摘 要:通过凉水河特大桥下部结构高性能混凝土的试验研究,试配出符合设计和施工要求的配合比,提出相应的技术措施,并对掺用两种外加剂的配合比进行综合评价。
关键词:公路桥梁; 高性能混凝土; 配合比
中图分类号:U445147 + 1 文献标识码: B
文章编号: 1004 2954 (2006) 09 0042 04
1 概述
凉水河特大桥是京津城际轨道交通工程的重点和控制工程之一,位于北京市通州区,跨越凉水河、凤港减河、北京六环道路和多条公路干道。
该桥处于化学侵蚀和冻融破坏环境,环境作用等级为H3和D2,设计使用年限为100年,混凝土耐久性要求较高。大桥下部结构(钻孔桩、承台、墩身)混凝土强度等级为C30,采用泵送工艺。根据《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建设[ 2005 ] 157号)和《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》(铁建设[ 2005 ]160号)确定混凝土各项技术指标见表1。根据前期有关研究成果,并经过大量的现场试验,试配出了符合设计和施工要求的高性能混凝土。
2 配合比设计
2．1 计算
混凝土胶凝材料总量采用350、370、390 kg/m3 3种用量,砂率依次采用44%、42%、40%3个百分率,粉煤灰、矿渣采用占胶凝材料总量的20% + 20%、25%+ 15%、15% + 25%取代量,水胶比确定为0．40,外加剂掺量占胶凝材料的1% ,计算出理论配合比见表2。
2．2 试拌
经过试拌,选取基准配合比见表3。
2．3 基准配合比调试
采用表2的配合比,用检验合格的3家水泥、3家粉煤灰、2家矿渣粉、2家砂、2家碎石、3家减水剂,进行了200多组混凝土试拌,并选取了和易性较好的配合比做了抗压强度、含气量、抗渗、抗冻、电通量试验。
2．4 配合比优化
采用正交设计,认真分析影响混凝土性能的各种因素,并比较和易性、强度、坍落度、扩展度、含气量、电通量、抗冻、抗渗、抗裂等性能。从而选定了符合要求的2个混凝土配合比。1个是掺聚羧酸外加剂的配合比, 1个是掺萘系外加剂的配合比。
3 检测合格的各种原材料性能指标
3．1 水泥
检测合格的水泥有河北鹿泉鼎鑫水泥厂的P．O42．5水泥、唐山冀东水泥厂的P．O 42．5水泥、天津振兴水泥厂的P．O 42．5水泥。各项指标见表4。
3．2 粉煤灰
检测合格的粉煤灰有天津华鹏建材的Ⅰ级粉煤灰、天津第一电厂的Ⅰ级粉煤灰、天津盘电的Ⅰ级粉煤灰。各项指标见表5。
3．3 矿粉
检测合格的矿粉有天津华鹏建材的S95级矿粉、唐山鼎华的S95级矿粉。各项指标见表6。
3．4 砂
检测合格的砂有河北遵化河砂、河北新乐河砂。各项指标见表7。
3．5 碎石
检测合格的碎石有天津蓟县5 ～31．5 mm碎石、河北三河5～31．5 mm碎石。各项指标见表8。
3．6 外加剂
检测合格的外加剂有天津雍阳的UNF 5AST聚羧酸外加剂、河北瑞帮UNF 3B萘系外加剂、北京瑞帝斯的FAC 1聚羧酸外加剂。各项指标见表9。
3．7 水
将各个拌和楼拌和混凝土的水均送铁科院铁建所检测,结果合格。试拌混凝土时,用碱含量和氯离子含量都较高的2号拌和楼的水试拌混凝土。理由是如果碱含量和氯离子含量都较高的水试拌的混凝土总碱含量和总氯离子含量不超过标准规定值,碱含量和氯离子含量低的水试拌的混凝土总碱含量和总氯离子更不会超过。拌和用水的各项指标见表10。
4 采取的技术措施
4．1 优选骨料
碱骨料反应(AAR)是导致混凝土耐久性下降的重要原因之一。由于使用的河北遵化砂的碱活性膨胀率为0．10% ,而标准规定值小于0．10%;天津蓟县碎石的碱活性膨胀率为0128%、河北三河碎石的碱活性膨胀率为0．28% ,均超过标准规定值0．10% ,因此,对砂采用快速砂浆棒法、对碎石采用岩石柱法进行检测得知,使用的矿物掺和料对活性骨料具有良好的抑制膨胀作用。
碎石采用3种级配: 5～10 mm、10～20 mm和20～31．5 mm,按照一定的比例掺和使用,使碎石空隙率小于40%;砂采用细度模数2．5～3．0的中砂。碎石和砂的含泥量和泥块含量等指标必须满足要求,凡进厂有超标的要求厂家冲洗合格。通过骨料的优选实现了混凝土内部结构的改善。
4．2 选用优质外加剂
经过试配,发现萘系减水剂虽然提高掺量后减水效果可满足要求,但抗冻、抗渗、抗裂、电通量、坍落度损失等性能无法满足工程100年使用寿命的要求,因此采用了目前最新型的聚羧酸外加剂。经过比较2个配合比及相关性能得出如下结论:
(1)萘系减水剂掺量为2．6% ,聚羧酸减水剂掺量为1．5%,萘系减水剂掺量大于聚羧酸减水剂的掺量;
(2)萘系减水剂混凝土的总碱量、总氯量、抗冻性、抗渗性、电通量、抗裂性等指标均没有聚羧酸减水剂混凝土的好,聚羧酸减水剂混凝土可以3 h坍落度不损失,而萘系减水剂混凝土最多可保留1 h;(4)在满足高性能混凝土要求的前提下,掺聚羧酸减水剂的混凝土优于掺萘系减水剂的混凝土,但两者价格相当。
4．3 尽可能降低水泥用量和水胶比
由于水泥水化放热是混凝土开裂的重要原因,在保证强度的前提下,尽可能降低水泥用量,提高粉煤灰和矿粉用量来降低水泥的水化热。矿物掺和料的使用降低了混凝土水化温升,改善工作性,增进后期强度,并改善混凝土的内部结构,提高了耐久性能。通过使用高减水率的聚羧酸外加剂尽可能降低水胶比、并要求聚羧酸外加剂的引气量能满足混凝土密实的要求,从而提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。
4．4 选用优质的矿物掺和料
采用Ⅰ级粉煤灰和S95级的矿粉,并且在铁科院铁建所检测合格的粉煤灰和矿粉中选取碱含量和氯离子含量较低粉煤灰和矿粉。
5 配合比
通过比较混凝土的和易性、坍落度损失、泌水情况、含气量试件的电通量、抗冻性、抗裂性、抗压强度以及混凝土的总碱含量和总氯离子含量,选定的2个配合比及各项性能指标如下:
(1)掺聚羧酸外加剂的混凝土配合比及各项指标见表11。
(2)掺萘系外加剂的混凝土配合比及各项指标见表12。
两个配合比所用的材料为河北鹿泉鼎鑫水泥厂的P. O42．水泥、天津华鹏建材的Ⅰ级粉煤灰、天津华鹏建材的S95级矿粉、河北遵化河砂、天津蓟县5～31．５mm碎石、天津雍阳的UNF 5AST聚羧酸外加剂、河北瑞帮UNF 3B萘系外加剂。
6 工程应用情况
6.1现场使用情况
掺萘系外加剂的混凝土现场反映由于外加剂掺量大,对掺量很敏感;稍微提高掺量混凝土就发黄,外观不太好看,并有轻微泌水现象;含气量为5．%左右。聚羧酸外加剂的混凝土,即使加过量水也不泌水,除了由于砂、石的级配不合理造成几次堵泵外混凝土和易性一直良好;含气量为5．左右。监理评价墩身的外观也比掺萘系外加剂的混凝土的外观光滑、美观。
6．２施工试件的耐久性指标
现场施工取样的混凝土试件每2 000m3 送检1次电通量和抗冻试验,结果可知掺聚羧酸外加剂的混凝土比掺萘系外加剂的混凝土好。有一次同一天送样结果为:掺萘系外加剂的电通量为96．C, 56 d300次快速冻融重量损失率为3．% ,相对动弹模量为75% ,掺聚羧酸外加剂的电通量为769 C, 56 d300次快速冻融重量损失率为0．% ,相对动弹模量为98%．
7 结语
为提高混凝土结构的耐久性,人们越来越注重采用高性能混凝土。当前,阻碍高性能混凝土广泛应用的主要原因是费用比较。由于原材料中的超塑化剂和超细磨的细掺料价格较高,加上质量控制要求较严格也会增加一些费用,使高性能混凝土比常规混凝土的单价稍高,因此往往不易被用户接受。其实混凝土材料费用在工程总价中所占的比例是很小的。通过凉水河特大桥下部结构高性能混凝土的试验研究,笔者认为,高性能混凝土的性能优良,且增加的投资有限;从提高结构的安全性、耐久性和减少维修成本出发,高性能混凝土应该在铁路工程中得到普及使用。
参考文献:
[1 ] 铁建设[2005 ]157号,铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定[S].
[2 ] 铁建设[ 2005 ]160 号,铁路混凝土工程施工质量验收补充标准[S].
