高性能混凝土在軌道交通工程中的應(yīng)用研究

庫熱西·艾孜孜，羅志明，朱炎寧

（中建西部建設(shè)股份有限公司，烏魯木齊 830000）

高性能混凝土在軌道交通工程中的應(yīng)用研究

庫熱西·艾孜孜，羅志明，朱炎寧

（中建西部建設(shè)股份有限公司，烏魯木齊 830000）

烏魯木齊市城市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃（2012～2019年），城市軌道交通共規(guī)劃有 7 條線路。高性能混凝土（HPC）以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)，針對(duì)不同用途要求，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)性等性能重點(diǎn)予以保證，其配制上的特點(diǎn)是采用低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，摻加足夠數(shù)量的摻合料（礦物細(xì)摻料）和外加劑等保證混凝土性能。本文針對(duì) C30 混凝土，從原材料選取，針對(duì)環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，耐久性試驗(yàn)等多方面進(jìn)行混凝土試驗(yàn)研究重點(diǎn)，設(shè)計(jì)出滿足軌道交通設(shè)計(jì)年限及要求的高性能混凝土。

軌道交通；高性能；耐久性；環(huán)境作用等級(jí)；混凝土

0 引言

烏魯木齊市城市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃（2012～2019年），城市軌道交通共規(guī)劃有 7 條線路，總長度 212.46 公里，本次建設(shè)規(guī)劃擬先期實(shí)施其中的 1 號(hào)線、2 號(hào)線一期工程。

1 號(hào)線：起點(diǎn)位于主城區(qū)南部的三屯碑、南郊客運(yùn)站，以地下線方式沿勝利路、解放路、新民路、南湖路、新醫(yī)路、北京路，跨鐵路線至城北新區(qū)，終點(diǎn)止于烏魯木齊地窩鋪國際機(jī)場。全長約 27.06 公里，全部為地下線，2018年底有望通車。

2 號(hào)線一期工程：是烏魯木齊市首期建設(shè)規(guī)劃被國家發(fā)展改革委批準(zhǔn)的 1 條軌道線網(wǎng)骨干線路，總投資 148.55 億元。共設(shè)車站 16 座，延安路站、邊防局站、大灣站、二道灣站、教育學(xué)院站、自治區(qū)政府站、南門站、立交橋站、碾子溝站、南昌小區(qū)站、農(nóng)業(yè)大學(xué)站、馬料地站、平川路站、站前街站、 高鐵站、華山路站。

根據(jù)烏魯木齊市相關(guān)地勘資料進(jìn)行歸納總結(jié)及 GB/T 50476-2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)地下水質(zhì)及地下土質(zhì)中硫酸根離子濃度，鎂離子濃度，酸堿度、侵蝕性二氧化碳濃度等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行環(huán)境作用等級(jí)劃分，可將烏魯木齊市地下部分環(huán)境作用等級(jí)劃分為 V-C～V-E。

1 原材料選取

根據(jù)《烏魯木齊市高性能混凝土相關(guān)技術(shù)要求》(烏建發(fā)[2014] 47 號(hào))，烏建發(fā) [2014]291 號(hào)“關(guān)于高性能混凝土檢測有關(guān)事宜的通知”選用原材料：

1.1 水泥

天宇華鑫 P·O 42.5R 水泥，其檢測依據(jù) GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》，主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)見表 1 所示。

表1 水泥主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)

1.2 粉煤灰

紅雁池二電廠 F·II 級(jí)粉煤灰，檢測標(biāo)準(zhǔn)采用 GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)見表 2 所示。

表2 粉煤灰主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)

1.3 骨料

細(xì)骨料：就近取材采用新疆本地生產(chǎn)的粗砂，檢測標(biāo)準(zhǔn)JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)見表 3 所示。

表3 細(xì)骨料主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù) %

粗骨料：采用新疆和源混凝土生產(chǎn)的卵石，級(jí)配方式：5～20mm、20～40mm 兩粒級(jí)，依照檢測標(biāo)準(zhǔn) JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)見表 4 所示。

表4 粗骨料主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)

1.4 外加劑

本次試配試驗(yàn)所用外加劑如下：

1.4.1 高性能減水劑

采用蘇博特聚羧酸高性能減水劑，檢測依據(jù) GB 8076-2008《混凝土外加劑》、GB/T 8077-2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》以及 GB 50119-2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)見表 5 所示。

表5 高性能減水劑主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù) %

1.4.2 高性能抗腐蝕劑

為改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高其耐久性為摻入，檢測依據(jù) JC/T 1011-2006《混凝土抗硫酸鹽類侵蝕防腐劑》要求，主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)見表 6 所示。

表6 高性能抗腐蝕劑主要項(xiàng)目檢測數(shù)據(jù)

1.5 試配用水

高性能混凝土配合比試驗(yàn)研究所用水為烏魯木齊地下水，水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均符合 JGJ 63-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》中的技術(shù)要求。

2 混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

2.1 混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，烏魯木齊市軌道交通工程均屬于地下結(jié)構(gòu)，埋深達(dá) 6m 之多，在冰凍線之下，設(shè)計(jì)年限 100年。

參照 JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》并結(jié)合混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，兼以低水膠比、低單方用水量等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，混凝土配合比設(shè)計(jì)以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的情況下，堅(jiān)持工作性、力學(xué)性能及耐久性設(shè)計(jì)的統(tǒng)一，兼顧安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理性。采用假定質(zhì)量法計(jì)算單位體積混凝土各項(xiàng)材料用量。粗細(xì)骨料處于干燥狀態(tài)，以計(jì)算配合比的基礎(chǔ)上分別上下增減 0.05 的水膠比、上下增減 1%的砂率，并保持用水量不變下從保證混凝土力學(xué)性能角度設(shè)計(jì)三個(gè)不同的配合比，高性能抗腐蝕劑采用外摻法（摻量3.5%），5～20mm 與 20～40mm 卵石采用 1：1 的比例摻入，聚羧酸高性能減水劑采用推薦摻量 2.0% 計(jì)，具體結(jié)果如表 7所示。

表7 C30 高性能混凝土配合比 kg/m3

2.2 混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能采用 GB/ T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行檢測，試配以混凝土出機(jī)工作性，經(jīng)時(shí)坍落度損失以及單方實(shí)際用水量為控制重點(diǎn)。其中，根據(jù)軌道交通用混凝土特點(diǎn)，坍落度控制范圍為180～220mm，具體試驗(yàn)結(jié)果見表 8 所示。

表8 拌合物性能及力學(xué)性能結(jié)果匯總表

根據(jù)上文中聚羧酸減水劑含固量 15.51% 的比例換算可知，本次試驗(yàn)中實(shí)際用水量加上聚羧酸減水劑中的含水量與設(shè)計(jì)用水量相等，即試驗(yàn)中設(shè)計(jì)用水全部用于提供混凝土工作性；出機(jī)坍落度以軌道交通設(shè)計(jì)坍落度范圍 180～220mm進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過試驗(yàn)室靜置放置 2 小時(shí)，其坍落度經(jīng)時(shí)損失約 30mm 左右，狀態(tài)良好；實(shí)測混凝土拌合物表觀密度與理論表觀密度設(shè)計(jì)值 2400kg/m3偏差在 ±2%，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，無須對(duì)配合比中每項(xiàng)材料用量的校正。

2.3 混凝土力學(xué)性能

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo) C30 中的三個(gè)配合比的水膠比，7d、28d抗壓強(qiáng)度值繪制膠水比與強(qiáng)度發(fā)展曲線，具體見圖 1 所示。

圖1 C30 高性能混凝土強(qiáng)度發(fā)展曲線

由圖 1 兩直線公式（y=38.2，y=8.581x+14.04）聯(lián)立得本配合比設(shè)計(jì)下達(dá)到配制強(qiáng)度時(shí)的膠水比值，經(jīng)計(jì)算得膠水比為 2.82，則水膠比為 0.35，與 C30 配合比中編號(hào)為 1 的初步配合比水膠比（0.35）相同，即編號(hào)為 1 的配合比符合混凝土配合比設(shè)計(jì)要求，無需修正。

2.4 混凝土耐久性能

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范以及軌道交通工程設(shè)計(jì)要求，高性能混凝土包含了抗?jié)B性能、抗凍性能、碳化性能、抗硫酸鹽侵蝕性能等耐久性能。根據(jù)新疆地質(zhì)水質(zhì)特性，本文就根據(jù) GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土電通量、氯離子遷移系數(shù)、抗水滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕等混凝土耐久性試驗(yàn)研究，以 JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行等級(jí)劃分，具體結(jié)果如下所示：

2.4.1 抗?jié)B性能

水泥混凝土抗?jié)B性是指抵抗水、油等液體在壓力作用下滲透的性能。混凝土的抗?jié)B性主要與混凝土的密實(shí)度和孔隙率及孔隙結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，通?；炷撩軐?shí)性越高，空隙率越低，孔隙小且分布均勻，混凝土抗?jié)B能力越強(qiáng)。本文對(duì)上述三個(gè)配合比均進(jìn)行了混凝土電通量、氯離子遷移系數(shù)（RCM 法）及抗水滲透性能進(jìn)行了測定，具體試驗(yàn)結(jié)果見表9 所示。

表9 水泥混凝土抗氯離子滲透及抗?jié)B性能試驗(yàn)研究

依據(jù) JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行等級(jí)劃分：抗氯離子滲透（電通量法）為 Q-IV 級(jí)，抗氯離子滲透（RCM 法）為 RCM-II 級(jí)。

2.4.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

水泥混凝土硫酸鹽侵蝕破壞是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其實(shí)質(zhì)是外界侵蝕介質(zhì)中的 SO42-通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部與水泥水化反應(yīng)生成的 Ca(OH)2和水化鋁酸鹽等反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物而產(chǎn)生膨脹內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)膨脹內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使混凝土產(chǎn)生裂縫并進(jìn)一步惡化，最終導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)失去初始能力。根據(jù)結(jié)晶產(chǎn)物和破壞形式的不同，可將硫酸鹽侵蝕破壞分為以下類型：鈣礬石膨脹破壞、石膏型膨脹破壞、Mg2+和 SO42-復(fù)合侵蝕等。

本研究采用 GB/T 50082-2009《普通混凝土的長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中以浸泡→風(fēng)干→(80±5)℃ 烘干→冷卻為一個(gè)循環(huán)（24 小時(shí)）的試驗(yàn)流程進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見表 10。

表10 水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)研究

2.4.3 碳化性能

混凝土的碳化是混凝土所受到的一種化學(xué)腐蝕?？諝庵?CO2氣滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低的過程稱為混凝土碳化，又稱作中性化。同時(shí)，隨著水的蒸發(fā)，混凝土內(nèi)部空隙也隨之增加，導(dǎo)致了混凝土的收縮及碳化的進(jìn)一步深入。有研究表明：選擇合適的水泥品種，優(yōu)化配合比，適量的外加劑，高質(zhì)量的原材料，科學(xué)的攪拌和運(yùn)輸，及時(shí)的養(yǎng)護(hù)，確?；炷恋拿軐?shí)性；涂層保護(hù)等措施能有效的緩解混凝土碳化反應(yīng)的發(fā)展。

本研究采用 GB/T 50082-2009《普通混凝土的長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中以二氧化碳濃度保持在(20±3)%、相對(duì)濕度控制在 (70±5)%、溫度控制在 (20±2)℃進(jìn)行碳化，最后測定各個(gè)齡期下的碳化深度值評(píng)價(jià)混凝土抗碳化能力，具體試驗(yàn)結(jié)果見表 11 所示。

依據(jù) JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行等級(jí)劃分：本次試驗(yàn)混凝土碳化性能為 T-IV 級(jí)（以 28d齡期計(jì)）。

2.4.4 早期抗裂性能

混凝土早期裂縫產(chǎn)生原因主要有混凝土塑性收縮及沉降收縮導(dǎo)致。本研究就配合比設(shè)計(jì)下對(duì)混凝土塑性收縮下導(dǎo)致混凝土早期開裂進(jìn)行試驗(yàn)。沿用 GB/T 50082-2009《普通混凝土的長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中以 800mm×600mm×100mm 的薄板型模具，模具內(nèi)設(shè)有 7 根裂縫誘導(dǎo)器，以溫度為 (20±2)℃、相對(duì)濕度 (60±5)%，試件表面中心處風(fēng)速不小于 5m/s 的參數(shù)進(jìn)行控制，(24±5)h 測度裂縫。

表11 水泥混凝土抗碳化性能試驗(yàn)研究

3 結(jié)論

（1）本研究就烏魯木齊地質(zhì)水質(zhì)勘探資料結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行環(huán)境作用等級(jí)進(jìn)行劃分，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)混凝土配合比。

（2）本研究立足低水膠比、低單方用水量、摻入優(yōu)質(zhì)礦物外加劑、采用聚羧酸系高性能減水劑等角度進(jìn)行高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)，以工作性-力學(xué)性能-耐久性能的主線進(jìn)行試驗(yàn)開展，最終以滿足施工要求、力學(xué)性能合格、長期及耐久性能優(yōu)異的配合比作為理論配合比。

（3）綜合高性能混凝土工作性、力學(xué)性能、耐久性能及經(jīng)濟(jì)性能可得出水膠比 0.35、砂率 39%、單方水用量138kg、粉煤灰摻量36%、抗腐蝕劑 3.5% 等設(shè)計(jì)指標(biāo)下能得到較好的高性能化。

（4）鑒于本地原材料所限，本研究采用單摻粉煤灰的形式設(shè)計(jì)高性能配合比及試驗(yàn)研究，針對(duì)某些施工部位混凝土（如大體積混凝土），需進(jìn)一步尋求可行性論證。

（5）耐久性以 GB/T 50082-2009《普通混凝土的長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》為試驗(yàn)依據(jù)，未根據(jù)地質(zhì)水質(zhì)具體各離子濃度進(jìn)行對(duì)應(yīng)試驗(yàn)研究及關(guān)聯(lián)因子的建立。

[1] JGJ 55-2011．普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S]．

[2] GB/T 50080-2002．普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[3] GB/T 50081-2002．普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] GB/T 50082-2009．普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5] GB/T 50476-2008．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] JGJ/T 193-2009．混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] JC/T 1011-2006．混凝土抗硫酸類侵蝕防腐劑[S]．

[8] 逄秀麗．現(xiàn)代高性能混凝土的研究與發(fā)展[J]．科技研究，2014. 74．

[9] 徐川．高性能混凝土配比設(shè)計(jì)研究[J]. 建材世界, 2015，31-33．

[10] 鄧麗麗．高性能混凝土用原材料及配合比設(shè)計(jì)探討[J]．混凝土工程，2015．

[11] 邊旭剛．淺談高性能混凝土拌合物性能控制[J]．建筑節(jié)能，2015. 196-197．

[12] 王文明，蘇久生，王嚴(yán)卿，等． 高性能混凝土抗硫酸鹽侵蝕侵蝕研究在塔里木河綜合治理工程中的應(yīng)用[J]．混凝土世界，2013：72-76．

[13] 徐秀華，陳乘鑫，黃勤鉦，等．高性能混凝土在福州軌道交通工程中的應(yīng)用[J]．混凝土，2013：104-107．

［通訊地址］烏魯木齊市沙依巴克區(qū)雅山中路 418 號(hào)（830000）

庫熱西·艾孜孜（1966-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向：新型建材研發(fā)與安全質(zhì)量管理。