蒙内铁路工程混凝土早期收缩和抗裂研究

陶元洪,夏京亮,王　伟,董汇标,3

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011;2.中国建筑科学研究院，北京 100013;

3.北京建筑大学，北京 100044)



蒙内铁路工程混凝土早期收缩和抗裂研究

陶元洪1,夏京亮2,王伟2,董汇标2,3

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011;2.中国建筑科学研究院，北京 100013;

3.北京建筑大学，北京 100044)

摘要：采用早期收缩和刀口约束早期抗裂的试验方法，研究了蒙内铁路用混凝土的早期收缩和抗裂性能。结果表明，采用天然火山灰和粉煤灰复掺可以配制出早期收缩小，抗裂效果好的混凝土，可用于蒙内铁路工程。

关键词：天然火山灰；早期收缩；早期抗裂

在铁路建设和使用过程中，结构、构件的混凝土开裂是常见的病害，裂缝不仅会降低铁路的使用寿命，增加铁路运行维修费用，甚至直接造成铁路线的破坏和铁路桥梁的垮塌。近年来由于混凝土裂纹问题引发的事故和铁路大修问题屡见不鲜。而裂缝问题也常常困扰着铁路系统相关技术人员[1-5]。

构成混凝土裂缝的原因很多，事实上，大部分混凝土都是带缝工作的，有些十几纳米至几微米的裂缝并不影响结构和构筑物的工作，而一些较大的裂缝便会严重影响到混凝土正常使用，引发问题。在铁路工程中造成混凝土开裂的原因同样繁多，由于铁路线较长、经历环境的多变、车辆碾压造成混凝土疲劳等各类原因相互影响，每一条裂缝的出现和发展都由背后的几大原因造成[6]。

蒙-内铁路位于肯尼亚，起点为东非最大的港口之一的蒙巴萨，终点为肯尼亚首都内罗毕，是肯尼亚独立百年来建设的首条铁路，也是规划中的东非铁路网的咽喉。由于肯尼亚位于赤道线上，天气干燥，昼夜温差大，混凝土早期收缩开裂风险巨大。在肯尼亚，由于工业落后，缺乏粉煤灰、矿渣粉等工业废渣，但大量分布有天然火山灰质材料[7,8]，文章对比研究天然火山灰和粉煤灰对混凝土早期收缩开裂性能的影响。

1试验

1.1　原材料及配合比

1)天然火山灰质材料：采自非洲肯尼亚当地的两种天然火山灰质材料，其化学成分见表1，主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3。其基本性能见表2。1#火山灰样品为凝灰岩磨细粉体(1#NP)；2#火山灰样品为火山渣磨细粉体(2#NP)，见图1。两种火山灰都包含一些晶体矿物和玻璃体，其中主要晶体矿物均为长石类矿物，XRD分析结果见图2。

表1　掺合料的化学成分

试样SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgONa2OK2OLOI1#火山灰56.8013.8413.191.190.680.436.446.190.482#火山灰43.9010.9416.443.5810.5510.371.841.490.21粉煤灰48.9128.058.852.152.651.030.782.081.3

表2　磨细天然火山灰质材料的基本性能

2)水泥：肯尼亚Bamburi水泥厂生产Ⅰ型水泥(EN197-1)，其物理力学性能见表3；粉煤灰：其化学组成见表1，Ⅰ级粉煤灰(FA)。

表3　水泥的物理力学性能

3)碎石：肯尼亚5~20 mm连续级配玄武岩碎石，表观密度2 970 kg/m3；机制砂：肯尼亚玄武岩机制砂，表观密度2 980 kg/m3，细度模数3.3，压碎值5.9%；减水剂：建研昆仑有限公司生产聚羧酸外加剂KLS3。

4)混凝土配合比见表4，矿物掺合料分别为30%1#火山灰、30%2#火山灰、30%Ⅰ级粉煤灰、20%2#火山灰+10%Ⅰ级粉煤灰。

表4　混凝土配合比

1.2　试验方法

早期收缩和抗裂试验按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》方法进行测试。

2结果与分析

2.1　早期收缩

由图3的试验结果可知，掺加1#天然火山灰导致早期收缩大幅度增加，2#天然火山灰、粉煤灰及2#火山灰与粉煤灰复掺均能够减少混凝土的早期收缩；两种天然火山灰和粉煤灰早期收缩对比，1#火山灰>粉煤灰>2#火山灰；2#火山灰与粉煤灰2∶1复掺的早期收缩介于2#火山灰和粉煤灰之间；可见掺加2#天然火山灰或者2#天然火山灰与粉煤灰复掺可以有效减小混凝土的早期收缩，起到抗裂和防裂的效果。

2.2　早期抗裂

图4为试验结果。由图4试验结果可知，两种天然火山灰、粉煤灰以及2#火山灰和粉煤灰复掺均在一定程度上减小了平板的总开裂面积；两种火山灰和粉煤灰对混凝土抗裂性能的提高上，粉煤灰>2#天然火山灰>1#天然火山灰，其中粉煤灰和2#天然火山灰优势较为明显；2#火山灰与粉煤灰2∶1复掺对混凝土抗裂性能的影响介于2#火山灰和粉煤灰之间，且该组混凝土抗裂性能好；可见，2#天然火山灰或者2#火山灰与粉煤灰复掺在对混凝土抗裂性能影响上接近粉煤灰，且抗裂性能好。

3结论

a.掺加2#天然火山灰或者2#天然火山灰与粉煤灰复掺可以有效减小混凝土的早期收缩，起到抗裂和防裂的效果。

b.2#天然火山灰或者2#火山灰与粉煤灰复掺在对混凝土抗裂性能影响上接近粉煤灰，且抗裂性能好。

参考文献

[1]刘卫成,铁路客运专线承台大体积混凝土裂缝控制研究[J].工程技术,2012(1):35-39.

[2]蒋筱宁,混凝土桥梁裂缝成因综述[J].工程建设,2006(6):68-83.

[3]马晓飞,铁路工程施工中混凝土裂缝的成因与改进建议[J].工程技术,2014(4):48-51.

[4]王铁梦,工程结构裂缝控制[M].北京,中国建筑工业出版社,1997.

[5]Yu Xigang,Xu Yaofang, On the Reinforced Concrete Beam Cracks and Prevention Measures[J]. Value Engineering, 2011(3):21-24.

[6]孙锦标.混凝土桥梁裂缝成因综述[J].林业建设,2007(7):56-60.

[7]夏京亮，胡钊光，丁立金,等.肯尼亚天然火山灰质材料用于混凝土的技术指标研究[J].施工技术,2015(8):56-58.

[8]胡钊光，夏京亮，裴岩,等.肯尼亚天然火山灰质材料对混凝土凝结特性的影响研究[J].混凝土,2015(9):94-96.

Investigation and Analysis of Concrete Cracking

in Railway Engineering

TAOYuan-hong1,XIAJing-liang2,WANGWei2,DONGHui-biao2,3

(1.China Road and Bridge Co,Beijing 100011,China;2.China Academy of Building Research,

Beijing 100013,China;3.Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing100044,China)

Abstract:The early shrinkage and cracking resistance of concrete of the Mombasa-Nairobi Railway were studied through the test method of early shrinkage and edge constraint.The results show that less early shrinkage, good anti cracking effect of concrete can be made by using natural pozzolan and fly ash mix,which can be used in Mombasa-Nairobi Railway.

Key words:natural pozzolan;early shrinkage;early cracking

作者简介：陶元洪(1987-)，工程师，硕士.E-mail:xiasnxia@126.com

收稿日期：2015-10-18.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.009