蒙內(nèi)鐵路混凝土T梁氣泡控制技術(shù)

李軍峰

(中交二公局鐵路建設(shè)有限公司，陜西 西安 710199)

采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、中國(guó)技術(shù)、中國(guó)裝備的蒙內(nèi)鐵路，是連接肯尼亞港口城市蒙巴薩和首都內(nèi)羅畢的標(biāo)軌鐵路。由于施工中所用當(dāng)?shù)毓橇匣臼嵌嗫椎?，?dǎo)致肯尼亞多孔骨料混凝土用水量大且用水相同時(shí)流動(dòng)度小。這對(duì)東非炎熱干燥環(huán)境下保證混凝土的工作性、強(qiáng)度及T梁外觀質(zhì)量帶來了極大挑戰(zhàn)，EMALI梁場(chǎng)生產(chǎn)的T型梁馬蹄處由于混凝土拌合物含有大量氣泡引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性不足[1-3]，實(shí)踐中改進(jìn)T梁專用混凝土配合比設(shè)計(jì)，采取調(diào)整振搗方式等施工工藝有效解決了此問題。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 主要原材料

(1)水泥：拉法基Bamburi生產(chǎn)的CEM I 52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，密度3.12 g/cm3,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為EN 197-1。

(2)粉煤灰：產(chǎn)自印度的CEMGUARDTM，為F類C50以上粉煤灰，其需水量比為85%，密度2.65 g/cm3。

(3)河砂：Sultanhamud砂場(chǎng)，中砂。

(4)碎石： Simba采石場(chǎng)5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，巖性為多孔火山玄武巖骨料(如圖1所示)，孔隙多，吸水率2.8%，母巖抗壓強(qiáng)度達(dá)110.5 MPa。

圖1 肯尼亞骨料

(5)減水劑：北京交通厚德有限公司聚羧酸系高性能減水劑。

(6)消泡劑：青州市三一化工有限公司DS-8000型消泡劑，粘度：50～600 MPa.s。

(7)引氣劑：山東銳晟化工有限公司W(wǎng)P61型引氣劑。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土工作性和強(qiáng)度測(cè)試參照《混凝土拌合物稠度試驗(yàn)方法》(TBT2181-1990)和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50081-2002)進(jìn)行。

2 T梁用混凝土配合比設(shè)計(jì)

T梁用混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55，含氣量為2%～4%，抗?jié)B等級(jí)為P20。參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)對(duì)T梁用混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。考慮到肯尼亞當(dāng)?shù)毓橇献陨砗幸欢康目紫?，顆粒表面相對(duì)粗糙，拌合后混凝土粘稠度大，因此設(shè)計(jì)時(shí)混凝土的工作性盡可能提高。

2.1 調(diào)整膠凝材料用量

針對(duì)肯尼亞當(dāng)?shù)氐墓橇隙嗫滋匦裕{(diào)整膠凝材料總用量來滿足施工要求，試驗(yàn)配合比見表1，混凝土抗壓強(qiáng)度見表2。由表2試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著膠凝材料用量增加混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均增加，三套混凝土配合比強(qiáng)度均滿足C55設(shè)計(jì)要求?？紤]到生產(chǎn)成本、混凝土工作性以及強(qiáng)度富余量，初步確定采用1#混凝土施工[4]。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì) kg/m3

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度 MPa

2.2 調(diào)整粉煤灰摻量

在1#配合比基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化膠凝材料中粉煤灰摻量。因粉煤灰相對(duì)水泥密度低，單位質(zhì)量下，其體積相對(duì)大，這樣摻入混凝土中對(duì)骨料的包裹性好，有利于改善混凝土的工作性[5,6]。試驗(yàn)分析粉煤灰摻量從13%改變到19%時(shí)摻量變化對(duì)T梁混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，對(duì)強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 粉煤灰摻量對(duì)T梁混凝土強(qiáng)度的影響

由圖2得知，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土3 d抗壓強(qiáng)度有明顯的上升趨勢(shì)，7 d抗壓強(qiáng)度幾乎沒有明顯變化，14 d和28 d抗壓強(qiáng)度變化較大。隨著粉煤灰摻量從13%增加到19%，混凝土3 d抗壓強(qiáng)度從40.5 MPa逐漸上升到了43.2 MPa。由于在混凝土早期水化過程中，粉煤灰的活性未被激活，導(dǎo)致其水化程度較慢，其7 d強(qiáng)度上升緩慢。而齡期到了14 d和28 d時(shí)，粉煤灰摻量從13%增加到19%時(shí)，強(qiáng)度變化不大，僅有略微下降趨勢(shì)；但當(dāng)摻量增加到17%時(shí)，混凝土強(qiáng)度增加較大。因此，從混凝土的工作性、強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)三方面綜合考慮，粉煤灰摻量為17%時(shí)為最佳，此時(shí)梁體用混凝土強(qiáng)度及工作性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

摻用粉煤灰后，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否致密對(duì)其耐久性影響至關(guān)重要。因此，選用SEM分析觀察其微觀形貌結(jié)構(gòu)的變化。選用17%摻量粉煤灰復(fù)合膠凝材料制作凈漿水泥試塊，觀察水泥水化的7 d和28 d的形貌變化，結(jié)果如圖3所示。

圖3 17%粉煤灰摻量水泥凈漿SEM圖

從圖3(a)可以看出水化產(chǎn)物種類較少，粉煤灰還未對(duì)水泥水化起到膠結(jié)作用，水泥顆粒生長(zhǎng)的表面水化產(chǎn)物吸附較少，并且在表面還出現(xiàn)凹坑和裂紋現(xiàn)象，漿體的微觀結(jié)構(gòu)緊密程度較差。圖3(b)水泥水化產(chǎn)物種類較多，整體觀察微觀結(jié)構(gòu)緊密程度較高，粉煤灰顆粒和水泥水化產(chǎn)物相互膠結(jié)，填補(bǔ)了水化前期的空隙，膠凝產(chǎn)物生長(zhǎng)相互交織，為水泥水化強(qiáng)度變化起到主要的作用。

3 T梁澆注存在的問題及改進(jìn)

T梁澆注2 d后拆模發(fā)現(xiàn)梁側(cè)面和馬蹄部位施工出現(xiàn)質(zhì)量問題，混凝土澆注產(chǎn)生大量氣泡、表面有砂紋等缺陷存在，如圖4所示。

圖4 T梁結(jié)構(gòu)表面缺陷

3.1 產(chǎn)生氣泡的原因[7,8]

(1)水膠比過大是氣泡產(chǎn)生的主要因素。在施工拌合時(shí)含氣量與水膠比成正相關(guān)，水膠比越大，混凝土內(nèi)部的水分越多，趨向于過飽和狀態(tài)。由于水分過多，混凝土內(nèi)部不能有效的將氣泡和空氣排除，在混凝土表面產(chǎn)生大量的氣泡。

(2)攪拌不合理。如果攪拌時(shí)間不準(zhǔn)確，那么原材料分布不均勻,易產(chǎn)生混凝土表面氣泡。攪拌操作不規(guī)范，每批混凝土工作性能差異較大，混凝土在拌合過程易離析、坍落度增加，使混凝土表面產(chǎn)生大量氣泡。

(3)振搗操作不規(guī)范。如出現(xiàn)欠振或者過振等情況，會(huì)在混凝土內(nèi)部和表面產(chǎn)生大量的氣泡，影響氣泡的排出，使得混凝土密實(shí)度較低、鋼筋保護(hù)層和主要部位出現(xiàn)氣泡和空隙，影響混凝土后期的強(qiáng)度變化，縮短使用壽命。

3.2 馬蹄處缺陷防治措施

3.2.1 配合比優(yōu)化

優(yōu)化后配合比：水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶水∶減水劑為406∶77∶689∶1 078∶145∶5.13(kg/m3)(優(yōu)化前配比為：398∶70∶695∶1087∶145∶5.15(kg/m3))。

配合比優(yōu)化后細(xì)骨料含量較高、砂率較大，嚴(yán)格控制骨料自身的含泥量和含水率等，防止骨料自身性質(zhì)影響工作性和強(qiáng)度變化。

3.2.2 澆注方式改進(jìn)

混凝土施工按一定的厚度、順序和方向，從梁的一端分層澆注至另一端、向相反方向投料，并在距該端4～5 m處合攏。每層布料應(yīng)該控制在150～200 mm厚度之間，上層混凝土必須在下層混凝土振搗密實(shí)后方能澆注，以便于混凝土內(nèi)部的氣泡能夠有效的排除。在澆注完成后，采用多次抹壓，初凝后進(jìn)一步抹壓，減少表面氣泡的產(chǎn)生。應(yīng)盡量避免混凝土澆注速度過快、分層較厚等情況發(fā)生。

3.2.3 脫模劑優(yōu)化

在模板使用過程中加入消泡劑和脫模劑。將脫模劑和水按照1∶5的體積比例配制脫模劑，然后按照脫模劑∶消泡劑為8 %∶5 %摻量進(jìn)行配制。針對(duì)于不同的施工環(huán)境，再對(duì)原有配合比做出相應(yīng)的調(diào)整。

3.2.4 振搗方式優(yōu)化

振搗方式選擇附著式振搗與插入式振搗相結(jié)合的原則。以附著式振搗器振搗為主，頻率為10 000 Hz，采用先中頻再高頻的振搗順序，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)高頻率振搗器會(huì)減小氣泡的產(chǎn)生。其次以人工插搗為輔，相鄰插入距離在60 cm以下，一般插搗以15～20 s為佳，以免引起泌水等。在作業(yè)時(shí)采取快插慢拔，振搗時(shí)間控制在混凝土停止下沉、不再冒出氣泡、表面呈現(xiàn)平坦為止，同時(shí)防止過振、欠振、漏振發(fā)生。

3.3 工藝改進(jìn)后澆注效果

在施工過程中嚴(yán)格按照以上調(diào)控辦法進(jìn)行作業(yè)，調(diào)整后T型橋梁施工完畢后混凝土表觀效果如圖5所示。

圖5 工藝優(yōu)化后橋梁表面

4 結(jié)論

(1) 在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制氣泡含量的產(chǎn)生，盡可能提高T梁混凝土的工作性，調(diào)整混凝土配合比中膠凝材料用量、骨料的相對(duì)含量以降低其粘度。

(2) 在配合比調(diào)控充足的基礎(chǔ)上，改進(jìn)振搗方式、調(diào)整脫模劑等工藝措施可改善澆注混凝土的外觀質(zhì)量。