用于高速鐵路CRTSⅢ型無(wú)砟軌道底座板混凝土配合比設(shè)計(jì)

【摘要】隨著高鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，高鐵建設(shè)遍布大江南北，高鐵建設(shè)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題也隨之而來(lái)，本研究針對(duì)高速鐵路底座板施工后出現(xiàn)的開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行了研究，采用對(duì)高速鐵路CRTSⅢ型無(wú)砟軌道底座板混凝土配合比方面進(jìn)行著手，以采取“三低一高”配合比設(shè)計(jì)方案和摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑兩種方法，來(lái)改善底座板后期出現(xiàn)開(kāi)裂狀況的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】配合比設(shè)計(jì);三低一高;現(xiàn)實(shí)意義;實(shí)際應(yīng)用效果

根據(jù)以往高速鐵路底座板混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，底座板混凝土面臨的最大問(wèn)題就是表面容易出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而出現(xiàn)開(kāi)裂的情況。底座板混凝土在經(jīng)歷1～2個(gè)冬季后，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)表面開(kāi)裂、粉化，更進(jìn)一步發(fā)展成為表面剝落粉化的惡性循環(huán)狀況，導(dǎo)致后期不得不加大成本來(lái)對(duì)底座板混凝土進(jìn)行維修工作。因此，在對(duì)導(dǎo)致底座板出現(xiàn)開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析后，提出了配合比“三低一高”的設(shè)計(jì)思路和摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑兩種思路，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)驗(yàn)證，新配合比施工的底座板混凝土有效降低了底座板混凝土表面出現(xiàn)開(kāi)裂的情況。

1、工程概況

商合杭鐵路站前十七標(biāo)起迄里程DK628+815.78至DK674+162.9，線路長(zhǎng)度44.588公里。正線路基長(zhǎng)18.199km（路改橋變更后），共計(jì)34段，占40.8%;橋梁共計(jì)26.389km，占59.2%，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比為橋梁段CRTSⅢ型無(wú)砟軌道底座板用混凝土，配合比于2018年3月開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，2018年5月經(jīng)驗(yàn)證，強(qiáng)度及耐久性指標(biāo)滿足要求，同月于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)段驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)情況表現(xiàn)良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

2、導(dǎo)致底座板混凝土開(kāi)裂的原因分析

普通混凝土配合比膠凝材料用量高、用水量大、設(shè)計(jì)配合比坍落度一般為（160～200mm）、含氣量低、早期強(qiáng)度高。

（1）膠凝材料用量高、用水量大：高膠凝材料用量會(huì)進(jìn)一步放大因膠凝材料本身的收縮引起的開(kāi)裂情況，另外使得混凝土干燥收縮大，因而產(chǎn)生易開(kāi)裂的情況;

（2）混凝土坍落度大：坍落度大的混凝土在振搗后易產(chǎn)生離析、分層、泌水，使得混凝土表面產(chǎn)生大量浮漿，引起混凝土表面析漿，密實(shí)度不夠的情況，從而導(dǎo)致表面開(kāi)裂;

（3）含氣量低：含氣量低會(huì)導(dǎo)致混凝土的工作性和抗凍性低，在冬季會(huì)因低溫導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)開(kāi)裂。

本次試驗(yàn)采用“低膠凝用量、低用水量、低坍落度、高含氣量”的“三低一高”混凝土配合比方案設(shè)計(jì)底座板混凝土配合比，在保證混凝土耐久性、工作性的前提下，提高混凝土的抗裂性。

3、混凝土配合比原材料選擇

（1）水泥：選用宜興天山生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，經(jīng)試驗(yàn)，本次配合比設(shè)計(jì)所選水泥的3d和28d抗壓強(qiáng)度分別為26.5MPa和47.8MPa;

（2）粉煤灰：選用宣城電廠生產(chǎn)的F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，相比F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，F(xiàn)類Ⅰ級(jí)粉煤灰具有性能更穩(wěn)定，需水量比更低的優(yōu)勢(shì)，能進(jìn)一步的降低混凝土拌和用水量，本次試驗(yàn)選用的粉煤灰細(xì)度為10.4%，需水量比為89%;

（3）集料：粗集料選用安鑫建材生產(chǎn)的（5～10）mm和（10～20）mm兩級(jí)配碎石，兩檔碎石合成比例為5：5。細(xì)集料選用產(chǎn)地為江西贛江的細(xì)度模數(shù)為2.5的Ⅱ區(qū)中砂。

（4）外加劑：配合比試驗(yàn)用外加劑選用引氣型聚羧酸系高性能減水劑，生產(chǎn)廠家為徐州鑫固公司，減水劑減水率為29%。

（5）內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑：使用中鐵科學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)公司生產(chǎn)的內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑，氯離子含量為0.04%，堿含量為0.29%，三氧化硫含量為17.86%。

4、底座板配合比設(shè)計(jì)

CRTSⅢ型無(wú)砟軌道底座板設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，環(huán)境等級(jí)、類別為T2，混凝土澆注方式采用泵送施工。本次試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)選用按照“三低一高”配合比的思路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體指標(biāo)按照以下要求來(lái)進(jìn)行：膠凝材料用量不宜超過(guò)380kg/m3，混凝土用水量不宜大于150kg/m3，坍落度控制：80mm～120mm范圍內(nèi)，混凝土入模含氣量不宜小于4%。

4.1不摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑底座板混凝土配合比：

首先確定配置強(qiáng)度：由公式 fcu，o=fcu，k+1.645σ（其中標(biāo)準(zhǔn)差σ采用5.0MPa），fcu，o=40+1.645×5.0，則試配強(qiáng)度 fcu，o =48.2MPa;根據(jù)先關(guān)要求，初步確定水膠比為W/C=0.38;根據(jù)“三低一高”原則和經(jīng)驗(yàn)，用水量選取為144 kg/m3;根據(jù)用水量和水膠比計(jì)算得出膠凝材料用量為380 kg/m3;其中粉煤灰摻量為25%，計(jì)算得出粉煤灰用量為95 kg/m3，水泥用量為380-95=285 kg/m3;砂率初步選取為0.38，混凝土假定容重為2360 kg/m3，計(jì)算出碎石用量為1138 kg/m3，砂用量為698 kg/m3。

f、外加劑用量：根據(jù)減水劑減水率，減水劑摻量設(shè)計(jì)為膠凝材料用量的1.0%。

計(jì)算得出減水劑用量為3.80 kg/m3，引氣劑用量為3.04 kg/m3。/7.理論基準(zhǔn)配合比：水泥：粉煤灰：砂子：碎石：水：聚羧酸減水劑 = 285 ： 95 ： 696 ： 1136： 144：3.80=? 1.00：：0.33 ：2.44 ：3.99 ：0.51：0.013

根據(jù)以上思路，最終確定混凝土配合比為：

根據(jù)上表配合比拌制混凝土，混凝土拌合物出機(jī)性能為：坍落度115 mm;混凝土含氣量為4.7%;混凝土容重為2370 kg/m3;出機(jī)30min混凝土坍落度為110 mm;混凝土出機(jī)60min坍落度為100 mm;實(shí)測(cè)容重與計(jì)算容重偏差+0.4%，未超過(guò)±2%?；炷撩谒蕿?，壓力泌水率為0。拌合物工作性能與保坍性能良好，確定以該配合比水膠比0.38為基準(zhǔn)配合比上下浮動(dòng)水膠比，分別選取0.36和0.40的水膠比進(jìn)行試拌。最終56天抗壓強(qiáng)度0.36水膠比為54.0Mpa，0.38水膠比抗壓強(qiáng)度為50.1 Mpa，0.40水膠比抗壓強(qiáng)度為47.3 Mpa，根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度，最終選定水膠比為0.38的配合比。該配合比混凝土初凝時(shí)間為8小時(shí)45分鐘，終凝時(shí)間為11小時(shí)15分鐘，電通量為789，56天收縮率為238×10-6。混凝土的總?cè)趸蚝?，?jì)算包括水泥、礦物摻合料、外加劑及水的三氧化硫之和與膠凝材料用量之比，計(jì)算結(jié)果為1.58%?；炷量倝A含量取水泥、粉煤灰、外加劑及水的堿含量之和，其中粉煤灰的可溶性堿量取粉煤灰總堿量的1/6，計(jì)算得出總堿含量為1.52 kg/m3。氯離子總含量包括水泥、礦物摻合物、粗骨料、細(xì)骨料、水、外加劑等所含氯離子含量之和和膠凝材料的比值，計(jì)算結(jié)果為0.04%。該混凝土配合比各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)該配合比進(jìn)行施工，混凝土性能表現(xiàn)良好，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

4.2摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑底座板混凝土配合比設(shè)計(jì)

內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑含有吸水保水組份材料，能夠通過(guò)前期吸水，混凝土后續(xù)水化過(guò)程中釋放出水分，維持混凝土內(nèi)部的充分濕潤(rùn)，通過(guò)補(bǔ)償混凝土內(nèi)部水分消耗，提高內(nèi)部濕度來(lái)抑制自身收縮，通過(guò)降低，可以有效的降低混凝土開(kāi)裂率，同時(shí)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有所提高。本次試驗(yàn)在原有配合比基礎(chǔ)上加入內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑來(lái)進(jìn)一步改善底座板混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂的情況，內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑用量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土裂紋數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，一般為膠凝材料用量的5.5%～10%，本次試驗(yàn)選用摻配比例為7.9%。同時(shí)降低粉煤灰摻量，保持膠凝材料總用量為380不變。

摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑配合比為：

（見(jiàn)表2）

根據(jù)上表配合比拌制的混凝土，出機(jī)拌合物性能為：混凝土坍落度為105mm;混凝土含氣量為5.4%;混凝土容重為2370kg/m3;出機(jī)30min混凝土坍落度為110mm;混凝土出機(jī)60min坍落度為100mm;混凝土泌水率為0，壓力泌水率為0。拌合物性能良好，56天抗壓強(qiáng)度為51.6Mpa電通量為732，56天收縮率為302×10-6。三氧化硫含量為1.69%，氯離子含量為0.03，總堿含量為1.59 kg/m3。各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足要求。

5、現(xiàn)場(chǎng)施工情況

現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)本次底座板混凝土配合比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段施工，施工試驗(yàn)地點(diǎn)為商合杭鐵路站前十七標(biāo)（SHZQ-17標(biāo)）中鐵二十四集團(tuán)港溪特大橋自第11跨至第25跨進(jìn)行施工。港溪特大橋第11#梁至15#梁底座板混凝土采用原普通C40等級(jí)混凝土配合比進(jìn)行施工，后期部分底座版混凝土表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋，個(gè)別底座板混凝土出現(xiàn)狹長(zhǎng)非貫通裂紋;第21-30跨底座板混凝土采用“三低一高”未摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑配合比進(jìn)行施工，后期觀察底座板混凝土表面只有第26跨底座板混凝土出現(xiàn)細(xì)微裂紋;第31-40跨底座板混凝土施工選用“三低一高”加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑配合比施工，通過(guò)后期觀察，所有底座板混凝土表面均未出現(xiàn)裂紋情況。說(shuō)明新配合比對(duì)抑制底座板混凝土表面出現(xiàn)裂紋是有效的。

6、總結(jié)分析

通過(guò)對(duì)底座板混凝土配合比進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)后期觀察，隨著膠凝材料用量的減少和坍落度的降低，混凝土表面出現(xiàn)開(kāi)裂的情況有了明顯的好轉(zhuǎn)。但隨著混凝土坍落度的降低，混凝土的工作性和流動(dòng)性也隨之受到影響，低坍落度混凝土加大了現(xiàn)場(chǎng)混凝土振搗和收光工作的工作量，我們需要通過(guò)提高混凝土含氣量的方式來(lái)保證泵送對(duì)混凝土的流動(dòng)性要求，在提高含氣量的同時(shí)，混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨著含氣量的提高而降低，這里需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定一個(gè)平衡點(diǎn)保證混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)能夠滿足各項(xiàng)要求。本次配合比試驗(yàn)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得出坍落度范圍在80～120mm的混凝土，含氣量控制在5%～6%范圍內(nèi)可以滿足泵送要求，同時(shí)對(duì)混凝土強(qiáng)度不產(chǎn)生過(guò)大影響，能夠滿足混凝土工作性和耐久性能要求。內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土情況，如混凝土表面開(kāi)裂情況不能達(dá)到目標(biāo)要求的情況下，可以適當(dāng)摻加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑來(lái)進(jìn)一步進(jìn)行改善混凝土表面開(kāi)裂的情況，最終達(dá)到相應(yīng)的質(zhì)量要求。

參考文獻(xiàn)：

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[3]《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10424-2018）

作者簡(jiǎn)介：

顏鵬，男（1988-1），漢族，本科，工程師，主要從事研究方向：工程試驗(yàn)檢測(cè)。