京津城際鐵路預制箱梁高性能混凝土配比設計摘 要:京津城際軌道交通工程雙線預制箱梁要求采用高性能混凝土進行施工,以滿足結構使用壽命100年的目標。結合京津3#梁場的試驗情況,從控制混凝土原材料質量、優化配合比、施工前的相關試驗等方面,介紹高性能混凝土配制情況。關鍵詞:京津城際,預制箱梁,高性能混凝土,配比,設計1 工程概況 京津城際軌道交通工程,連接北京、天津兩大直轄市,是我國第一條最高設計時速達350 km/h的客運專線,設計使用壽命100年。 3號梁場主要負責涼水河特大橋305孔箱梁的預制任務。其中:32m箱梁276孔(342 m3/孔),24m箱梁29孔(266 m3/孔)。混凝土設計強度等級C50,總量約10萬m3。2 箱梁施工對混凝土的要求 強度:制梁臺位上需盡早達到預張拉(設計強度的60%)和初張拉(設計強度的80%),以滿足設計規劃的平均6~7天的預制周期。 施工性能:較高的流動性、填充性和較好的可泵性,以滿足6小時內一次澆筑完成。 耐久性:滿足低滲透性要求,以保證混凝土結構的耐久性。3 高性能混凝土配制思路 鑒于高性能混凝土配制的目標主要為高耐久性、高工作性和強度要求。通過用摻和料取代部分水泥的方法,使得所拌制的混凝土均勻、體積穩定,并具有較好的流動性和可泵性,便于成型,同時達到早期溫升低、硬化過程干縮小,無初始裂紋,滲透性低,以實現提高混凝土的耐久性的目的。4 高性能混凝土的配制方法4.1 原材料選擇 (1)水泥 質量穩定的普通硅酸鹽水泥,并滿足如下控制指標。實際所用水泥主要檢測技術指標如表1。
(2)砂 重點控制其主要質量指標(如含泥量、泥塊含量、云母含量等)外,粒徑上選用細度模量約為3.0的中粗砂,以提高混凝土的施工性能和強度。實際用砂主要檢測指標如表2。 (3)石料 基于級配好、粒形好的碎石有利于在混凝土中與水泥石的界面很好結合,提高密實度、流動性和界面強度,施工實際選用石料為兩級配(10~25 mm∶5~10 mm=75∶25),主要檢測指標如表3。 (4)礦物細摻料 混凝土配制時加入礦物細摻料,可降低混凝土內部溫升,改善混凝土的工作性能,增進混凝土后期強度,同時還可改善混凝土的內部結構,提高混凝土的抗腐蝕能力。混凝土配制時摻入了粉煤灰和磨細礦粉兩種摻和料。實際所用Ⅰ級粉煤灰和磨細礦渣粉的主要檢測技術指標如表4、表5。 (5)高效減水劑 由于減水劑的濃度越高,減水率越大,越易造成混凝土的坍落度損失。在選擇高效減水劑時,重點對硫酸鈉的含量、減水率等方面進行了嚴格控制。4.2 高性能混凝土的配合比設計 (1)配合比的設計原則 ①盡量減少水泥用量,以達到降低混凝土內部溫升,減小混凝土早期收縮,使其具有足夠的彈性模量和體積穩定性。 ②摻入適量礦物摻和料,達到混凝土所需的合理漿集比,以改善混凝土的內部結構和工作性能,增進后期強度,提高抗腐蝕能力。 ③摻用高效減水劑,盡量降低水膠比,以達到在確保混凝土強度的前提下,提高混凝土的施工性能。 (2)配合比設計中綜合考慮的因素 ①在盡量減少水泥用量同時,綜合考慮了箱梁的生產周期要求,以滿足混凝土各個施工階段對強度的要求,從而使制梁臺位盡可能達到合理利用。 ②減水劑的用量方面,設計時一方面調整各摻量以達到混凝土的最佳施工性能,另一方面還需要適當控制其摻入總量,防止坍落度損失太大,影響后期施工。 ③合理調整粗、細集料之間的比例,以克服由于高效減水劑的使用可能會引起混凝土的離析和泌水。 ④由于摻入的減水劑數量很少,試配時適當延長混凝土的攪拌時間,為后期混凝土合理拌制時間的選擇提供依據,使所生產的混凝土更加均勻,施工性能更好。 ⑤礦渣粉的細度越大,其活性越高,不利于混凝土內部溫升的控制。在合理選擇滿足相關技術指標的基礎上,適當控制并調整其摻入量,以充分發揮其活性,減小混凝土沁水。 (3)各項技術指標初定 ①初始坍落度200~220 mm,擴展度大于500mm,混凝土經時損失1小時坍落度不小于180mm,擴展度大于450 mm。 ②混凝土水膠比不大于0.35,水泥用量不大于400 kg/m3,總膠凝材料用量不大于500 kg/m3。 ③混凝土初凝時間:16~18小時。 ④含氣量應控制在2.0~4.0%。 ⑤混凝土長期性和耐久性指標要求抗凍性的耐久性指數200次循環后,重量損失不應超過5%,相對動彈性模量不應低于60%,抗滲性大于P20,混凝土抗氯離子滲透值不大于1000 C。 ⑥混凝土內部最大溫升不超過60℃。5 配合比驗證 (1)配合比在實驗室的驗證 根據上述配合比的設計原則,綜合考慮了各種因素,經過反復試配調整,初步確定基準配合比后,擴展進行相關試配試驗。試驗結果如表6。 實驗結果顯示:1#和3#配比較為理想,但3#配合比較1#配合比較為粘滯,綜合考慮混凝土耐久性、施工性、經濟性和現場施工周期要求等因素,決定采用1#配合比作為基準配比。 通過對1#配合比混凝土進行耐久性試驗,各項技術指標均滿足《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》和《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》的要求。 主要實驗結果見表7。 (2)配合比在現場驗證 混凝土配合比選定之后,預制箱梁正式生產之前,現場選定一制梁臺座,澆筑了截面尺寸與實際預制箱梁一致的2 m“箱梁試驗段”,對所配制的混凝土從主要施工性能、溫度控制等方面,進行了模擬實驗驗證(見圖1)。 在后期的實際施工中,同樣通過不同位置埋設測溫片,進行混凝土內部溫升測定,和對主要施工性能的測定,所配制的混凝土均滿足后期預制箱梁生產所期望達到的要求(圖2)。6 結論和建議 (1)采用選定的各項原材料試配的C50高性能混凝土配比,各項技術指標經檢驗均滿足預制箱梁對混凝土施工工藝和耐久性要求。 (2)通過摻入磨細礦渣粉和粉煤灰,較好地控制了混凝土內部溫升。 (3)磨細礦渣粉需水量小、比表面積大、活性系數高,摻量提高會使混凝土粘滯性提高,對輸送和振搗不利;粉煤灰相對需水量大、比表面積大、活性系數低,摻量提高會使混凝土流動性降低、早期強度降低。配合比設計時必須綜合考慮上述因素,并通過試驗加以確定水泥、磨細礦渣粉和粉煤灰的最佳組合,才可達到理想效果。 (4)高性能混凝土對各種原材料質量的波動較為敏感。現場施工必須加強原材料的進場檢驗和生產混凝土時對原材料準確計量等環節的控制,以保證混凝土滿足施工要求。參考文獻[1]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.9[2]客運專線高性能混凝土暫行技術條件[S].2005.7[3]客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件[S].2005.5
(2)砂 重點控制其主要質量指標(如含泥量、泥塊含量、云母含量等)外,粒徑上選用細度模量約為3.0的中粗砂,以提高混凝土的施工性能和強度。實際用砂主要檢測指標如表2。 (3)石料 基于級配好、粒形好的碎石有利于在混凝土中與水泥石的界面很好結合,提高密實度、流動性和界面強度,施工實際選用石料為兩級配(10~25 mm∶5~10 mm=75∶25),主要檢測指標如表3。 (4)礦物細摻料 混凝土配制時加入礦物細摻料,可降低混凝土內部溫升,改善混凝土的工作性能,增進混凝土后期強度,同時還可改善混凝土的內部結構,提高混凝土的抗腐蝕能力。混凝土配制時摻入了粉煤灰和磨細礦粉兩種摻和料。實際所用Ⅰ級粉煤灰和磨細礦渣粉的主要檢測技術指標如表4、表5。 (5)高效減水劑 由于減水劑的濃度越高,減水率越大,越易造成混凝土的坍落度損失。在選擇高效減水劑時,重點對硫酸鈉的含量、減水率等方面進行了嚴格控制。4.2 高性能混凝土的配合比設計 (1)配合比的設計原則 ①盡量減少水泥用量,以達到降低混凝土內部溫升,減小混凝土早期收縮,使其具有足夠的彈性模量和體積穩定性。 ②摻入適量礦物摻和料,達到混凝土所需的合理漿集比,以改善混凝土的內部結構和工作性能,增進后期強度,提高抗腐蝕能力。 ③摻用高效減水劑,盡量降低水膠比,以達到在確保混凝土強度的前提下,提高混凝土的施工性能。 (2)配合比設計中綜合考慮的因素 ①在盡量減少水泥用量同時,綜合考慮了箱梁的生產周期要求,以滿足混凝土各個施工階段對強度的要求,從而使制梁臺位盡可能達到合理利用。 ②減水劑的用量方面,設計時一方面調整各摻量以達到混凝土的最佳施工性能,另一方面還需要適當控制其摻入總量,防止坍落度損失太大,影響后期施工。 ③合理調整粗、細集料之間的比例,以克服由于高效減水劑的使用可能會引起混凝土的離析和泌水。 ④由于摻入的減水劑數量很少,試配時適當延長混凝土的攪拌時間,為后期混凝土合理拌制時間的選擇提供依據,使所生產的混凝土更加均勻,施工性能更好。 ⑤礦渣粉的細度越大,其活性越高,不利于混凝土內部溫升的控制。在合理選擇滿足相關技術指標的基礎上,適當控制并調整其摻入量,以充分發揮其活性,減小混凝土沁水。 (3)各項技術指標初定 ①初始坍落度200~220 mm,擴展度大于500mm,混凝土經時損失1小時坍落度不小于180mm,擴展度大于450 mm。 ②混凝土水膠比不大于0.35,水泥用量不大于400 kg/m3,總膠凝材料用量不大于500 kg/m3。 ③混凝土初凝時間:16~18小時。 ④含氣量應控制在2.0~4.0%。 ⑤混凝土長期性和耐久性指標要求抗凍性的耐久性指數200次循環后,重量損失不應超過5%,相對動彈性模量不應低于60%,抗滲性大于P20,混凝土抗氯離子滲透值不大于1000 C。 ⑥混凝土內部最大溫升不超過60℃。5 配合比驗證 (1)配合比在實驗室的驗證 根據上述配合比的設計原則,綜合考慮了各種因素,經過反復試配調整,初步確定基準配合比后,擴展進行相關試配試驗。試驗結果如表6。 實驗結果顯示:1#和3#配比較為理想,但3#配合比較1#配合比較為粘滯,綜合考慮混凝土耐久性、施工性、經濟性和現場施工周期要求等因素,決定采用1#配合比作為基準配比。 通過對1#配合比混凝土進行耐久性試驗,各項技術指標均滿足《客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件》和《客運專線高性能混凝土暫行技術條件》的要求。 主要實驗結果見表7。 (2)配合比在現場驗證 混凝土配合比選定之后,預制箱梁正式生產之前,現場選定一制梁臺座,澆筑了截面尺寸與實際預制箱梁一致的2 m“箱梁試驗段”,對所配制的混凝土從主要施工性能、溫度控制等方面,進行了模擬實驗驗證(見圖1)。 在后期的實際施工中,同樣通過不同位置埋設測溫片,進行混凝土內部溫升測定,和對主要施工性能的測定,所配制的混凝土均滿足后期預制箱梁生產所期望達到的要求(圖2)。6 結論和建議 (1)采用選定的各項原材料試配的C50高性能混凝土配比,各項技術指標經檢驗均滿足預制箱梁對混凝土施工工藝和耐久性要求。 (2)通過摻入磨細礦渣粉和粉煤灰,較好地控制了混凝土內部溫升。 (3)磨細礦渣粉需水量小、比表面積大、活性系數高,摻量提高會使混凝土粘滯性提高,對輸送和振搗不利;粉煤灰相對需水量大、比表面積大、活性系數低,摻量提高會使混凝土流動性降低、早期強度降低。配合比設計時必須綜合考慮上述因素,并通過試驗加以確定水泥、磨細礦渣粉和粉煤灰的最佳組合,才可達到理想效果。 (4)高性能混凝土對各種原材料質量的波動較為敏感。現場施工必須加強原材料的進場檢驗和生產混凝土時對原材料準確計量等環節的控制,以保證混凝土滿足施工要求。參考文獻[1]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.9[2]客運專線高性能混凝土暫行技術條件[S].2005.7[3]客運專線預應力混凝土預制梁暫行技術條件[S].2005.5