摘 要:结合石太铁路客运专线Z9标段所处的地理环境,以满足高性能混凝土耐久性指标为前提,同时考虑高性能混凝土的经济性,对当地原材料进行科学合理的筛选,通过几次对不同外加剂,不同水泥以及不同粉煤灰掺量的对比试验,逐步优化配合比,在达到相同工作性能和力学性能的条件下,取得好的经济效益,为客运专线高性能混凝土的应用与探索提供了一定经验。
关键词:石太客运专线; 高性能混凝土; 耐久性; 配合比
中图分类号:U21411 + 8 文献标识码:A
文章编号: 1004 - 2954 (2007) 04 - 0098 - 05
1 概述
石太铁路客运专线工程设计标准新,技术含量高,质量要求严。桥隧工程要求“零缺陷”,主要承重结构要求确保100年使用寿命,其设计施工代表了我国目前混凝土施工的较高水平。为保证混凝土结构的耐久性,工程采用以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性技术方案。然而,目前我国混凝土超长寿命服役的相关技术规范,高性能混凝土的设计、生产、施工技术在工程中的应用方面尚在研究阶段,因此结合石太客运专线Z9标段工程的具体需要,实践并探索混凝土结构耐久性策略和高性能混凝土的应用技术显得极为迫切和重要。
2 高性能混凝土结构耐久性设计
高性能混凝土是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上,采用现代混凝土技术制作的混凝土,是以耐久性作为设计的主要指标,针对不同用途的要求,对下列性能有重点地加以保证:耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。
我公司承建的石太铁路客运专线Z9标段位于山西省太原市阳曲县境内,混凝土所处环境为二级碳化环境( T2)和三级冻融破坏环境(D3) ,混凝土要求具有良好的抗裂性、护筋性、耐蚀性、耐磨性及抗碱集料反应性等耐久性能。混凝土的设计强度等级根据不同部位采用C15～C50。影响混凝土结构耐久性的首要因素是混凝土的氯离子(Cl- )渗透速度和混凝土抗冻融破坏能力。规范对不同强度等级混凝土的电通量和抗冻等级的具体指标要求见表1。
3 高性能混凝土配合比设计(图1 )
高性能混凝土配合比设计是一个复杂的过程,没有统一的条条框框。选择合适的原材料,优化配合比参数,或是根据合理的性能- 配比参数关系模型,有目的地进行少量的试配,然后由试配结果使关系模型中的参数具体化,便是高性能混凝土配合比设计的合理途径。
混凝土是由各种形状和大小的集料颗粒和水泥浆凝结硬化而成的水泥石所组成的,可以把它看作是水泥石与粗细集料组成的复合材料。因此,混凝土的强度、耐久性主要取决于水泥石的强度与耐久性、集料的强度以及水泥石与集料之间的粘结强度与耐久性。选择合适的原材料、优化配比参数,以提高这三者强度、耐久性和混凝土的工作性是高性能混凝土配合比设计的关键。
3．1 正确选择原材料
高性能混凝土必须同时具有好的施工性能,满足结构设计的物理力学性能和优异的耐久性。因而其混凝土组成体系的多元化是必然的,这种多元化研究体系使得正确选择原材料尤其重要。
3．1．1 胶凝材料的选择
(1)水泥:除水泥的强度等级外,水泥矿物组成和细度都对高性能混凝土的性能有影响。高性能混凝土对水泥还增加了如下要求:细度≤10．0%,游离氧化钙含量≤1．0% ,碱含量≤0．8% ,熟料中的C3A 含量≤8% , Cl- 含量≤0．1%。高细度水泥早期强度增长很快,但后期强度很少增加,而且水化热大,容易形成温度裂缝。所以,在选择水泥时不仅要求满足国家标准的相关规定,还要求水泥细度不宜过细,早期强度不宜过高。高性能混凝土为确保其高流动性、高强度、高耐久性,水泥还必须与所用高效减水剂相容性好,使混凝土拌和物在满足工作性条件下用水量尽可能地低,坍落度损失小。石太铁路客运专线选择的狮头水泥和智海水泥均满足以上要求,并且在使用过程中不断和水泥厂进行沟通,控制水泥的各项相关指标。
(2)掺和料:普通硅酸盐水泥混凝土很难满足高性能混凝土的综合性能要求。因为硅酸盐水泥的混凝土早期水化热较大,混凝土坍落度损失大、抗侵蚀性能差。而掺和料对混凝土工作性、力学性能及混凝土内部组成、结构的改善,大大提高了混凝土的耐久性,克服了硅酸盐水泥混凝土存在的许多潜在的及现实的问题,因而这类能显著改善混凝土耐久性和工作性的活性矿物掺和料是配制高性能混凝土必不可少的组分。
我单位承建的石太铁路客运专线Z9标段地处山西省太原市地段,附近有太原一电厂、二电厂,粉煤灰产量充足且质量稳定,因此选择太原一电厂一级粉煤灰为混凝土中的矿物掺和料,且技术性能指标做如下要求: 细度≤20．0%, Cl- 含量≤0．02% , 需水量比≤105, 烧失量≤ 5．0%, 含水量≤ 1．0% , SO3 含量≤3%。
3．1．2 外加剂的选用
配制高性能混凝土的关键之一是选择与水泥相容性好的外加剂。外加剂与水泥的适应性较好时表现为:新拌混凝土工作性能得到明显的改善;根据需要能有效控制混凝土凝结时间;坍落度损失小;混凝土密实性好;各龄期强度有较大的提高;混凝土各耐久性指标有较大提高。在选择外加剂时注意了以下几方面的问题:第一是要求有高的减水率,减水率要求≥20%;第二是要求具有控制坍落度损失功能;第三是要求加入混凝土中后有好的和易性;第四是掺量适宜,因为减水剂用量过大会导致混凝土过度缓凝或离析等问题出现。经大量反复试验,决定选用河北铁圆高效减水剂和北京建恺高效减水剂两种外加剂。
3．1．3 对集料的要求
与普通混凝土相比,高性能混凝土强度高,用水较少,集料的性能对混凝土的强度、工作性等起到及其重要的作用。在选择集料时,对集料的表观密度、吸水率等指标做了相应要求。并且依据高性能混凝土的设计理念,尽量选用粒径小的集料。因为如果选择大粒径的碎石,混凝土浇筑时钢筋通过性就差,造成混凝土浇筑质量不匀,钢筋下方形成缝隙,并在保护层外表面沿水平钢筋或箍筋的下方位置出现裂缝,这些均对混凝土的耐久性非常不利。因此,桩基、承台、墩身等下部结构虽然根据钢筋间距和混凝土尺寸可以选择最大粒径为40 mm的碎石,但依然选择了5～31．5 mm的碎石作为混凝土粗集料,对混凝土的工作性和耐久性均有利。
3．2 确定合理的配合比参数
(1)水胶比
为保证高性能混凝土的耐久性,铁建设[ 2005 ]160号《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》中规定了混凝土最大水胶比和最小胶凝材料用量的限值。
在以往按强度设计的混凝土配合比设计方法中,首先是按混凝土强度等级计算水灰比。而现在按耐久性要求的设计方法中,首先要根据环境作用等级(二级碳化环境和三级冻融破坏环境)选择水胶比。过大的水胶比特别不利于使用矿物掺合料混凝土的内部微结构发展,同时影响混凝土的耐久性与强度。与硅酸盐水泥相比,尤其是粉煤灰对水胶比更为敏感。只有在低水胶比(如小于0．4或0．42)的前提下,粉煤灰的作用才能得以充分发挥。并且经试验证明,当水胶比小于0．4以下时,水胶比的少许降低会使混凝土强度有较大的提高。这是因为尽管水泥水化不完全,但较低的
水胶比能够降低混凝土的孔隙率并减少孔隙尺寸,而未水化的水泥颗粒则作为一种坚强的细微集料发挥其作用。因此在设计配合比时,考虑以上综合因素,选择了较低的水胶比。例如C30混凝土选择014水胶比作为基准配合比的水胶比。
(2)单位用水量的选择
对于普通混凝土,单位用水量可根据坍落度、集料最大粒径和集料类型进行确定。而高性能混凝土由于掺入高效减水剂,坍落度的大小在很大程度上可通过高效减水剂的性质和掺量来控制,此外,用于配制高性能混凝土的集料其最大粒径波动范围很小,对用水量的影响并不大,同时矿物掺合料的加入也将影响坍落度一定时的用水量。因此,将拌和水的最大用量作为控制混凝土耐久性质量的一项重要指标。在高性能混凝土中,减少浆体量,增加骨料所占的比例,又是提高混凝土抗渗性或抗氯离子扩散性的重要手段。如果控制拌和水用量,则可同时控制浆体用量,就可以从多个方面体现耐久性的需要。在配合比设计中,选择155～160 kg/m3 的用水量,并且同时选择具有良好级配和粒形的粗骨料,尽可能降低骨料中的含泥量,采用优质外加剂和低需水量的矿物掺和料,降低混凝土拌和料的温度,以保证低用水量的实施。
(3)骨料级配及砂率的确定
混凝土要实现耐久性,其主要途径是使混凝土密实。在高性能混凝土配合比设计过程中,调整集料的级配使得不同粒径集料可以互相填充,能将骨料空隙减小,并测定不同砂率下集料颗粒堆积物的空隙含量,找到空隙率最小时的砂率。通过降低骨料空隙量,利用粉煤灰的润滑技术, 把混凝土最主要的劣化成分———水泥浆量尽可能降至最少,使得可透水的毛细孔隙降至最低,改变水泥浆体的空间网络。并给予混凝土致密化,同时改善骨材界面的密实性,降低了混凝土渗透性,提升了混凝土晚期强度和放蚀耐久性能。
同时考虑混凝土的工作性,选择合理的粗集料级配和砂率,以满足混凝土施工需要。
(4)粉煤灰掺量的选择
粉煤灰在混凝土中可以填充比水泥颗粒还小的空隙,起到润滑、填充的作用。但粉煤灰早期强度低,对有早期强度要求的结构物掺量不宜高。在《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》中规定,对于预应力混凝土和有抗冻要求的混凝土粉煤灰产量不宜大于30%。在设计配合比时,对于不同部位的混凝土,选择不同的粉煤灰掺量进行试配,并且同一种配合比也采用不同的掺量( 15%、20%、25%、28%)进行试配,通过试验结果确定粉煤灰掺量。
4 高性能混凝土现场应用
4．1 高性能混凝土施工工艺要点
高性能混凝土施工工艺必须解决的主要问题是拌和物的高粘性与坍落度损失。由于这种新型混凝土胶凝材料用量大,水胶比又小,使混凝土粘性大,流动慢,因而采用了自动电子计量1000型搅拌机、罐车运输和泵送工艺这种高度工业化控制的生产体系,以保证生产出匀质性好、质量稳定的产品。高性能混凝土由于加入了粉煤灰和外加剂,在拌制混凝土时适当延长搅拌时间,以改善混凝土的流动性和减小混凝土泌水,减小混凝土强度值的离散性。拌和好的混凝土如果经检验坍落度或扩展度不够,不是加水而是适当增加减水剂掺量,这样既保证了混凝土拌和物性能,又保证了混凝土的强度。
(1)混凝土拌和物含气量
石太铁路客运专线Z9标段位于山西省太原市阳曲县境内,最冷月平均气温为- 7．9 ℃,混凝土处于三级冻融破坏环境。桩基和承台等地下工程要求含气量≥2．0% ,墩身以上上部结构要求含气量≥5．0%。而引气是提高混凝土抗冻能力的最有效手段。混凝土引气主要是通过外加剂中的引气剂来满足的,但混凝土含气量越大,混凝土强度损失也越大。
混凝土含气量除与外加剂的成分和引气效果有关外,还与混凝土原材料、混凝土温度、拌和用水量、搅拌时间、振捣时间均有关系。水泥细度大,含碱量高,混凝土含气量均减小;混凝土温度高,含气量损失快;拌和用水量增大,混凝土含气量也会增大,水的硬度大则相同掺量时混凝土含气量变小;混凝土搅拌时间过长或不足都会使混凝土含气量减小。另外,混凝土含气量减小同时会导致混凝土密度增大,体积缩小,反馈到现场就是混凝土亏方。因此,在混凝土施工过程中,控制原材料和混凝土搅拌过程,严格控制混凝土的含气量满足要求,但不宜过大。
(2)混凝土泌水
混凝土的泌水会使其组成材料发生离析和在粗骨料颗粒下方形成水囊,造成水胶比不均匀,其结果是混凝土抗拉强度下降,耐久性降低。在施工过程中,发现混凝土有泌水现象,分析其原因: ①水泥温度高,并且经对水泥厂的调查发现,造成混凝土泌水的原因是因为水泥在生产过程中熟料的温度均偏高; ②水泥和外加剂的适应性差。水泥在生产过程中调整生产工艺和添加料的成分,这方面沟通不够,没能及时和外加剂生产厂家沟通,致使外加剂和水泥的适应性不好; ③砂中大于10 mm颗粒偏多,使混凝土和易性差,也是造成混凝土泌水的一个因素; ④混凝土搅拌时间短,适当延长混凝土搅拌时间,使混凝土充分拌和均匀,是解决混凝土泌水的一方面。针对以上分析的原因,在施工过程中及时采取相应措施,使混凝土尽量减少泌水现象。
(3)拌和物和易性
影响混凝土拌和物和易性的因素主要有:胶凝材料浆的数量及稠度;骨料的影响和外加剂的影响。在水胶比一定的前提下,单位体积拌和物内胶凝材料越多,拌和物流动性越大。但胶凝材料过多,拌和物过粘,强度与耐久性都会变差;胶凝材料过少,不能完全包裹骨料表面,拌和物会产生崩塌。水胶比小,胶凝材料浆液就稠,拌和物流动性小。水胶比过小则拌和物失去流动性,甚至粘聚性很差,影响硬化混凝土的密实性和强度。水胶比太大,拌和物粘聚性和保水性变差,产生泌水、离析现象,直接导致硬化混凝土强度降低,耐久性变差。因此,在混凝土施工过程中,严格执行设计配合比的水胶比,除了满足强度要求外,同时使混凝土具有良好的和易性。另外,还通过改善砂石料的级配和砂率,调整拌和物的和易性。
高性能混凝土的许多特性是相互关联的,改变其中一个常牵扯到一个或多个其他特性发生变化。因此,在施工过程中必须保证混凝土的若干特性同时满足。高性能混凝土的工作性包括充填性、可泵性和稳定性,即抗离析和抗泌水性。高性能混凝土不但只有高流动性,也有良好的充填性,即拌和物通过钢筋间距流到模板各角落不被堵塞且均匀填充的性质。
4．2 混凝土耐久性指标测试
(1)强度
对于高性能混凝土,提高强度比较容易,而耐久性则亟待改善。混凝土的早期强度越高,混凝土早期开裂的可能性就越大,不利于混凝土的耐久性能。掺加粉煤灰后,混凝土的早期强度增长速度有所放慢,对保证混凝土的耐久性能有利。所以《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》中规定,除预应力混凝土、蒸汽养护混凝土和喷射混凝土试件试验龄期为28 d外,其余混凝土试件的试验龄期均为56 d。现场灌注桩基混凝土56 d标准养护试件强度均在45MPa左右。
(2)高性能混凝土的密实性
高性能混凝土水胶比很低,胶凝材料总含量较高,因而具有很低的渗透性或称高密实性,即耐久性很好。经试验得出,混凝土水胶比越大,氯离子扩散系数也随之增大,使混凝土密实性降低。并且,粉煤灰掺量越大,氯离子扩散系数越小,混凝土耐久性就越好。在《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》中规定,同一配合比、同施工工艺的混凝土每2万m3 混凝土检测1次混凝土电通量,现场施工的混凝土电通量反馈数据为1 267 C,满足要求。
5 混凝土配合比设计及使用优化过程中的经济分析
在配合比设计和混凝土施工的整个过程中,降低混凝土成本是不容忽视的一个重要因素。由于各个水泥厂生产的水泥在组成、细度、碱含量等方面有所不同,因此水泥与外加剂之间的适应性存在较大的差异。选用不同厂家的水泥和不同厂家的外加剂配制相同性能的混凝土,所需要的水泥用量、外加剂用量及外加剂品种必然不同,混凝土的配合比也就有所不同,从而使得混凝土的材料成本存在很大得差异。
在设计配合比时,首先将2种水泥和2种外加剂按同一配合比进行试验,找出2种水泥配制的混凝土在强度和工作性能上的区别,再根据这些试验结果调整混凝土中水泥、外加剂用量,使混凝土的各项性能达到设计要求,即:对坍落度和坍落度保留值偏低的混凝土,增加外加剂的用量;对强度偏低的混凝土,增加其中的水泥用量。在保证新拌混凝土工作性和硬化混凝土强度、耐久性指标达到设计等级要求的基础上,比较各个配合比的混凝土综合成本,从而达到通过优化配合比设计,降低混凝土成本的目的。
首先将2种外加剂按同一配合比进行试验,找出2种外加剂配制的混凝土在性能上的差别,这个配合比成为基础配合比。C30 桩基混凝土基础配合比见表2。
2种外加剂配制的混凝土性能见表3。
注: 04 - 1试用铁圆外加剂, 04 - 2试用建恺外加剂。从2组混凝土性能的试验结果发现,在相同配合比下, 2种外加剂配制的混凝土的各项性能指标均能满足要求,但建恺外加剂配制的混凝土坍落度大,强度较高,适当减少外加剂的掺量和用水量,重新配制混凝土,以期配制相同的混凝土坍落度和相同的混凝土强度等级,调整后的混凝土性能见表4。
通过以上调整, 2种外加剂配制的C30桩基混凝土配合比的工作性能和耐久性指标基本保持一致。混凝土配合比和成本分析结果见表5。
在满足相同性能的前提下,比较2组混凝土的材料成本,用建恺外加剂配制的混凝土的价格和用铁圆外加剂配制的混凝土相比每m3 材料价格低618元。
按照04 - 2 (09)确定的混凝土配合比作为基础配合比,配制2种水泥的混凝土,其混凝土性能见表6。
注: 09 - 1试用狮头水泥, 09 - 2试用智海水泥从2组混凝土性能的试验结果发现:在相同配合比下,智海水泥配制的混凝土坍落度稍大,强度偏低。调整配合比中水胶比,重新配制混凝土,以期配制相同的混凝土坍落度和相同的混凝土强度等级,调整后的混凝土性能见表7。
通过以上调整, 2种水泥配制的C30桩基混凝土配合比的工作性能和耐久性指标基本保持一致。混凝土配合比和成本分析结果表8。
在满足相同性能的前提下,比较2组混凝土的材料成本,用狮头水泥配制的混凝土的价格比用智海配制的混凝土相比每m3 材料价格高816元。
用智海水泥配制的混凝土配合比虽然各项性能指标满足要求,但强度偏高,说明粉煤灰掺量还可以加大,水胶比也可以调整,见表9。
通过以上调整,混凝土配合比各项性能指标均满足规范要求,且电通量降低,混凝土耐久性得到改善,混凝土配合比和成本分析结果见表10。
通过几次对不同外加剂和不同水泥以及不同粉煤灰掺量的对比试验,逐步优化配合比,在达到相同工作性能和力学性能的条件下,桩基C30混凝土每m3 成本(材料价格)从起初的192．8元降到170．7元,提高了经济效益。
6 结论
(1)通过石太铁路客运专线Z9标段高性能混凝土的实践与总结可知,高效减水剂、超细粉煤灰的掺量、每m3 用水量的调整等因素是影响高性能混凝土耐久性与工作性的主要因素,合理选择各项原材料。并确定其掺量是保证高性能混凝土力学性能和工作性能的重要途径。
(2)通过有针对性的多次试配,在达到相同工作性能和力学性能的条件下,混凝土的单方成本可以优化到最接近合理价格。
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