干旱風(fēng)沙地區(qū)高性能混凝土質(zhì)量控制技術(shù)

肖頌新

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅蘭州 730000)

干旱風(fēng)沙地區(qū)高性能混凝土質(zhì)量控制技術(shù)

肖頌新

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅蘭州 730000)

以新建蘭新鐵路第二雙線工程為例，選擇高性能混凝土施工質(zhì)量控制要素為對(duì)象，從材料和服役環(huán)境等方面確定影響高性能混凝土質(zhì)量的主要因素及其對(duì)質(zhì)量控制流程各環(huán)節(jié)的影響。在原材料質(zhì)量控制方面提出了抑制堿—骨料反應(yīng)技術(shù)，在混凝土配制方面提出了高濃度鹽堿地區(qū)防腐混凝土和基于內(nèi)養(yǎng)護(hù)的雙塊式無(wú)砟軌道道床板補(bǔ)償收縮混凝土的配制技術(shù)，在施工工藝方面提出了節(jié)水養(yǎng)護(hù)技術(shù)，為干旱風(fēng)沙地區(qū)混凝土施工提供參考。

干旱風(fēng)沙地區(qū) 高性能混凝土 防腐混凝土 施工技術(shù)

1 工程概況

新建蘭新鐵路第二雙線跨越甘肅、青海、新疆維吾爾三省區(qū)，正線全長(zhǎng)1 775.8 km，其中甘青公司管段長(zhǎng)1 066 km，多段線路處于大溫差、大風(fēng)沙、大蒸發(fā)、強(qiáng)日照的惡劣自然環(huán)境中，而且還存在鹽漬土分布和原材料匱乏等諸多不利于混凝土工程的因素。目前，在高海拔地區(qū)以及高寒地區(qū)修建鐵路可借鑒青藏鐵路和哈大鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，而對(duì)干旱風(fēng)沙地區(qū)鐵路高性能混凝土工程的質(zhì)量控制尚缺少成熟的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。因此，本文以新建蘭新鐵路第二雙線甘青段工程為背景，以混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命為目標(biāo)，針對(duì)干旱風(fēng)沙地區(qū)環(huán)境特征及其他客觀因素，選擇鐵路高性能混凝土施工過(guò)程質(zhì)量控制要素為對(duì)象，分析了干旱風(fēng)沙地區(qū)混凝土質(zhì)量的主要影響因素，從材料、配制、施工等方面提出了適用于干旱風(fēng)沙地區(qū)鐵路高性能混凝土質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)，從管理方面提出了新建蘭新鐵路第二雙線高性能混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)化體系。

2 干旱風(fēng)沙地區(qū)混凝土質(zhì)量控制影響因素

針對(duì)新建蘭新鐵路混凝土服役環(huán)境特征，從材料、氣候、地質(zhì)三個(gè)方面確定高性能混凝土質(zhì)量控制過(guò)程的主要不利因素及其對(duì)混凝土質(zhì)量控制流程不同環(huán)節(jié)的影響，具體情況見(jiàn)圖1。

3 干旱風(fēng)沙地區(qū)混凝土質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 堿—骨料反應(yīng)抑制技術(shù)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)蘭新鐵路沿線大部分骨料具有不同程度的堿活性，若更換為非活性骨料將會(huì)導(dǎo)致高成本。依據(jù)《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(TB10424)，當(dāng)砂漿棒膨脹率≥0.10%，且＜0.20%時(shí)，應(yīng)控制混凝土的堿含量;當(dāng)砂漿棒膨脹率≥0.20%，且＜0.30%時(shí)，除應(yīng)控制混凝土的堿含量外，還應(yīng)采取抑制堿—骨料反應(yīng)的技術(shù)措施，并需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明抑制有效。根據(jù)蘭新鐵路二線沿線原材料狀況，采用膠凝材料多元化技術(shù)，利用摻合料復(fù)合后的“功能疊加”作用，抑制堿—骨料反應(yīng)，具體抑制效果見(jiàn)圖2。

3.2 混凝土配制技術(shù)

3.2.1 高濃度鹽堿地區(qū)防腐混凝土配制技術(shù)

西北干旱風(fēng)沙地區(qū)由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候特點(diǎn)，導(dǎo)致部分低海拔地區(qū)土壤中鹽分累積，進(jìn)而形成鹽堿土，鹽堿土中高濃度硫酸鹽會(huì)降低水泥水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致混凝土剝落和潰散，氯鹽會(huì)破壞鋼筋鈍化膜并導(dǎo)致其銹蝕。研究表明[1]，改善水泥基材料抵抗有害離子侵蝕能力的主要途徑有降低水泥基材料內(nèi)部Ca(OH)2和C3A的含量，減少水泥基材料受硫酸鹽侵蝕的程度;改善水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)性，阻止有害離子的侵入?；诖?，確定防腐混凝土配制原則如下:①限制水泥熟料中的C3A含量不超過(guò)8%;②摻加高性能減水劑，對(duì)于鹽類(lèi)結(jié)晶破壞環(huán)境還須摻加引氣劑，并保證混凝土含氣量＞4.0%;③嚴(yán)格控制水膠比和膠凝材料用量，不同環(huán)境條件下混凝土的水膠比和膠凝材料用量控制列于表1;④摻加礦物摻合料，不同環(huán)境條件下?lián)胶狭系膿搅糠秶杏诒?。

圖1 蘭新鐵路二線混凝土質(zhì)量控制主要不利因素及其影響

圖2 膠凝材料多元化技術(shù)對(duì)堿—骨料反應(yīng)的抑制效果

3.2.2 基于內(nèi)養(yǎng)護(hù)的雙塊式無(wú)砟道床板補(bǔ)償收縮混凝土配制技術(shù)

新建蘭新鐵路第二雙線軌道結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)為CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道。道床板為現(xiàn)澆板式結(jié)構(gòu)，水平方向變形較大，且變形時(shí)受到內(nèi)部鋼筋、軌枕和底部支承層的多種約束，導(dǎo)致其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)較高。目前，使用膨脹劑補(bǔ)償混凝土收縮是抑制混凝土開(kāi)裂常用技術(shù)措施[2]，然而，蘭新二線自然環(huán)境嚴(yán)酷，道床板混凝土還存在澆筑過(guò)程中因暴露面迅速失水而產(chǎn)生較多塑性裂紋的問(wèn)題。由于受“膨脹窗口”的限制，僅依靠膨脹劑無(wú)法有效抑制道床板混凝土塑性收縮裂紋的產(chǎn)生。針對(duì)上述情況，提出基于內(nèi)養(yǎng)護(hù)的道床板補(bǔ)償收縮混凝土的配制技術(shù)，利用內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料預(yù)蓄水分的長(zhǎng)效緩釋?zhuān)a(bǔ)償混凝土蒸發(fā)的水分，減少塑性收縮`，同時(shí)為膨脹劑水化補(bǔ)償必要的水分，充分激發(fā)膨脹劑的效能。基于內(nèi)養(yǎng)護(hù)的道床板補(bǔ)償收縮混凝土與常規(guī)道床板混凝土的早期收縮對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3。

表1 不同環(huán)境下混凝土的水膠比和膠凝材料用量要求

表2 不同環(huán)境下混凝土中礦物摻合料摻量范圍 %

圖3 不同配制技術(shù)道床板混凝土早收縮情況

3.3 混凝土節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)技術(shù)

養(yǎng)護(hù)是混凝土設(shè)計(jì)性能得以實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，它不僅直接影響混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，而且影響著混凝土的耐久性能，特別是影響著表層混凝土的質(zhì)量;科學(xué)合理地確定以溫度、濕度和時(shí)間為要素的養(yǎng)護(hù)工藝是保證混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵之一[3-6]。蘭新二線沿線水資源匱乏，部分區(qū)段采用傳統(tǒng)灑水養(yǎng)護(hù)工藝?yán)щy;同時(shí)大風(fēng)干旱和大溫差等環(huán)境因素易導(dǎo)致因拆模、養(yǎng)護(hù)工藝轉(zhuǎn)換間隙而暴露的混凝土開(kāi)裂，因此，亟需一種與其環(huán)境特征相適應(yīng)的養(yǎng)護(hù)技術(shù)。針對(duì)上述需求，提出了一種利用含保水材料無(wú)紡物進(jìn)行節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)的新技術(shù)，其作用機(jī)制為:澆筑前采用水溶性膠將無(wú)紡物粘貼至模板成型面，澆注后混凝土中富裕的水分在無(wú)紡織物內(nèi)儲(chǔ)存并將粘結(jié)層的水性膠溶解，脫模時(shí)無(wú)紡物與模板分離并附著在混凝土表面，利用預(yù)蓄的水分為混凝土提供養(yǎng)護(hù)。該養(yǎng)護(hù)技術(shù)具有節(jié)水、保濕、保溫、表面增強(qiáng)和無(wú)間斷等多重功效，能夠滿(mǎn)足干旱風(fēng)沙地區(qū)鐵路混凝土養(yǎng)護(hù)的需要。

3.3.1 保濕效果

比較分析了采用節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)和傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)的墩身實(shí)體混凝土保濕效果，具體結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 墩身混凝土表層(30 cm)相對(duì)濕度測(cè)量結(jié)果

從圖4可看出，在第Ⅰ階段(養(yǎng)護(hù)工藝實(shí)施階段0～14 d)，采取兩種工藝混凝土相對(duì)濕度測(cè)試結(jié)果差異不明顯，節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)的功效;在第Ⅱ階段(14～65 d)由于無(wú)紡物排出了混凝土表面富裕的水分，在一定程度上降低了表層混凝土的水膠比，提高了混凝土致密性，與傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)相比，采取節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)的混凝土相對(duì)濕度降低幅度較小;在第Ⅲ階段(65 d后)，采取兩種養(yǎng)護(hù)工藝的混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度趨近。

3.3.2 外觀質(zhì)量

圖5(a)為采用節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)的墩身脫模時(shí)無(wú)紡物與模板分離并與墩身混凝土密貼的情況，圖5(b)和5(c)分別為采用節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)和傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)的混凝土外觀情況。從中可以看出，采用節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)的混凝土表面顏色均勻，無(wú)氣泡、水紋和砂線等質(zhì)量通病，外觀質(zhì)量明顯優(yōu)于采用傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)的混凝土。

圖5 采用節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)與傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)工藝混凝土外觀對(duì)比

4 蘭新鐵路二線混凝土質(zhì)量控制

目前，混凝土工程管理的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化已成為趨勢(shì)和必然。為確保蘭新鐵路二線混凝土結(jié)構(gòu)在嚴(yán)酷服役環(huán)境下的使用壽命，須建立與其工程特征相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化管理體系，具體包括管理制度標(biāo)準(zhǔn)化、人員配備標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)場(chǎng)管理標(biāo)準(zhǔn)化、過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)化等四個(gè)方面。其中管理制度標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)涵為在科學(xué)分析惡劣自然條件下高性能混凝土工程面臨的技術(shù)難點(diǎn)和要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，構(gòu)建清晰、職責(zé)分明、重點(diǎn)突出的蘭新鐵路高性能混凝土施工管理制度和體系，從而做到關(guān)鍵技術(shù)明確，實(shí)施有規(guī)范、操作有程序、過(guò)程有控制、結(jié)果有考核;人員配備標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)涵為根據(jù)蘭新鐵路高性能混凝土工程技術(shù)特點(diǎn)對(duì)混凝土質(zhì)量控制進(jìn)行歸口管理，配備具有相應(yīng)技能、能力、知識(shí)的人員，建立培訓(xùn)和考核機(jī)制，提高人員的素質(zhì)和工作效率;現(xiàn)場(chǎng)管理標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)涵為依據(jù)即有施工管理制度和體系，具體化和定量化混凝土質(zhì)量控制現(xiàn)場(chǎng)管理的工作內(nèi)容，提煉、升華管理要素，進(jìn)而形成混凝土質(zhì)量控制現(xiàn)場(chǎng)管理工作標(biāo)準(zhǔn);過(guò)程控制標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)涵為將管理制度標(biāo)準(zhǔn)化、人員配備標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)場(chǎng)管理標(biāo)準(zhǔn)化貫穿混凝土工程質(zhì)量控制過(guò)程，建立量化考核機(jī)制，對(duì)執(zhí)行程度進(jìn)行考核。蘭新鐵路二線混凝土質(zhì)量控制管理基本內(nèi)容見(jiàn)表3。

5 結(jié)語(yǔ)

1)蘭新鐵路二線嚴(yán)酷的環(huán)境對(duì)混凝土質(zhì)量控制技術(shù)提出了特殊要求，合理應(yīng)用堿活性骨料降低成本、有效降低大風(fēng)干旱環(huán)境下混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)、確保高腐蝕環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命和實(shí)現(xiàn)在水資源匱乏條件下的節(jié)水養(yǎng)護(hù)是混凝土工程面臨的重大難題。

2)通過(guò)膠凝材料多元化技術(shù)，有效抑制了混凝土堿—骨料反應(yīng);通過(guò)控制水泥中C3A含量、水膠比、摻活性礦物摻合料和適當(dāng)引氣等綜合技術(shù)措施，提高了混凝土抗腐蝕性能。

3)采用節(jié)水無(wú)間斷養(yǎng)護(hù)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)混凝土自澆筑起點(diǎn)的無(wú)間歇養(yǎng)護(hù)，有效避免工藝流轉(zhuǎn)過(guò)程養(yǎng)護(hù)的中斷和混凝土暴露，在節(jié)約了水資源的同時(shí)顯著改善混凝土外觀質(zhì)量?；趦?nèi)養(yǎng)護(hù)的補(bǔ)償收縮混凝土配制技術(shù)在補(bǔ)償長(zhǎng)期干縮的同時(shí)，有效降低混凝土塑性階段開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，適用于制備大風(fēng)干旱地區(qū)長(zhǎng)線板式結(jié)構(gòu)高性能混凝土。

表3 蘭新鐵路二線混凝土質(zhì)量控制管理基本內(nèi)容

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TU528.31

A

1003-1995(2012)06-0139-04

2012-03-05;

2012-03-20

鐵道部科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2010G019-A)

肖頌新(1970— )，男，湖南益陽(yáng)人，高級(jí)工程師。

(責(zé)任審編 王 紅)