干旱、大风、大温差环境下桥梁墩身混凝土的配制与养护技术

2018-03-08杨育红

四川建筑 2018年1期

关键词：芯部墩身大风

杨育红

(中铁二局工程测试中心, 四川成都 610031)

[定稿日期]2017-12-26

1 工程概况[1]

新建兰新铁路第二双线(新疆段)(简称兰新二线)全长713.4 km，设计时速250 km/h以上，该段沿线经过天山东脉北山南麓丘陵区，哈密、吐鲁番盆地北缘山前冲、洪积平原区等地区,线路所穿越的地区气候环境极为恶劣，主要表现为：

(1)沿线严重干旱缺水、蒸发量远大于降水量

线路穿越地区严重干旱缺水，线路穿越的四个地区的年降水量均较小，年均降水量最大的准格尔盆地南缘山前冲、洪积平原区年降水量为271.4 mm，而哈密、吐鲁番盆地北缘山前冲、洪积平原区年均降水量仅为16.2 mm，但四个地区的年均蒸发量均在2 000 mm以上，其中天山东脉北山南麓丘陵区年均蒸发量达到3 301.6 mm。

(2)线路穿越风区，风期长、风力大

线路穿越百里风区、三十里风区等五大风区，区段内风速高，最大风速达60 m/s；风期长，局部地段大于8级风的天数已超过200 d。

(3)夏季高温、冬季低温、昼夜温差大

线路穿越地区夏季极端气温均在30 ℃以上，最高达到47.7 ℃，而冬季极端气温又非常低，最低达到-31.3 ℃。因为夏季高温是由太阳直射造成的，晚上又受大风影响，气温降低较多，因此昼夜温差较大。

由于兰新二线穿越地区处于干旱、大风和大温差环境，我单位施工的第五标段经过地区恶劣环境条件尤为突出, 在这样的环境下修建高速铁路，国内外还没有成熟的混凝土施工技术，也没有相关的控制参数，成型后的混凝土结构物不能采取常规的洒水养护，养护不到位以及大温差容易引起早期收缩过快，导致出现混凝土开裂病害,而设计文件又要求使用寿命为100年的高性能混凝土，为保证混凝土施工质量,我单位成立了混凝土施工技术研究课题组,本文结合该工程对干旱、大风和大温差环境下桥梁墩身混凝土的配制与养护技术进行研究，并取得良好效果，可供类似工程借鉴。

2 研究的主要内容

当混凝土结构处于干燥、大风、大温差气候条件下时，如果设计的混凝土配合比存在问题，易造成混凝土性能不好、抗裂性差，同时由于气候环境干燥、相对湿度小、蒸发量大，混凝土在养护期间很难从外界获得水分补充，而其内部水分会大量向外散失，使水泥等胶凝材料水化不充分，不仅混凝土强度增长缓慢，而且会产生较大的干缩，在混凝土表面形成大量的干缩裂缝，裂缝的产生将导致混凝土结构抗冻性、抗蚀性等耐久性严重降低，无法保证混凝土使用寿命达100年[2～3]。

针对干旱、大风、大温差恶劣环境下混凝土工程所面临的技术问题，需研究的主要内容为：

(1)精心设计混凝土配合比，研制适用于恶劣环境下的高性能混凝土配合比，确保混凝土满足抗裂性、抗冻性与抗蚀性等技术要求。

(2)通过对混凝土在恶劣气候环境下不同的养护方式对高性能混凝土工作性、抗开裂性的影响，研究恶劣环境下高性能混凝土防裂养护技术。

3 桥梁墩身混凝土设计要求

根据TB 10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》及设计文件要求，本标段墩台身大多数为C40混凝土，且处于T2、H3、L1、D2环境，要求墩台身混凝土和易性良好、外观无蜂窝麻面、不开裂、颜色一致、无水纹、抗风蚀等，具体要求如下：

(1)墩身的混凝土强度设计等级为C40，坍落度160±20 mm，坍落扩展度应控制在500±20 mm，含气量不低于5 %，可泵性好；

(2)电通量<1000 C；

(3)抗冻性≥F300；

(4)混凝土抗裂性好，不开裂；

(5)混凝土中氯离子含量小于胶凝材料总量的0.06 %；

(6)混凝土中总碱含量不大于3.0 kg /m3。

4 混凝土的配制路线

为保证在干旱、大风、大温差环境下混凝土结构工程的使用寿命，确定的混凝土配合比配制路线如下：

(1)选用优质的混凝土原材料，方可配制出性能优良的混凝土，从而确保混凝土的耐久性。

(2)在混凝土中掺入聚羧酸减水剂，通过减水剂的高分散性的特点，降低混凝土的水胶比，使混凝土内部更加致密，抗裂性、抗冻性提高。

(3)在混凝土中掺入足够量优质粉煤灰与磨细矿渣(矿粉)等活性矿物掺和料，不仅改善混凝土的和易性，还可延缓混凝土最高温升时间，降低混凝土内部水化热与内外温差，提高混凝土的抗裂能力，且利用其活性和微粒填隙作用，改善硬化混凝土的微观结构，降低混凝土的孔隙率，提高混凝土的密实性、抗裂性、抗冻性[4]。

5 原材料选择

混凝土设计使用寿命为100 a，要求混凝土耐久性高，抗裂性能强，选择原材料时，应以防止混凝土开裂为目标进行选材，并满足TB 10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》的相应要求。

(1)水泥应选择碱含量低、C3A含量较小的水泥品种，工程中选用新疆天山水泥股份有限公司生产的P·O42.5水泥，其主要技术指标见表1。

表1 天山水泥主要技术性能检验结果

(2)粉煤灰选用新疆华润通(玛电)Ⅰ级粉煤灰，其主要技术性能指标见表2。

表2 粉煤灰主要技术性能检验结果 %

(3)矿粉，选用曲沃县旭东建材有限公司S95级矿粉，其主要技术指标见表3。

表3 矿粉主要技术性能检验结果

(4)细骨料选用鄯善砂场中砂，其主要技术指标见表4。

表4 细骨料主要技术性能检验结果

(5)粗骨料选用吐鲁番石场碎石，采用5～31.5 mm连续级配，主要技术指标检验结果见表5。

表5 粗骨料主要技术指标检验结果

(6)减水剂选用北京建工有限公司生产的缓凝型AN4000聚羧酸减水剂, 其主要技术指标检验结果见表6。

表6 减水剂主要技术性能检验结果

(7)拌合水采用新疆鄯善地区坎儿井水，其主要技术指标检验结果见表7。

表7 拌合水主要技术性能检验结果

6 混凝土配制与养护方式研究

6.1 混凝土配制

依据TB 10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》,采用选择的混凝土原材料,按水胶比不大于0.40的原则进行混凝土配制[5]，经多次试验,得到性能较优、可供比选的配合比(表8)。

6.2 养护方式的比对方案

按上述确定的较优配合比分别浇注3个试验墩，共计6个试验墩(为矩形实心墩,截面尺寸2 m×2 m,高4 m)，并采用三种不同的方式进行养护，同时在试验墩内部埋设温度传感器，监测混凝土内部温升，通过混凝土性能测试、试验墩内部温度测试和外观质量分析、对比，确定最终的混凝土配合比与养护方式(表9)。

表8 C40混凝土比选配合比

表9 试验墩混凝土养护方案

6.3 测试情况

对试验墩混凝土拌和物性能、强度进行测试，监测试验墩混凝土的温升，相应测试结果见表10，试验墩混凝土芯部达最高温度延时情况见表11。

表10 试验墩测试结果汇总

表11 试验墩混凝土芯部达最高温度延时统计

6.4 结果分析

(1)两个不同矿物掺和料掺量的混凝土和易性均良好，抗压强度均能满足设计等级C40的要求。

(2)随着混凝土中掺和料掺量的增加，水泥用量减少，混凝土水化热在减少，内部温升降低。当掺合料掺量为41%时，混凝土芯部最高温度为73 ℃，已超过TB 10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》要求(混凝土芯部温度不宜超过60 ℃)；当掺合料掺量为50 %时，混凝土芯部最高温度为58 ℃左右，符合TB 10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》要求。

(3)随着混凝土中掺和料掺量的增加，混凝土芯部达到最高温度用时得以延长9～18 h(表12)，从而也减少了混凝土早期开裂的风险。

(4)掺和料掺量为50 %的混凝土采用三种方式进行养护，10 d内与环境最大温差(14～17 ℃)均得到明显降低，满足TB 10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》混凝土芯部温度与混凝土表面温差、表面温度与环境温差不宜超过20 ℃的要求，同样也减少了混凝土开裂的风险；同时，在养护28 d后，将保温保湿膜拆除，检查混凝土外观，掺和料掺量为50 %试验墩采用方案二(浸水毛毡+防水薄膜+彩条布)养护，表面状况最好，未发现有裂缝产生。

综上，采用浸水毛毡+防水薄膜+彩条布的保温保湿养护方式，可减少养护期间水分向外散失与混凝土的表面温度受外界环境温度的影响，夏季高温时起到隔热作用，保证混凝土表面温度不过高；冬季低温时又起到保温作用，保证混凝土表面温度不过低，不发生冻胀，从而确保混凝土芯部与表面温差、混凝土表面与大气温差不超过20℃的要求，保证混凝土结构抗冻性、抗蚀性以及抗裂性等耐久性能，从而解决混凝土开裂这一技术难题。