多種侵蝕環(huán)境下抗腐蝕混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)

趙 德 超

(中鐵二局第五工程有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

某高鐵項(xiàng)目全長(zhǎng)432 km，其中T—Q段230 km為新建段，Q—E段212 km改建段。項(xiàng)目按300 km/h設(shè)計(jì)，采用中國(guó)高鐵標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)管理，是該國(guó)第一條現(xiàn)代化高速鐵路，也是一帶一路，中國(guó)高鐵真正走出國(guó)門(mén)的第一個(gè)項(xiàng)目。線(xiàn)路穿趆廣袤的鹽湖地區(qū)，長(zhǎng)達(dá)10 km的軟基需采用預(yù)制方樁打入進(jìn)行地基加固處理，提高承載力。采用預(yù)制場(chǎng)集中生產(chǎn)、蒸汽養(yǎng)護(hù)、到齡期經(jīng)檢測(cè)合格、運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)、打樁機(jī)打入施工工藝。

2 確定該混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

預(yù)制方樁設(shè)計(jì)要求為100年的C50高性能耐久性混凝土，侵蝕環(huán)境等級(jí)為L(zhǎng)3,H3,Y4。根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)鹽湖段地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該段路基所處環(huán)境等級(jí)為L(zhǎng)3,H3,Y4，處于氯鹽侵蝕、化學(xué)侵蝕及硫酸鹽結(jié)晶破壞三種高侵蝕相互作用的環(huán)境?；炷量骨治g要求之高，在中國(guó)類(lèi)似工程中罕見(jiàn)。按照設(shè)計(jì)文件及《鐵路混凝土驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》確定C50(L3H3Y4)混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)表

3 原材料選擇

1)水泥。

由于該混凝土所處為高硫酸鹽侵蝕環(huán)境，選取Delijian水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的高抗硫酸鹽Ⅱ型低堿水泥。

2)礦物摻合料。

經(jīng)調(diào)查，當(dāng)?shù)責(zé)o粉煤灰生產(chǎn)，僅有磨細(xì)礦渣粉且產(chǎn)量較低但硅灰產(chǎn)量豐富且質(zhì)量穩(wěn)定，擬定采用Sepehan礦渣粉和Azna硅灰作為外摻料提高混凝土的抗腐蝕性。

3)細(xì)骨料。

經(jīng)調(diào)查選用線(xiàn)路附近Razani砂石生產(chǎn)的天然河砂作為細(xì)骨料。

4)粗骨料。

經(jīng)調(diào)查選用線(xiàn)路附近Zambook砂石生產(chǎn)的5 mm～25 mm兩級(jí)配破碎卵石(5 mm～12 mm占30%，12 mm～25 mm占70%)作為粗骨料。

5)外加劑。

經(jīng)檢測(cè)和混凝土試拌選定Persian White Damavand公司生產(chǎn)的SR340P聚羧酸系高性能減水劑和MA-410引氣劑。

6)混凝土拌合用水。

混凝土拌合用水使用飲用水。

4 理論配合比設(shè)計(jì)

耐久性混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟以及計(jì)算中所涉及的公式與普通混凝土配合比設(shè)計(jì)并無(wú)差別，主要增加前置條件和耐久性要求，即各項(xiàng)指標(biāo)均要滿(mǎn)足列表技術(shù)參數(shù)要求，包含前置條件和耐久性指標(biāo)的驗(yàn)證結(jié)果，而非僅保證強(qiáng)度和工作性要求。

4.1 試配強(qiáng)度的確定

按混凝土試配強(qiáng)度公式計(jì)算：

fcu,0=fcu,k+1.456σ=59.9。

其中，fcu,0為混凝土的試配強(qiáng)度，MPa；fcu,k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa;σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。由于沒(méi)有當(dāng)?shù)亟诘幕炷翉?qiáng)度資料，σ按JGJ 55—2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程之規(guī)定取6.0 MPa。

4.2 水膠比

水膠比的大小決定混凝土硬化后的強(qiáng)度并影響混凝土的耐久性，選擇低水膠比能保證混凝土的密實(shí)性，是耐久性混凝土配制的特點(diǎn)之一?；炷恋膹?qiáng)度與水膠比及使用的水泥強(qiáng)度成線(xiàn)性關(guān)系，仍按保羅米公式計(jì)算水膠比。

其中，W/B為混凝土水膠比；αa，αb均為回歸系數(shù)，αa取0.53，αb取0.20；fb為膠凝材料28 d膠砂抗壓強(qiáng)度，fb=γfγsγcfce,g;γf為硅灰影響系數(shù),取1；γs為礦渣粉影響系數(shù)，取0.90；γc為水泥強(qiáng)度等級(jí)值富余系數(shù)，按實(shí)際統(tǒng)計(jì)值取1.18；fce,g為水泥強(qiáng)度等級(jí)值，取42.5MPa；fcu,0為混凝土試配強(qiáng)度。

由上式計(jì)算得出水膠比為0.37，因?yàn)樗z比是耐久性配合比的重要參數(shù)之一，它關(guān)系到能夠保證混凝土的密實(shí)度，防止含腐蝕性氣體滲入，按前表確定的技術(shù)參數(shù)最大水膠比為0.36，因計(jì)算水膠比大于規(guī)定值，應(yīng)取規(guī)定值的原則進(jìn)行下步計(jì)算，即水膠比取0.36。

4.3 單位用水量

根據(jù)多次試拌經(jīng)驗(yàn)，在不摻減水劑時(shí)，單位用水量為215 kg，高性能減水劑的減水率為26%，按下式計(jì)算單位用水量：

4.4 單位膠凝材料用量

其中，mbo為計(jì)算配合比每方混凝土膠凝材料用量；mwo為單位用水量；W/B為混凝土水膠比。

4.5 礦渣粉、硅灰、水泥各自用量

mko=mbo×40%=177(按前表已確定的技術(shù)參數(shù)取值)。

mao=mbo×7%=31(按前表已確定的技術(shù)參數(shù)取值)。

mco=mbo-mso-msi=234。

其中,mso為礦渣粉用量;mao為硅灰用量;mco為水泥用量。

4.6 減水劑和引氣劑用量

mdo=mbo×0.6%=2.65(經(jīng)試驗(yàn)后確定的減水劑摻量)。

meo=mbo×0.01%=0.442(經(jīng)試驗(yàn)后確定的引氣劑摻量)。

其中，mdo為高性能減水劑用量；mao為引氣劑用量。

4.7 砂率

根據(jù)多次試拌的經(jīng)驗(yàn)，確定該C50配合比砂率取42%為宜。

4.8 采用質(zhì)量法計(jì)算粗細(xì)骨料用量

利用下式計(jì)算：

mwo+mco+mko+mao+mso+mgo=mcp。

其中，mso為計(jì)算配合比每方混凝土細(xì)集料用量；mgo為計(jì)算配合比每方混凝土粗集料用量；mcp為每方混凝土拌合物的假定質(zhì)量因本配合比的混凝土為含氣量混凝土，取2 400 kg/m3；βs為砂率。

減水劑和引氣劑質(zhì)量未納入計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，得到計(jì)算配合比的粗集料為1 026 kg,根據(jù)大、小石的摻配比例得到12 mm～25 mm石為718 kg, 5 mm～12 mm石為308 kg,細(xì)集料為773 kg。

4.9 匯總每方混凝土中的各材料用量

匯總每方混凝土中的各材料用量如表2所示。

表2 每方混凝土中的各材料用量表

4.10 混凝土配合比試拌

試拌階段使用與施工相同的原材料采用強(qiáng)制式拌合機(jī)在室內(nèi)試拌，試拌結(jié)束后測(cè)表觀(guān)密度和不同時(shí)間的坍落度、擴(kuò)展度、含氣量和初終凝時(shí)間,如表3所示。

表3 物理性能檢測(cè)結(jié)果匯總表

各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)和施工要求。

5 配合比耐久性指標(biāo)驗(yàn)證

再次試拌制作強(qiáng)度及各項(xiàng)耐久性指標(biāo)驗(yàn)證試件，分別成型3 d,7 d,28 d,56 d抗壓強(qiáng)度試件各1組；成型電能量試件1組；成型氯離子擴(kuò)散系數(shù)試件1組；56 d抗硫酸鹽結(jié)晶破壞等級(jí)試件4組；氣泡間距系數(shù)試件1組，并計(jì)算總堿含量和氯離子總含量三氧化硫含量。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至不同齡期后的檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 耐久性能檢測(cè)結(jié)果匯總表

經(jīng)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，可用于C50預(yù)制樁施工。

6 施工過(guò)程質(zhì)量控制

加強(qiáng)施工過(guò)程管控是保證混凝土質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。鹽湖段預(yù)制樁施工中采用強(qiáng)制式拌合機(jī)拌合、混凝土灌車(chē)運(yùn)輸至澆筑點(diǎn)運(yùn)用溜槽入模成型的方式預(yù)制完成。通過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)，快速提高早期強(qiáng)度，7 d達(dá)到設(shè)計(jì)要求，沖擊振動(dòng)打入軟土地基，從而達(dá)到加固地基作用。施工過(guò)程中加強(qiáng)了原材料質(zhì)量控制、拌合站監(jiān)控、澆筑現(xiàn)場(chǎng)坍落度、含氣量雙控措施，保證入模混凝土質(zhì)量。通過(guò)同條件試件強(qiáng)度和實(shí)體回彈監(jiān)測(cè)，隨時(shí)掌握實(shí)體強(qiáng)度發(fā)展?fàn)顩r，保證了所有預(yù)制樁質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

以某高鐵鹽湖段軟基處理為載體，采用摻硅灰和礦渣粉提高混凝土耐久性；摻高性能減水劑和引氣劑，解決含氣量問(wèn)題，并通過(guò)一系列耐久性檢測(cè)，設(shè)計(jì)出了性能滿(mǎn)足要求、經(jīng)濟(jì)合理且具有施工可操作性的C50(L3H3Y4)抗侵蝕耐久性混凝土配合比。該配合比在鹽湖段正式施工，為全線(xiàn)抗侵蝕混凝土配合比設(shè)計(jì)提供了重要參數(shù)和積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。保證了高鐵的施工質(zhì)量，不僅有利于項(xiàng)目建設(shè)任務(wù)優(yōu)質(zhì)高效推進(jìn)，而且對(duì)充分利用當(dāng)?shù)夭牧?，降低工程造價(jià)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。