聚羧酸高性能減水劑在高速鐵路高性能混凝土中的試驗(yàn)與應(yīng)用

李林，周效諒，李桂青

（巴斯夫化學(xué)建材（中國(guó)）有限公司，上海，200137）

0 前言

至2008年底，我國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程已達(dá)7.9 萬(wàn)公里，位居世界第三，但每萬(wàn)人平均擁有的鐵路公里數(shù)量?jī)H為0.61km, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于加拿大、美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家,與印度數(shù)量相近[1]。因此2004年初國(guó)家相繼批準(zhǔn)了一大批鐵路重點(diǎn)工程開工，同年1月，國(guó)務(wù)院審議通過(guò)了我國(guó)鐵路史上第一個(gè)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，確定了到2020年鐵路建設(shè)的宏偉藍(lán)圖。2008年10月鐵道部又對(duì)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》進(jìn)行了調(diào)整, 把原定2020年鐵路營(yíng)運(yùn)里程達(dá)到10 萬(wàn)公里以上增加到12 萬(wàn)公里以上, 其中客運(yùn)專線由1.2 萬(wàn)公里調(diào)整為1.6 萬(wàn)公里。截至2009年年底，我國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程達(dá)到8.6 萬(wàn)公里，躍居世界第二，此時(shí)包括京滬高速鐵路等在建鐵路重點(diǎn)工程有二百七十四項(xiàng)[2]。預(yù)計(jì)2010年至2012年，新線投產(chǎn)達(dá)到2.6 萬(wàn)公里，其中客運(yùn)專線9200 公里。到2012年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到11 萬(wàn)公里以上，其中客運(yùn)專線和城際鐵路將達(dá)到1.3 萬(wàn)公里，建成新客站800 多座。

為充分發(fā)揮高速鐵路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，提出高速鐵路主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限通常為100年的技術(shù)要求，為滿足工程結(jié)構(gòu)耐久性要求，鐵道部于2005年頒布了《客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》(鐵科技〔2005〕101 號(hào))，對(duì)混凝土的高性能化提出了具體的技術(shù)要求。高性能混凝土（HPC）是一種新型的混凝土,區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土，把耐久性作為首要技術(shù)指標(biāo)。并且針對(duì)不同用途要求,高性能混凝土對(duì)耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性有重點(diǎn)地予以保證[3]。為此, 高性能混凝土的配制除了選用優(yōu)質(zhì)原材料與礦物摻合料低水膠以外，在很大程度上還必須依賴減水劑性能的大幅度提高，而第三代聚羧酸系減水劑的性能更優(yōu)越、更接近于高性能混凝土對(duì)于減水劑功能的要求[4]，因此被指定為高鐵建設(shè)的專用減水劑。

1 高速鐵路混凝土對(duì)外加劑的技術(shù)要求

2005年9月鐵道部發(fā)布的鐵建設(shè)[2005]160 號(hào)文《施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》明確規(guī)定了混凝土外加劑的各項(xiàng)性能，并在2009年作了修訂，要求更高更嚴(yán)謹(jǐn)，詳見表1。

聚羧酸高性能減水劑具有獨(dú)特的梳狀分子結(jié)構(gòu)，能在水泥顆粒表面形成立體保護(hù)層，因此，同萘系、脂肪族、氨基磺酸鹽等高效減水劑相比，對(duì)多種水泥適應(yīng)性更好，分散能力強(qiáng)，摻量少，一般為0.1%～0.4%（按固含量計(jì)，下同），常用摻量為0.15%～0.25%，當(dāng)其摻量達(dá)0.2%～0.4%時(shí)，混凝土減水率大幅度增加（達(dá)20%～40%），增強(qiáng)幅度也顯著提高（早期達(dá)30%～140%，后期達(dá)20%～80%）；適量引氣，減少泌水，和易性好，坍落度損失少，綜合性能優(yōu)越，無(wú)害雜質(zhì)少（在生產(chǎn)過(guò)程中，不添加甲醛等有害物），有利于提高混凝土抗?jié)B、抗凍性等耐久性能，特別適于配制高強(qiáng)高性能混凝土[5]。文成海等人[6]在對(duì)多個(gè)配合比進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，萘系減水劑與聚羧酸高性能減水劑相比不易滿足高速鐵路高性能化的要求。

2 Rheoplus 329 系列聚羧酸高性能減水劑在鐵路工程中的應(yīng)用

表1 鐵路工程混凝土外加劑的技術(shù)要求

巴斯夫化學(xué)建材（中國(guó)）有限公司（上海麥斯特建材有限公司、廣東柯杰外加劑科技有限公司）是首批通過(guò)鐵道部對(duì)外加劑生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行企業(yè)及產(chǎn)品認(rèn)證的八家企業(yè)之一，而Rheoplus 329 是巴斯夫化學(xué)建材（中國(guó)）有限公司專門針對(duì)中國(guó)高速鐵路高性能混凝土研發(fā)的聚羧酸高性能減水劑，本產(chǎn)品具有出色的減水性，其配制的混凝土具有優(yōu)異的早期和后期強(qiáng)度、低滲透性、高耐久性等特點(diǎn)，完全滿足高速鐵路高性能混凝土對(duì)外加劑的要求。截止目前，Rheoplus 329 系列聚羧酸高性能減水劑已在武廣客運(yùn)專線，溫福鐵路白馬河特大橋、廣深港客運(yùn)專線、鄭西客運(yùn)專線、貴廣鐵路、石武鐵路、太中銀鐵路等項(xiàng)目近百萬(wàn)方C15～C50 的高性能混凝土中得到應(yīng)用，取得顯著技術(shù)效果、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

表2 現(xiàn)場(chǎng)抽樣檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.1 在高速鐵路武廣客運(yùn)專線Ⅴ標(biāo)二工區(qū)中的應(yīng)用[7]

工程為武廣客運(yùn)專線烏龍泉至花都段新建工程Ⅴ標(biāo)（廣東韶關(guān)段），施工里程總長(zhǎng)18.6km，設(shè)計(jì)最高時(shí)速為350km/h。工程所用混凝土均為高性能混凝土，環(huán)境條件為二級(jí)碳化環(huán)境（T2）及二級(jí)化學(xué)侵蝕環(huán)境（H2），在工程現(xiàn)有膠凝材料與骨料前提下，該工程對(duì)外加劑的要求非常之高。

在實(shí)際施工使用過(guò)程中，聚羧酸高性能減水劑摻量為0.65%～0.70%，不僅保證了施工對(duì)混凝土拌合物的工作性能要求，而且還保證了混凝土后期強(qiáng)度與耐久性能。以擴(kuò)大基礎(chǔ)C30 泵送混凝土設(shè)計(jì)（W/B=0.44）為例，在現(xiàn)場(chǎng)試件抽檢中，28d 實(shí)測(cè)強(qiáng)度都在39.4～43.4MPa 之間（見表2），56d 電通量為834～877C，滿足T2H2 ≤1200C 的要求。通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)混凝土試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該聚羧酸高性能減水劑具有高減水率、低堿、低氯離子含量、高工作性能、強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

2.2 在武廣客運(yùn)專線XXTJI標(biāo)（湖北咸寧段）中的應(yīng)用[8]

該標(biāo)段由鐵十一局二工區(qū)承建，長(zhǎng)16.2km，主要工程包括3423.2m 淦河特大橋、3167.96m 丁泗河特大橋等十多項(xiàng)。施工中制作的混凝土試件強(qiáng)度與配合比設(shè)計(jì)時(shí)的強(qiáng)度比較一致，表3是在C15～C35HPC 施工過(guò)程中使用高性能減水劑施工時(shí)的配合比與所制試件的強(qiáng)度（為隨機(jī)抽查的強(qiáng)度）。

表3 XXTJI 標(biāo)段施工配合比與實(shí)際強(qiáng)度

2.3 在武廣客運(yùn)專線新廣州站C50高性能混凝土的應(yīng)用[9]

武廣客運(yùn)專線新廣州站及相關(guān)工程區(qū)間站前工程ZQ-Ⅱ標(biāo)段由中鐵大橋局股份公司承建，全長(zhǎng)11.859km，其主要工程包括：跨環(huán)城高速特大橋一座，全長(zhǎng)11.322 雙線公里，架設(shè)32m 與24m 預(yù)制箱梁共278 孔，現(xiàn)澆連續(xù)梁(剛構(gòu))14 座?；A(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)速度目標(biāo)值350km/h，全線采用高性能混凝土，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命100年。該標(biāo)段預(yù)應(yīng)力混凝土梁混凝土的設(shè)計(jì)使用壽命為100年，碳化環(huán)境類別為T2，無(wú)氯鹽環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境、凍融破壞環(huán)境和磨蝕環(huán)境的作用。同時(shí)依據(jù)客運(yùn)專線無(wú)碴（有碴）軌道后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)圖紙的要求，擬定混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)如下：a)強(qiáng)度等級(jí)：C50；b)抗?jié)B等級(jí)：大于P20；c)電通量（56d）：小于1000C；d)要求坍落度：180～200mm?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行混凝土試配，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

通過(guò)試驗(yàn)，以上混凝土配合比的拌合物各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，考慮到預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁的施工工藝和環(huán)節(jié)較多，對(duì)梁體張拉的強(qiáng)度，周期要求較高，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)分析，選用W/B=0.33，水泥用量為390kg/m3的C50-2 作為施工配合比。

在實(shí)際施工中，混凝土28d 強(qiáng)度都在68.5～78.3MPa 之間，達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度的137%～157%，28d 彈性模量40GPa 左右，電通量亦能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表4 混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

表5 C25～C45HPC 配合比、強(qiáng)度與電通量匯總表

表6 耐久性混凝土配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

2.4 在溫福鐵路白馬河特大橋（C25～C45HPC）中的施工應(yīng)用[10]

大橋全長(zhǎng)3126.96m，主橋?qū)?3m，由10×32m簡(jiǎn)支箱梁、(80m+3×145m+80m) 連續(xù)剛構(gòu)、15×61m 簡(jiǎn)支箱梁、(48m+80m+48m)連續(xù)梁、31×32m 簡(jiǎn)支箱梁組成。全橋混凝土總量為23.4 萬(wàn)m3，樁、墩、承臺(tái)等為C25～C45HPC，梁為C50HPC，建成為可滿足200km/h 高速通行的需要。

聚羧酸高性能減水劑在該大橋工程樁、墩、承臺(tái)等C25～C45 各類HPC 中被大量應(yīng)用，表5是在施工過(guò)程中使用聚羧酸高性能減水劑所制試件的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)際強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的130%～176%（為隨機(jī)抽查63 組的強(qiáng)度）；主要耐久性指標(biāo)56d 電通量設(shè)計(jì)值為800～2000C，實(shí)際僅為362～627C；抗裂性能好，連續(xù)28d 觀察，無(wú)肉眼可見裂紋，能夠很好滿足設(shè)計(jì)與施工要求。

2.5 在貴廣鐵路GGTj-13標(biāo)段的施工應(yīng)用

貴廣鐵路GGTj-13 標(biāo)段起點(diǎn)三水青歧涌，經(jīng)三水南站，終點(diǎn)佛山機(jī)場(chǎng)附近，地處廣東省佛山市境內(nèi)，由中交四航局承建。本標(biāo)段主要包括正線橋梁9 座21.31km，隧道1 座3.75km，路基13.61km，車站2 座（三水南站、佛山西站）；橫江疏解區(qū)聯(lián)絡(luò)線橋梁2 座4.516km，中基2.688km；箱梁制（存）梁場(chǎng)1 處，特大橋3 座，北江特大橋全長(zhǎng)11.5km。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)施工所制試件，使用聚羧酸高性能減水劑配制的高性能混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）高速鐵路主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限通常為100年，因此提高混凝土耐久性意義重大，區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土, 高性能混凝土把耐久性作為首要技術(shù)指標(biāo)，其配制特點(diǎn)是選用優(yōu)質(zhì)原材料與低水膠比，且在很大程度上還必須依賴減水劑性能的大幅度提高，聚羧酸系減水劑優(yōu)越的性能使其滿足高性能混凝土對(duì)于減水劑功能的要求。

（2）同萘系、脂肪族、氨基磺酸鹽等高效減水劑相比，聚羧酸高性能減水劑對(duì)多種水泥適應(yīng)性更好，分散能力強(qiáng), 摻量少, 混凝土拌合物的流動(dòng)性和流動(dòng)保持性好，坍落度損失小，綜合性能優(yōu)越，特別適于配制高強(qiáng)高性能混凝土。

（3）巴斯夫公司生產(chǎn)的Rheoplus 329 系列聚羧酸高性能減水劑已成功應(yīng)用于武廣客運(yùn)專線、溫福鐵路、廣深港客運(yùn)專線、鄭西客運(yùn)專線、貴廣鐵路、石武鐵路等眾多重大鐵路工程項(xiàng)目，各項(xiàng)指標(biāo)均符合《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》與《鐵路耐久性混凝土設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》的設(shè)計(jì)與施工要求，其產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性及廣泛的原材料適應(yīng)性得到了充分的驗(yàn)證和考驗(yàn)，并取得了顯著的技術(shù)效果、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，可大量推廣使用，為聚羧酸高性能減水劑在更大范圍的推廣應(yīng)用積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，奠定了良好基礎(chǔ)，進(jìn)而加快中國(guó)混凝土技術(shù)進(jìn)步的進(jìn)程。

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