土抽檢結(jié)果

7.2 養(yǎng)護工藝

墩身混凝土澆注后按確定的養(yǎng)護工藝進行養(yǎng)護，在強風區(qū)混凝土養(yǎng)護時間不少于28 d，在一般風區(qū)混凝土養(yǎng)護時間不少于14 d，墩身混凝土內(nèi)實外美，無開裂，也未發(fā)現(xiàn)其它質(zhì)量問題。

(1)拆模前在墩頂覆蓋一層浸水毛氈，并用尼龍繩將毛氈固定在模板上，保證大風不影響?zhàn)B護效果，并對混凝土進行灑水養(yǎng)護；

(2)混凝土拆模時其強度應滿足設計及驗標要求，混凝土的溫度也不能過高，以免混凝土接觸空氣時降溫過快而開裂，拆模工作要快速有效，盡量縮短混凝土的裸露時間[7]。

(3)拆模后混凝土表面采用浸水毛氈+防水薄膜+彩條布覆蓋，包裹均勻，保證搭接長度不小于20 cm，豎向接縫位于背風側(cè)，接縫處采用封口膠粘接，左右搭接接頭采用尼龍繩固定，上下搭接接頭采用鋼管和地錨固定，在墩頂設置水箱并接水管進行不間斷滴灌補水養(yǎng)護。

8 結(jié)束語

(1)在干旱、大風和大溫差惡劣環(huán)境下通過優(yōu)選混凝土原材料，摻入足夠量的礦物摻和料與高性能聚羧酸減水劑，可明顯降低混凝土內(nèi)部溫升，提高混凝土的各項性能，尤其是抗裂性，是解決特殊環(huán)境下混凝土易開裂的有效途徑；

(2)在干旱、大風和大溫差惡劣環(huán)境下，混凝土的養(yǎng)護至關重要，采用浸水毛氈+防水薄膜+彩條布覆蓋的方式對混凝土結(jié)構進行養(yǎng)護，可有效減少混凝土內(nèi)外溫差，降低混凝土開裂風險，是解決特殊環(huán)境下混凝土易開裂的有效養(yǎng)護方式。

(3)在惡劣環(huán)境條件下進行混凝土施工，監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫升極為重要,通過溫度的監(jiān)測，可及早發(fā)現(xiàn)問題并采取有效措施，減少混凝土出現(xiàn)開裂病害，提高混凝土的耐久性能。

(4)針對蘭新二線穿越地區(qū)處于干旱、大風和大溫差的惡劣環(huán)境配制的橋梁墩身混凝土及研究確定的養(yǎng)護技術,應用效果良好,其它類似工程可參考借鑒。

[1] 中鐵二局股份有限公司.大風戈壁環(huán)境高性能混凝土施工技術研究總結(jié)[R].2015.

[2] 李全文.三十里風區(qū)高速鐵路高性能混凝土施工養(yǎng)護技術的研究[J].鐵道建筑技術,2011(5):89-93.

[3] 吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[4] 蔡以智,王文學,薄祥照.杭州灣跨海大橋50箱梁C50海工耐久性混凝土配合比試驗研究[J].混凝土,2006(6):86-90.

[5] 中華人民共和國行業(yè)標準.TB 10005-2010 鐵路混凝土結(jié)構耐久性設計規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[6] 中華人民共和國行業(yè)標準.TB 10424-2010 鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[7] 黃峰. 大風、干旱、大溫差地區(qū)高性能混凝土養(yǎng)護工藝[C]//全國橋梁學術會議論文集,2012:955-959.