摘要：结合高耐久、高性能混凝土配合比的设计方法和聚羧酸系外加剂的特点,以及客运专线所处施工环境原材料的实际现状,介绍客运专线预应力混凝土箱梁C50高性能混凝土的配合比设计方法,提出了其施工中应注意的一些事项,以供参考。
1 概述
根据国务院批准的《中长期铁·网规划》,到2020年,客运专线建设量达1. 2万km以上,随着京津、合宁、武合、温福、甬温、武广、福厦等客运专线相继开工,中国大规模建设高速铁·已经启动。
为建设高标准客运专线、推动铁·建设技术进步,铁道部科技司等相关部门发布了若干暂行技术条件和规范、标准,确保客运专线混凝土结构的长期耐久性。
客运专线预应力混凝土箱梁混凝土的技术性能特点有以下几点: (1)混凝土有抗裂、抗氯离子渗透性、抗冻性、耐蚀性、抗碱骨料反应性等耐久性要求;(2)矿物掺和料、聚羧酸系高性能外加剂使用纳入箱梁高性能混凝土技术标准要求。
下文就客运专线预应力混凝土箱梁C50 高性能混凝土应遵循的配合比设计方法和泵送施工中应注意的一些事项进行阐述,以期给客运专线箱梁高性能混凝土施工提供参考。
2 C50 高性能混凝土的配合比设计
客运专线桥梁使用年限按100年考虑,预应力混凝土箱梁C50混凝土技术要求主要有: 56 d电通量小于1 000 C (氯盐环境小于800 C) ;抗冻融指标为F200 (冻融环境F300) ;抗渗等级P20以上。
2. 1 配合比设计技术·线
基于抗裂和耐久性考虑,“大掺量矿物掺和料+高性能外加剂”是配制预应力混凝土箱梁高性能混凝土的主要技术·线。
对客运专线预应力混凝土箱梁混凝土来说,除预应力措施外,混凝土本体的抗裂性是首要考虑因素,基于对水化热和体积稳定性的考虑决定了应积极选择粉ú灰和磨细矿粉作为辅助胶凝材料,并选择适应箱梁施工的兼有低收缩、早强、缓凝性能的聚羧酸系高性能外加剂配制其混凝土成为关键技术措施,也符合混凝土耐久性的技术实现途径。
2. 2 原材料选择
1)基于控制水化热和收缩的抗裂要求以及耐久性要求,选择胶凝材料主要应注意以下几点:
①水泥。强度等级应在42. 5以上;应限制使用早强型水泥;应控制碱含量≤0. 6%;应控制熟料中的C3A含量≤8%;应控制比表面积≤350 m2 /kg。
②粉ú灰。控制烧失量≤3%;控制需水量比≤100%;对于硫酸盐侵蚀环境,应限制粉ú灰CaO含量≤10%。
③磨细矿粉。控制比表面积350～450 m2 /kg。
2)基于强度和耐久性要求,选择骨料应注意以下几点:
①粗骨料。母岩强度应达90 MPa以上;级配合理,粒形好,紧密空隙率宜≤40% ,松堆密度大于1 500 kg/m3 ,压碎值≤10% ,针片状≤5%;硬质、洁净碎石;控制吸水率≤2% ,处于冻融环境应≤1%;非碱活性。
②细骨料。细度模数宜为2. 6～3. 0,含泥量≤2%,吸水率≤2% ,硬质、洁净、天然河砂;非碱活性。
3)基于抗裂、耐久性、强度、施工性能要求,选择外加剂应注意:外加剂与胶凝材料的相容性要好,减水率宜为25%以上,并适度引气,适度缓凝。
2. 3 配合比设计方法
预应力混凝土箱梁C50 混凝土配合比是基于抗裂、抗氯离子渗透、抗硫酸盐腐蚀、抗冻融、抗碳化等耐久性的早强高性能混凝土配合比设计,因此,应遵循高性能混凝土配合比设计方法,即选择水胶比、矿物掺和料掺量、含气量、浆集比、砂率(粗骨料用量)等参数采用绝对体积法进行配合比设计,既可科学地指导混凝土的实际施工和过程调整,又便于分析施工中产生问题的原因。
2. 4 配合比参数选择
2. 4. 1 C50高性能混凝土各参数的选择
1)水胶比
从100年设计年限要求的上海东海大桥和杭州湾跨海大桥预应力混凝土箱梁C50高性能混凝土的成功实践来看,水胶比通常选择0.31～0.33,较适应基于国内原材料现状的预应力混凝土箱梁C50高性能混凝土的施工。
2)矿物掺合料掺量
通常,为有效改善混凝土抗化学侵蚀性能,优质粉ú灰的掺量宜选择25% ～30% ,磨细矿粉的掺量宜选择30%～50%。
采用52.5及以上等级的水泥时,粉ú灰可选择较大掺量,考虑预应力混凝土箱梁施工特点兼顾早强、降低水化热的要求以及原料来源的限制,掺合料可选择粉ú灰或磨细矿粉单掺·线、粉ú灰和磨细矿粉双掺·线。
因掺合料单掺使用在不同施工季节难以协调混凝土强度、水化热、耐久性、施工性能之间的ì盾,箱梁混凝土施工以粉ú灰与磨细矿粉二者双掺较为适宜,通常双掺的掺量组合范Χ为: 粉ú灰( 10% ～20% ) +磨细矿粉(20%～45% ) ,总量30%～55%。
混凝土掺入粉ú灰因早期强度偏低,其掺量应根据水泥实际强度和施工季节的温度条件进行调整,以适应箱梁的预应力张拉要求,掺量通常应选择15%以上,以利于改善混凝土和易性和水化热。矿粉的掺量则主要应兼顾到施工性能,如混凝土粘度过大、拌和物流动性损失过快而影响混凝土可泵性时则应适当减少用量。
3)浆集比
Mehta和A tcin认为,采用适宜的集料时,浆集体积比0. 35∶0. 65可以解决强度、工作性和尺寸稳定性(弹性模量、干缩和徐变)之间的ì盾。笔者多年来的混凝土施工实践也表明,按此参数设计施工,可以得到理想的高性能混凝土。
客运专线预应力混凝土箱梁C50 高性能混凝土采用聚羧酸外加剂和大掺量矿物掺合料通常可使单λ用水量降低至145 ～155 kg/m3 ,按照水胶比0.31～0.33 计算,浆集比通常为(0.33～0.37 )∶(0.67～0.63) ,保证适宜的含气量( 2%～4% ) ,可使浆集比参数与泵送施工工艺相协调,获得施工性能优良的混凝土拌和物。
4)含气量
保证适宜的含气量,可以提高混凝土的抗冻性能、抗硫酸盐腐蚀性能,改善混凝土的拌和物性能和施工性能,保证适宜的浆体体积量,改善骨料性能缺陷,提高混凝土的匀质性和稳定性。
从施工性能和冻融耐久性两方面考虑,客运专线预应力混凝土箱梁C50混凝土通常应保证混凝土含气量2% ～4% (抗冻F200以上) ,如进行混凝土配合比设计时因胶凝材料原因导致混凝土单λ用水量较低时,为保证适宜的泵送施工性能,应按含气量上限进行设计。
5)砂率(粗骨料用量)
确定砂率应考虑粗骨料密实堆积下的空隙率,如粗骨料粒形不好、级配差、空隙率大会造成填充空隙的胶凝材料浆体和细骨料用量过大、粗骨料用量过少,造成填充空隙和包裹骨料的胶凝材料用量增加,影响混凝土的弹性模量和尺寸稳定性。
砂的细度模数通常不能完全反映颗粒组成差异,砂率还应根据砂自身的颗粒组成进行调整:细颗粒含量过多时则应适当降低砂率,以防止过多的细颗粒含量引起骨料裹浆量不足,引起管道润滑层摩擦阻力增大;细颗粒含量过少时则应适度增加砂率,增强浆体保水性能,降低离析倾向。
2. 4. 2 C50高性能混凝土配合比设计参数选择建议值
如粗骨料级配良好,细骨料中细颗粒含量合适,水泥相容性良好,采用聚羧酸外加剂配制的客运专线预应力混凝土箱梁C50高性能混凝土,进行配合比设计时通常可按表1建议参数选择。
3 泵送质量控制
箱梁混凝土胶凝材料用量相对较多,进行适当控制容易使浆体含量适应泵送施工要求,但由于水胶比低、掺合料用量大、聚羧酸外加剂相对敏感而使拌和物性能不容易掌控,极易因原材料品质的波动出现混凝土工作性不良。通过上述引起工作性不良的原因分析,可以明确主要通过严格控制计量、控制混凝土搅拌时间、控制骨料含水率波动、按照实际原材料及时调整相应参数的办法对混凝土施工性能进行控制。
根据箱梁高性能混凝土的特点和聚羧酸外加剂的特性,箱梁泵送高性能混凝土建议注意如下参数和环节的控制。
1)施工时应合理控制混凝土的流动性,优化可泵性。
泵送混凝土的可泵性与混凝土粘着管道产生的阻力及其在管道内流动的速度快慢产生的阻力有关,混凝土流动性过低、粘度过大会引起摩擦阻力增大导致泵送压力增加,增加到一定程度即引起堵管。
采用聚羧酸外加剂拌制的箱梁混凝土单λ用水量及水胶比较低并大量使用掺合料,混凝土粘度相对较大,同时混凝土中细粉料在聚羧酸外加剂适宜掺量时的保水能力非常强,如按照以往对采用萘系减水剂的箱梁泵送混凝土的控制观念进行坍落度单指标控制时,将引起混凝土压力泌水过少,压力泌水率过低,黏度过大,极易造成泵送压力上升过高引起泵送受阻。
结合聚羧酸外加剂在适宜掺量时混凝土常压泌水和压力泌水较小的特点,应适当提高混凝土的流动性,降低混凝土黏度,以扩展度和坍落度双指标控制流动性并以倒坍落度筒流下时间评价黏度,以满足泵送工艺要求的可泵性。
采用倒坍落度筒流下时间、压力泌水率和泵送压力来指导实际泵送施工。建议按照扩展度450～550 mm、坍落度180～220 mm、倒坍落度筒流下时间以5～25 s的指标对混凝土流动性、黏度进行控制,如选定配合比的混凝土压力泌水量较小,应按建议的坍落度和扩展度的上限对配比调整、控制,防止混凝土经泵送后泵管出料口流动性下降过多影响浇筑质量。
2)配合比设计时应保证适宜的混凝土浆体含量,优化可泵性。
为保证浆体包裹性和充盈度,保证可泵性和振捣密实度,应采取措施保证浆体数量。如采用的骨料空隙率大,考虑钢筋密集的箱梁施工时振捣的难度,因胶凝材料用量的限制,混凝土不应过分追求低用水量,防止低用水量引起浆体量不足,造成振捣缺陷。为防止早期张拉强度不足,应延长张拉时间,必要时应合理提高对水泥强度和骨料空隙率的要求。
针对我国骨料加工的实际现状,箱梁ÿm3 混凝土的浆体体积不应低于0. 34 m3 ,如用水量过低时混凝土含气量应按照2% ～4%的上限控制,并在混凝土实际容重范Χ内适当调整降低石子和砂的用量、确保泵送工艺要求的浆体含量。
3)严格材料的进场和混凝土生产过程控制,保持拌和物性能的稳定性。
4 C50 高性能混凝土实际泵送施工配合比调整示例
施工单λ在其第一孔梁施工前,对实际进场材料进行配合比复核时发现,混凝土拌和物较粘稠,流动性稍弱,含砂情况适宜,石子裹浆稍不足,无明显泌水和泛浆。
经了解,与配比设计时相比,骨料有所变化,粒径有所降低,石粉含量略有增加,含气量略有降低(下降0. 5% ) ,黏度有较大增加。调整如下:
1)以保证强度和耐久性能为前提,即水胶比不变甚至有所降低时改善泵送性能。
2)验算调整前配比浆集比为0. 335∶0. 665,根据拌和物浆体包裹和流动性情况,确定外加剂掺量比例不变,胶材总量(粉ú灰)和单λ用水均适当增加,以提高浆体含量,充分利用优质粉ú灰有利于裹浆和改善流动性的优点,降低摩擦阻力,提高泵送性能。
配比调整后,水胶比从0. 33 降至0. 325,浆集比为0. 345∶0. 655,拌和物和易性明显改善,流动性增大,粘度也得到降低,拌和¥拌和、泵送试验结果表明调整后的配比是合适施工的。
通过控制适宜的混凝土搅拌时间,对骨料采取湿润和翻拌措施,强化对拌和用水量的控制,箱梁实际施工中自始至终δ出现堵管等泵送困难现象,由于施工顺畅,施工时间从预计的10 ～12 h缩短到7 h,进展非常顺利。
5 结语
客运专线工程开工建设量大,施工点分散,原料复杂,高性能混凝土的配合比设计应充分考虑客运专线混凝土矿物掺合料掺量大和采用聚羧酸外加剂的混凝土拌和物特点、骨料等原材料的品质现状,增进对适应泵送工艺要求的混凝土性能参数的考虑,并充分考虑实际机械、设备能力和控制水平及难度,才更有利于保证客运专线耐久性混凝土的施工质量。
