雅万高铁混凝土耐久性试验及工程应用

张武宗，刘晓钰，兰聪，张远

（中建西部建设西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

“一带一路”沿途新兴经济体拥有规模巨大的基建市场，为我国高铁“走出去”提供了前所未有的契机，而雅万高铁正是我国高铁“走出去”的典型案例[1]。由于雅万高铁的地理位置处于高温高湿环境，氯离子、硫酸根离子等侵蚀介质活泼，对混凝土工作性能和耐久性有更高的要求，并且印尼当地混凝土原材料质量较差，性能低于我国铁路混凝土相关标准，高性能混凝土的制备面临众多技术难点[2-4]。因此雅万高铁混凝土配合比设计尤为重要，通过优化设计配合比，克服原材料质量问题，提升混凝土工作性及耐久性，以满足混凝土设计要求，确保整体工程的施工质量，为雅万高铁的混凝土施工存在的技术问题提供一个有效的解决方法。

1 雅万高铁混凝土技术难点

雅万高铁项目正线长 142.2km，最高设计速度350km/h，其中路基 48.94km，占全长的 34.42%；桥梁76.79km，占全长的 54.00%；隧道 16.47km，占全长的11.58%；正线铺轨无砟轨道 159 铺轨公里，有砟轨道126 铺轨公里。我司主要承接雅万高铁 DK0-DK40 合同段涉及的水下桩、承台、墩柱、箱梁、地连墙等混凝土的供应任务。结合印尼当地的地理环境，目前混凝土的生产供应主要存在以下技术难点：

（1）印尼的高温高湿天气，炎热多雨，太阳光强，昼夜温差较大，混凝土工作性损失快，容易导致混凝土收缩开裂。因此在混凝土设计施工时，混凝土工作性保持和水化温升控制是需重点关注的问题。

（2）雅万高铁所处环境中氯离子、硫酸根离子等具有侵蚀性物质的相对含量高，这对混凝土的耐久性提出了严峻的考验。在混凝土配合比设计时需重点关注氯离子、硫酸盐离子的含量，以及后期抗氯离子渗透和硫酸盐侵蚀的能力。

（3）印尼当地混凝土原材来源品质不高，个别标准低于我国现行铁路标准要求，对于混凝土性能的保持较为困难。

2 原材料及配合比设计

2.1 原材料

（1）水泥：Pt.Semen Gauda OPC Ⅰ水泥，主要性能指标见表1。

表1 水泥检测指标

（2）粉煤灰：HENGDA F 类Ⅱ级粉煤灰，主要性能指标见表2。

表2 粉煤灰检测指标

（3）细集料：Kalimantan 河砂，级配合理，细度模数 2.4，含泥量 0.9%。

（4）粗骨料：Jongle-MMS 的 5～31.5mm 连续级配碎石。

（5）外加剂：中建西部建设印尼公司特制专用聚羧酸减水剂，固含量为 21.4%，减水率为 29.0%。

（6）引气剂：中建西部建设印尼公司生产的 ZJ-6型引气剂，固含量 2.5%。

（7）水：地下水。

2.2 配合比设计

雅万高铁所处地理环境特殊，混凝土面临众多因素对耐久性的考验，因此，有必要对雅万高铁混凝土进行不同环境类别的配备比设计，以满足不同环境下的耐久性要求。查阅铁路混凝土相关资料，结合雅万高铁项目实际情况，以承台、墩柱用混凝土为例，混凝土面临的侵蚀环境分为碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、盐类结晶破坏环境，并根据环境的作用等级，列出相应的耐久性指标，见表3。

以印尼当地原材料特点和混凝土所处的侵蚀环境，并结合以往的配合比设计经验，进行不同强度和不同环境的混凝土配合比设计。在大量试配试验的基础上，通过调整水胶比和掺入引气剂，研究对混凝土的工作性能和强度的影响。承台、墩柱的主要配合比和测试结果如表4 所示。

2.3 基准配合比

由表4 可知，试验各组的性能均满足设计要求。按照工作性能优良、强度合格、经济合理的原则，确定混凝土基准配合比，如表5 所示。

3 耐久性能试验

3.1 抗氯离子侵蚀性能

（1）电通量

电通量法是目前常用的用来测定混凝土抗氯离子渗透性能，用来评价混凝土抵抗氯离子向混凝土内部渗透的能力，是反映混凝土耐久性能的重要指标[5]。雅万高铁属于热带雨林气候，混凝土受氯离子侵蚀问题较为突出，因此在配合比设计时必须考虑这一点，进行抗渗性能测，基准配合比电通量试验结果如图1 所示。

从图1 可以看出，各组电通量结果均符合设计要求的小于 1200C。随着强度等级的增加，即胶凝材料用量的增加，混凝土的电通量降低；在同强度等级下，掺入引气剂能够明显地降低混凝土的电通量，说明其对混凝土的抗渗性能有提升效果。

（2）氯离子扩散系数

快速氯离子迁移系数法（RCM 法），与电通量法比较，它适用于测定氯离子在混凝土中非稳态迁移的迁移系数。铁路混凝土标准中要求，此方法用于评价处于氯盐环境下的混凝土。根据要求，需对处于氯盐侵蚀的混凝土氯离子扩散系数进行检测，因此对基准组中的C-2 和 C-4 进行测定，结果如表6 所示。

表3 不同环境类别的耐久性指标

表4 基础试验配合比

表5 基准配合比

图1 电通量试验对比图

表6 氯离子扩散系数试验结果

从结果可以看出，氯离子扩散系数均小于 5.0×10-12m2/s，满足设计要求。随强度等级的增加，即胶凝材料用量的增加，氯离子扩散系数减小，有利于混凝土的抗渗性能提升，这与电通量法测得的结果一致。

3.2 抗硫酸盐侵蚀性能

混凝土处于化学盐侵蚀环境中，硫酸盐类等化学物质会与水泥水化产物发生化学反应导致混凝土损伤，影响其耐久性能[6,7]。根据雅万高铁工程的实际情况，混凝土易遭受硫酸盐干湿循环交替作用，因此对处于硫酸盐侵蚀环境的混凝土，在配合比设计时，需要进行干湿循环试验，测定其抗硫酸盐侵蚀性能。由于配合比中粉煤灰掺入较多，采用 56d 龄期进行试验，试验结果见表7 和图2 所示。

表7 抗硫酸盐侵蚀试验结果

图2 抗硫酸盐侵蚀试验结果

从图中可以看出，经过 30 次干湿循环后，两组混凝土的 Kf均超过 100%，并且 C-4 组比 C-2 组的 Kf更大。随着干湿循环次数的增加，C-4 组的 Kf降低幅度更大。由于在混凝土干湿循环初期，侵蚀溶液中的 SO2-4能够和部分水泥水化产物反应生产钙矾石（AFt），增加混凝土的致密性，强度有所增加。但是随着循环次数的增加，AFt 数量的增加超过混凝土内部所能承受的程度，出现膨胀裂纹，导致骨料剥落，强度降低。从试验结果可以看出，两组混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力均满足设计要求的大于等于 KS120。

4 工程应用

雅万高铁 DK0-DK41 共计墩柱 800 余根，共计 20万方，墩柱强度等级为 C40～C45，浇筑方式均为泵送。根据混凝土所处的具体环境情况，选择相应的配合比。为了保证所有的墩柱混凝土在生产和浇筑及后期性能质量均满足设计要求，特制定以下措施：

（1）严选原材料。主要针对印尼当地原材料质量较差的情况，在材料上进行优选。细集料选用含泥量低、级配良好的河砂，对混凝土坍落度、扩展度损失控制有利；粗骨料选用粒形较好的碎石，节省填充砂浆用量，增加混凝土流动性；减水剂选用特制聚羧酸高效减水剂，降低用水量控制水胶比，提高混凝土在不同环境类别的耐久性。

（2）生产质量控制。分析明确当次混凝土浇筑控制要点，并巡视料仓、检查骨料质量、交底铲车上料要求、检测骨料含水率、复核计量是否正常、检查运输罐车积水是否排尽等；按要求进行混凝土出站工作性能检测。

（3）运输和浇筑。由于印尼的高温高湿天气，炎热多雨，太阳光强，昼夜温差较大，混凝土工作性损失快，因此在运输上，要尽可能缩短时间，浇筑时必须确保坍落度和扩展度达标，严格控制浇筑时间；出现时间过长，混凝土状态不满足浇筑条件的，由现场技术人员进行调整或返站处理。

（4）混凝土振捣。分层浇筑混凝土时每一插点要掌握好振动时间，插点要均匀排列，插点距离应不大于振动棒作用半径的 1.5 倍，一般为 500mm；避免碰撞钢筋、模板、预埋件，要经常检查所有预埋件的牢固程度和位置的准确性。

根据混凝土生产统计和浇筑记录，墩柱混凝土从生产到浇筑施工，质量控制较好，后期力学和耐久性能优异，总体结果良好。表8 为生产取样的性能测试结果平均值。

5 结论

（1）分析了雅万高铁混凝土的技术难点，并列举了混凝土的不同侵蚀环境和技术要求，在此基础上，根据混凝土工作性能和力学性能进行混凝土配合比优化，确定基准配合比。

（2）对 4 组基准配合比进行电通量、氯离子渗透系数和抗硫酸盐侵蚀试验，结果表明，各组电通量小于1200C，氯离子渗透系数小于 5×10-12m2/s，抗硫酸盐侵蚀的干湿循环次数大于 KS120，混凝土整体性能优异，满足设计要求。

（3）工程应用实践中，质量保证措施恰当，配合比满足要求，混凝土整体工作性、力学性和耐久性良好，施工进展顺利，效果良好。

表8 生产取样试验结果