高鐵客運專線高性能混凝土配合比設計及施工常見問題的解決措施

吳剛　孫樹

江蘇博特新材料有限公司，江蘇南京  210008

引言

    隨著國務院批準《中長期鐵路網規劃》和2005年起武廣、鄭西、石太、京津、合寧、武合、甬臺溫等高鐵客運專線相繼開工，中國大規模建設高速鐵路的序幕已經拉開。客運專線高性能混凝土是在混凝土技術發展到一定水平，高性能混凝土技術在國內如青藏鐵路、杭州灣跨海大橋、東海大橋等重大工程中成功應用，耐久性理念得到提升的背景下發展的，應積極更新觀念，全面認識和掌握客運專線高性能混凝土技術，以適應不同環境下高耐久性要求的客運專線混凝土施工。

1、客運專線高性能混凝土技術要求的特點

    (1)原材料品質要求比現行行業標準有所提高，對處于不同環境的混凝土分別有抗氯離子滲透性、抗凍性、耐蝕性、抗堿一骨料反應性等多種耐久性要求。

    (2)礦物摻合料和聚羧酸外加劑的使用已納入技術標準要求，國內外混凝土科研技術成果得以大規模應用實踐，對施工工藝和設備、混凝土的澆筑和養護提出了考驗。

    (3)施工點多，環境、原材料品質差異大，聚羧酸系外加劑的應用控制技術要求高，對適應具體環境施工的混凝土配合比設計技術水平提出了較高的要求。

2、客運專線高性能混凝土配合比設計方法

　　2.1不同施工環境下耐久性要求有所不同，但配合比設計的差異性不大

    (1)不同環境條件下的混凝土耐久性要求和通常采取的技術措施，見表l。

    (2)混凝土配合比設計的差異性不同環境條件下混凝土的耐久性指標要求高低有所差異，對原材料的品質要求提高，采用摻人大摻量礦物摻合料和高性能減水劑、降低混凝土水膠比、對含氣量要求提高等措施可以滿足抗氯離子滲透性、抗凍性、耐蝕性、抗堿一骨料反應性等多種耐久性要求，采取的技術措施基本上是一致的，設計時一些組分的摻量雖稍有不同，但總體差異性不大。

　　2.2為滿足耐久性要求，一般應采用”大摻量礦物摻合料高性能減水劑的基本技術路線進行配合比設計大摻量礦物摻合料的使用和通過高性能減水劑降低混凝土水膠比為滿足混凝土耐久性提供了必要的技術保證。

　　由于材料來源的限制，大摻量礦物摻合料可能是粉煤灰和礦粉中的一種單摻或兩種復摻。

    聚羧酸類高性能減水劑因適應大摻量礦物摻合料的使用、并具有較大的減水性能等優點，在客運專線高性能混凝土中得到大量使用。

　　2.3客運專線混凝土屬于高性能混凝土的范疇，應遵循高性能混凝土配合比設計原理和方法進行設計高性能混凝土配合比參數主要有水膠比、砂石比和高效減水劑用量等，這些參數相互制約共同影響混凝土的性能。

    滿足混凝土耐久性要求水膠比低，保證高流動性需要較大的漿集比和砂率，而減小粗集料用量卻影響混凝土的彈性模量、增加干縮和徐變，高性能混凝土的配合比設計應正確選擇原材料和配合比參數，使其中的矛盾得到統一，使混凝土拌和物經濟、合理。

    客運專線高性能混凝土的配合比應遵循混凝土密實體積法則，按照絕對體積法進行設計，即塑性狀態混凝土總體積為水、膠凝材料、骨料、外加劑、氣體含量的密實體積之和。

3、客運專線C30灌注樁高性能混凝土配合比設計特征參數的選擇

　　3.1水膠比

    為達到混凝土的低滲透性，應保證混凝土的密實，以滿足電通量、抗凍性等耐久性指標要求，混凝土水膠比一般不應大于0.40。對于客運專線C30灌注樁混凝土，水膠比通常選擇0.36～O.42，選擇合適的礦物摻和料摻量，可以滿足混凝土56d電通量低于1500C～2000C。

　　3.2礦物摻和料摻量

    為改善施工和抗裂性能，有效改善抗氯鹽侵蝕、防止堿骨料反應、抗硫酸鹽侵蝕等耐久性能，混凝土中摻入粉煤灰和磨細礦粉是常用的技術措施。

    對于客運專線C30灌注樁高性能混凝土，根據所采用的水泥品種，通常單摻粉煤灰摻量可選擇25％～30％，單摻磨細礦粉摻量可選擇30％～50％，因二者密度均比水泥小，等量取代水泥可以獲得漿體體積增加，有利于提高漿集比、改善混凝土工作性。

　　3.3砂率和微粉含量

    膠凝材料用量一定時，影響工作性的主要參數是砂率和含氣量，滿足流動性的砂漿量將通過提高砂率和含氣量來實現。砂率的選擇通常按照粗骨料密實堆積下的空隙率確定，如骨料級配差、空隙率大會造成填充空隙的細骨料用量過大，進而造成填充空隙和包裹骨料的膠凝材料用量的增加。

    為防止離析、沉底、泌漿等造成堵管，應保證細骨料中通過0.315mm篩的微粉含量(不宜少于l0％)，粗骨料粒徑越小，微粉含量應越高。

　　3.4含氣量

    客運專線灌注樁混凝土比以往的灌注樁混凝土單位用水量降低l0kg/m3～25 kg/m3，填充空隙和包裹骨料的漿體體積將減少0.Olm，0.02m3，折合膠凝材料用量相當于減少30 L9/m3～60 k9/m3，為改善聚羧酸系外加劑不適合低膠凝材料用量混凝土的施工的缺點，改善灌注樁高性能混凝土的施工性能，應適當提高混凝土的含氣量，既彌補漿體體積量的缺失，又改善細骨料中因細顆粒含量過低而引起的混凝土和易性不良，改善灌筑性能。

　　3.5 C30灌注樁高性能混凝土配合比特征參數建議值

    如粗骨料級配良好，細骨料中細顆粒含量合適，水泥相容性良好，采用聚羧酸外加劑配制的56 d電通量指標1 500 C的客運專線C30灌注樁高性能混凝土，建議按表2進行配合比設計的特征參數選擇：

4、客運專線C50箱梁高性能混凝土配合比的設計特征參數的選擇

　　4.1水膠比

　　一般C50級箱梁選擇水膠比為0.30～0.32。由于要求3d。5d張拉鋼筋的強度要求，加上礦渣粉和Fa的摻加，還有電通量的要求，水膠比控制在0.30—0.32是合適的。

　　4.2含氣量《高鐵技術規程》中要求混凝土含氣量控制在2.5％～3.5％，含氣太少時，混凝土粘性大，不易泵送施工，控制在3.O％～3.5％較合適。

　　4.3砂率

    C50級混凝土，膠結材相對較高，砂率可選擇在38％～42％之間，一般情況選擇40％是合適的。

　　4.4京津線C50箱梁高性能混凝土配合比如表3。

5、混凝土施工中常見問題的原因分析和解決措施

　　5.1混凝土施工中的常見問題

    在京津、武合、武廣、鄭西、甬溫等客運專線若干施工現場，施工單位普遍反映目前的C30灌注樁高性能混凝土控制和施工難度較大，拌和物施工性能波動大，容易出現離析、細骨料下沉、粘罐、含氣量過大或過小等問題，控制不好容易造成堵管、斷樁情況的發生。C50箱梁高性能混凝土粘性大，對水用量敏感，水稍微多加，混凝土容易出現離析、細骨料下沉、粘罐。

　　5.2原因分析

　　5.2.因選材、配合比設計和試驗時對高性能混凝土和聚羧酸外加劑性能的認識存在不足，導致設計的配合比存在一定的不合理性

    (1)高性能混凝土的配合比設計在最大密實度理論基礎上，應考慮骨料的比表面積對多余起潤滑作用的漿體數量的影響，即填滿骨料密實堆積時的空隙外使新拌混凝土具有工作度的漿體數量應合適。

    (2)受環境的制約，骨料性能未必都能符合標準要求，配合比設計應根據粗細骨料的表面狀態、細骨料顆粒組成、粗骨料級配狀況、外加劑與膠凝材料的相容性情況綜合考慮經過試配確定漿體的流動性最佳實現途徑。

    ①應根據高性能混凝土和聚羧酸外加劑的特點，采用  增加漿體體積量、降低聚羧酸外加劑對用水敏感性的辦法進行調整，實現混凝土的流動性。

    ②單方面增加外加劑的用量可以獲得漿體流動性增加，但在聚羧酸外加劑過量時混凝土極易發生離析、骨料下沉、漿體與骨料分離、摩擦阻力增加、泌水等現象，降低用水量雖然可使混凝土拌和物性能暫時得到改善，但施工中混凝土拌和用水量失控和外加劑摻量過大引起對用水量敏感性的增加，極易導致混凝土過于粘稠和嚴重離析的現象發生，出現施工問題。

    ③應根據骨料的空隙率和砂中細顆粒含量調整砂率，如細顆粒偏少，可調整增加膠凝材料用量、適度調整外加劑增大含氣量；如細顆粒偏多，也應調整增加膠凝材料用量、適當減少砂的用量。

　　5.2.2因施工用材料與設計時材料來源發生改變，配合比未進行必要的調整

    如粉煤灰品種更換使Ca0含量、燒失量、需水比發生較  大改變，因對含氣量、單位用水量、外加劑用量等參數影響較大，應重新進行配合比的設計。

　　5.2.3因原材料品質波動導致混凝土施工性能的改變

    我國地域遼闊，工程材料使用量大，原材料質量難于穩定，容易出現品質波動。習慣認為水泥和外加劑品質的波動是引起拌和物性能改變的主要因素，但實際上，對于低膠凝材料用量的客運專線灌注樁高性能混凝土，骨料品質的波動確是不應忽視的一個重要因素。

　　5.2.4未根據拌和樓試拌效果作必要的調整，不重視拌和樓對用水量的控制水平

    由于試驗室與拌和樓存在一定的差異，試驗室配合比，尤其是高性能混凝土，必須結合拌和樓的設備能力和生產試拌及對骨料含水率的控制水平進行必要的合理調整，混凝土配合比應結合實際設備的誤差范圍和拌和樓對骨料含水的控制水平進行合理設計。

　　5.3解決措施

    (1)配合比設計階段，應結合聚羧酸外加劑特點，根據高性能混凝土配合比設計方法進行設計、試拌。

    (2)混凝土施工過程中，因材料批次發生改變、生產控制不當而出現拌合物性能改變，應及時進行調整。

    建議在骨料堆場搭設遮雨棚，施工時為減少骨料含水率的波動，應增加對骨料的翻拌次數，增加勻質性，削弱骨料含水率的波動、降低控制難度。

    (3)增加膠凝材料與外加劑相容性、細骨料顆粒級配、骨料含水率的測試頻次，必要時應增加含氣量的測試、驗算配合比漿體體積量，根據測試結果及時采取調整措施。施工中還應根據氣溫情況，調整適宜的外加劑摻量，防止欠量或過量發生問題。

    (4)拌和樓增加計量系統的建議

考慮外加劑的供應距離、聚羧酸外加劑應用技術的不成熟性和難于穩定的原材料問題，建議施工單位借鑒水利建設行業混凝土拌和樓設備選型經驗，在設備選型或設備改造時考慮增加一套外加劑計量系統，以滿足現場混凝土施工合理調整中一些所需組分如引氣劑、緩凝劑的臨時添加計量，以應付原材料品質波動或現場具體情況所需。 

6、結語

　　6.1客運專線高性能混凝土應用技術需要相關的科研設計、施工應用單位針對不同環境不斷總結出適合中國鐵路  建設特點的高性能混凝土施工經驗，指導實踐。

　　6.2客運專線工程開工建設量大、施工點分散、原料復雜，必須提升高性能混凝土配合比的設計水平，充分考慮大摻量礦物摻合料的高性能混凝土的特征、聚羧酸外加劑的特點、骨料等原材料的品質現狀，并考慮實際機械、設備能力和控制水平及難度，才有利于保證客運專線耐久性混凝土的施工質量。

　　6.3為適應客運專線和鐵路混凝土工程相關標準規范對高性能混凝土的配合比設計中關予膠凝材料用量和外加劑的選擇要求，客運專線灌注樁高性能混凝土往往需要采取適度引氣的技術措施后才可以改善混凝土漿體包裹性能的缺陷、滿足混凝土施工性能和耐久性。

    由于現場實際骨料品質和粉煤灰狀況的差異，為了適應現場特點，造成單一劑種外加劑引氣組份摻量需要加大，雖然可以滿足工程使用要求，但單一劑種進行產品抽樣檢測必然造成含氣量指標過大，導致不合格指標出現，影響產品的供應和使用。

    建議有關標準的編制單位對此引起足夠的重視，可借鑒水利工程建設中減水劑和引氣劑分開添加的作法提出相應的標準修訂辦法，以適應客運專線工程具體環境的混凝土施工。

參考文獻

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【2】孫樹，蘇祖平，歐陽華林．聚羧酸系外加劑在杭州灣跨海大橋工程海工高耐久混凝土中的應用【c】．第一屆全國聚羧酸系高性能減水荊及其應用技術會議論文集，2005．

【3】孫樹，劉小軍，周猛．聚羧酸系外加荊在廣東液化天然氣工程高性能混凝土中的試驗與應用[J]．混凝土與水泥制品。2005(2)．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)