严寒地区高速铁路桥面线间保护层混凝土应用研究

杨智翔YANG Zhi-xiang

（京沈客专辽宁公司（哈大客专公司），沈阳 110000）

0 引言

严寒地区对混凝土结构保护层的冻融破坏引起表层的砂浆“机理”性破坏。由于混凝土劣化机理与研究较为分散，而由于高速铁路的特殊需求，不允许混凝土表层“粉化”机理性破坏后，形成骨料结构疏散风险，后受“风动”通道环境击打高铁动的安全问题。

1 严寒地区铁路露天结构耐久性设计要求

露天结构是保证结构钢筋保护层的耐久性，其成为各种的重要发展需求方向。在《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中混凝土结构耐久性的定义为：在预定作用和预期使用与维护条件下，结构及其部件能在预定期限内维持其所需最低性能要求的能力。需要指出的是，混凝土劣化程度和其环境作用下混凝土的性能关系密切。环境作用级别，前提是不同环境情况下需满足某种特定组分要求的混凝土。由此，混凝土结构耐久性的主要因素是优质的原材料、可靠的施工过程质量控制、合理的结构构造和混凝土配合比、以及定期养护、检测与维修，它们也是混凝土结构按设计使用年限设计的基本内容。

我国现行规范中混凝土抗冻性能指标是抗冻等级或抗冻标号。在公路、水工等规范中，混凝土抗冻等级的含义为快速冻融试验中质量损失达到5%或者动弹模降到初始值的60%（两种条件只需满足其一时）的循环次数。

从《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB10005-2010）中得出，冻融破坏作用主要和环境最低温度、冻融反复循环次数及混凝土的含水率相关。在相同条件下，冻融破坏作用更大的是含氯盐水体。依据含水率状况、现场最冷月份统计得到的平均气温和水中是否含盐来划分等级，具体定义是根据其最冷月的平均气温划分严寒地区（t≤-8℃）、寒冷地区（-8℃＜t＜-3℃）、微冻地区（-3℃≤t≤2.5℃）。东北地区铁路混凝土耐久性设计大多为D2、D3、D4等级。铁路工程具有露天服役环境和条状结构等特点，因此造成其混凝土结构承受外部环境和所接触水体与土体的腐蚀作用，不同铁路工程都有独特的特点，相应规范给出通用要求，无法确保所有工程项目的安全性与耐久性。

2 高速铁路线间大面积保护层特点

由于线间防水层的保护层处于高铁动车特别是会车时发生的“风动”效应的工况下，东北地区的高速铁路桥面线间防水层常规采用C40细石纤维混凝土+防水卷材保护层，尤其在保护层混凝土劣化后，易产生裂纹扩展延长，卷材与保护层的粘结降低、混凝土表面粉化后碎石击打动车。见图1。

图1 保护层混凝土粉化

中国铁道科学研究院研制的低收缩、高抗裂、高抗冻的高锆耐碱纤维混凝土，其中配合比采用“用水量少、胶凝用量少、坍落度低、含气量高”的“两少一低一高”方法配制混凝土，降低早期强度，有效避免开裂。

大面积超薄玻璃纤维防水混凝土浇筑采用自主研发的震动平台，保证了施作排水坡一次成型，有效预防工后开裂现象。

采用C40细石纤维混凝土+防水卷材的复合形式做为结构的防水封闭层，可大大提高混凝土抗冻性与抗裂性。

3 工艺原理

严寒地区高速铁路桥面大面积保护层施工主要包括防护墙外侧电缆槽防水和线间防水体系两部分，防护墙墙外侧电缆槽防水采取涂刷聚氨酯防水涂料+高纤维混凝土保护层方案，线间防水采取铺设高聚物改性沥青防水卷材+纤维混凝土保护层方案，结构示意见图2。

图2 线间防水结构示意图

桥面线间防水的方式是柔性防水+刚性防水，柔性层防水具有高延展性，可以用来调节结构变形和温差，刚性防水层具有高强度，可以用来作为保护层，柔性防水的抗老化能力用刚性防水材料的高耐候性来提高。卷材铺设机可以用来卷材铺设，人工烘烤粘结，卷材铺设由梁体一端开始，横向桥面按照从低到高的顺序进行，混凝土使用“用水量少、胶凝用量少、坍落度低、含气量高”配合比，降低早期强度，有效避免开裂。浇筑采用料斗吊运分点布料的方式，C40细石纤维混凝土作为刚性防水材料，可提高混凝土密实性与抗裂性，使用节水养护膜保湿养护混凝土，保证其养护期不失水。

4 试验研究

4.1 原材料选定

水泥：水泥采用P.O42.5低碱水泥。

粉煤灰：粉煤灰采用F类I级粉煤灰。

细骨料：细骨料中砂，细度模数在2.5左右。

粗骨料：粗骨料采用碎石（5～10mm），碎石经过整形机整形，空隙率不大于38%。

4.2 配合比确定

根据高寒地区客运专线铁路防水的特点，线间防水封闭层采用铁科院研发的C40细石纤维混凝土，这种混凝土优点是抗裂性和抗冻性高、收缩性低。在高铁施工过程中对这种细石纤维混凝土的材料和施工开展了优化。

为了达到有效降低玻璃纤维混凝土的孔隙率的效果，若集料中针状颗粒比例较高，使用专门仪器对粗集料进行分级成型。经过集料成型和优化级配，孔隙率下降约5%~8%，在保证混凝土工作性不变的条件下，胶凝材料消耗量可节省大约30kg/m3。使用细度参数不同的细集料组合的多级配细集料来解决细集料的颗粒级配不满足要求的情况。使用专门仪器清洗细集料时，必须采取有效方法应对细颗粒的损失。

为了减少用水量，可采用高性能耐碱玻璃纤维替代聚丙烯腈纤维，要求这种耐碱玻璃纤维中锆含量至少16%。由于与聚丙烯腈纤维相比这种耐碱玻璃纤维的用水量小很多，所以不会出现混凝土耗水量的显著增加及性能的显著降低的问题，能明显增强混凝土的抗冻性能。

高性能减水剂具有防泌水、保坍、增稠、防离析、质量稳定等优点，3天抗压强度比不大于140%。搅拌现场应额外掺入一种外加剂增加引气效果，用来稳定保证混凝土的含气量。这种引气剂不能在外加剂厂跟减水剂一起掺加。

调整优化C40细石纤维混凝土的配合比目的在于减小甚至消灭裂缝，保证混凝土的密实度和耐久性，另外解决普通聚丙烯晴纤维混凝土存在的问题，比如易开裂、胶凝材料用量大，耗水量大、坍落度高（16~18cm）、含砂率高（高于40%）。配合比调整优化后的C40细石纤维混凝土早期强度低，达到了“胶凝用量少、耗水量小、坍落度低、含气量高”的目标，能够减小甚至消灭混凝土裂缝。见表1。

表1 C40细石玻璃纤维混凝土配合比

通过试验调整优化C40细石纤维混凝土的配合比，显著地提高了混凝土抵抗裂缝和耐严寒的性能。

从图3、图4可看出，抗冻融循环能力取得了显著的提高，冻融破坏经历循环次数从500次提高到1100次，抗干燥收缩性能与普通纤维混凝土相比提高了20%左右。

图3 抗冻性试验结果

图4 抗裂性试验结果

4.3 混凝土现场拌制

根据现场混凝土拌制试验研究得到的经验，应运用机械强制式搅拌机现场搅拌C40细石纤维混凝土。根据纤维混凝土的特性，在拌合过程中依次投放骨料、粉料、施工用水、外加剂、玻璃纤维，然后进行搅拌作业。在投放玻璃纤维时注意按照先集束纤维后分散纤维的顺序投放。C40纤维凝土强制搅拌时间要求如下：骨料、粉料、外加剂和分散型纤维先搅拌，时间不少于2分钟，然后投放集束型纤维，再搅拌，时间不少于1分钟；C40细石纤维混凝土与普通混凝土不一样，在搅拌过程中需要充分的搅拌，才能满足混凝土性能要求，搅拌所用时间总数不得少于4分钟。注意搅拌不仅要时间充分，也要均匀，并保证投放纤维的品质。

4.4 混凝土运输

C40细石纤维混凝土运输方法如下：首先采用混凝土搅拌运输车运输至现场桥下，然后运用吊车与吊斗一起来进行垂直运输（由于纤维混凝土坍落度不大于14cm，因此无法采用泵送运输）。在运输过程中要时刻注意观察C40细石纤维混凝土的状态，避免出现混凝土离析的问题。在放入布料平台之前，要对混凝土性能指标进行试验后，方可进行布料施工。

4.5 混凝土浇筑

混凝土浇筑施工一般安排在前日下午4:00至次日早晨08:00之间，用来达到避免夏季高温施工的目的。待浇筑的梁面提前用棉被覆盖，已确保浇筑的纤维混凝土温度与介质温差不大于15℃。防止温度对超薄纤维混凝土的影响，造成早期开裂的状况。

混凝土浇筑时在线间布料平台上设置料斗，人工推动料斗，按照每个布料点浇筑0.3～0.4m3混凝土布置。在布料时候应加强布料间距控制，根据经验布料点之间的间距一般采用1.5m。

图5 混凝土布料

由于C40细石纤维混凝土保护层厚度太薄的原因，无法采用振捣棒直接振捣的方式进行施工，所以采用自主研发的布料机进行布料，通过研发的振捣平台工装对超薄玻璃纤维混凝土进行振捣施工，通过施工试验段发现，一次振捣并不能有效密实超薄玻璃纤维混凝土，采用两次振捣平台振捣+一次人工小型压边振捣的方式。

超薄纤维混凝土施工采用自主研发的振捣平台进行混凝土振捣施工，振捣遍数为三遍，首先采用振捣平台将排水坡一次振捣成型，振捣过程中保持水平匀速，因坍落度低，摊铺厚度过薄，之后采用平板振捣器对振捣不到位的地方集中振捣，最后用小型平板振捣器振捣边角或露石地带，保证超薄纤维混凝土的整体密实。针对混凝土塑性阶段易产生龟裂纹病害，实践证明采取抹面处理是有效的。抹面次数不能太少，也不能太多，实践证明抹面4轮效果比较好。四轮抹面的时间和方法如下：振捣混凝土后立即采用塑料抹子修整排水坡，这是第一轮抹面，抹面后及时采用遮阳竹胶板遮盖；第一轮抹面后间隔60分钟后采用塑料抹子开展第二轮抹面工作；第二轮抹面后间隔40分钟后用塑料抹子开展第三轮抹面工作；第三轮抹面后间隔20分后用铁抹子开展第四轮抹面工作。抹面作业时需要注意的是禁止泼水。

4.6 混凝土养护

完成保护层混凝土灌注后应第一时间采取养护措施，采用防风节水保湿型养护膜养护法。此方法首先在混凝土表面洒水至完全湿润状态，然后在混凝土表面遮盖养护膜和遮阳板，遮盖保湿养护时间不少于28天。相比传统的土工布+塑料薄膜养护，防风节水养护膜采用三层结构，在防风的外膜内部有芯膜和树脂状的核心材料，防风节水养护膜可一次饱和浇水实现长效保湿养护的效果，能保证28天养护期内的超薄纤维混凝土的养护要求。成型保护见图6。

图6 高锆耐碱纤维混凝土保护层

5 结论

通过对混凝土配合比及施工措施的改进提高了混凝土的抗裂性、抗冻性和密实性。大面积保护层混凝土浇筑采用的震动平台，保证了施作排水坡一次成型，有效预防工后开裂现象，实现了在严寒地区防水混凝土不开裂、不粉化，卷材不起鼓等，为今后严寒地区高速铁路结构保护层混凝土的技术改良积累了技术储备和施工经验，具有广阔的推广应用前景。