京津城際鐵路預(yù)制箱梁高性能混凝土配比設(shè)計(jì)摘 要:京津城際軌道交通工程雙線預(yù)制箱梁要求采用高性能混凝土進(jìn)行施工,以滿足結(jié)構(gòu)使用壽命100年的目標(biāo)。結(jié)合京津3#梁場的試驗(yàn)情況,從控制混凝土原材料質(zhì)量、優(yōu)化配合比、施工前的相關(guān)試驗(yàn)等方面,介紹高性能混凝土配制情況。關(guān)鍵詞:京津城際,預(yù)制箱梁,高性能混凝土,配比,設(shè)計(jì)1 工程概況 京津城際軌道交通工程,連接北京、天津兩大直轄市,是我國第一條最高設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)350 km/h的客運(yùn)專線,設(shè)計(jì)使用壽命100年。 3號梁場主要負(fù)責(zé)涼水河特大橋305孔箱梁的預(yù)制任務(wù)。其中:32m箱梁276孔(342 m3/孔),24m箱梁29孔(266 m3/孔)。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C50,總量約10萬m3。2 箱梁施工對混凝土的要求 強(qiáng)度:制梁臺位上需盡早達(dá)到預(yù)張拉(設(shè)計(jì)強(qiáng)度的60%)和初張拉(設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%),以滿足設(shè)計(jì)規(guī)劃的平均6~7天的預(yù)制周期。 施工性能:較高的流動性、填充性和較好的可泵性,以滿足6小時(shí)內(nèi)一次澆筑完成。 耐久性:滿足低滲透性要求,以保證混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。3 高性能混凝土配制思路 鑒于高性能混凝土配制的目標(biāo)主要為高耐久性、高工作性和強(qiáng)度要求。通過用摻和料取代部分水泥的方法,使得所拌制的混凝土均勻、體積穩(wěn)定,并具有較好的流動性和可泵性,便于成型,同時(shí)達(dá)到早期溫升低、硬化過程干縮小,無初始裂紋,滲透性低,以實(shí)現(xiàn)提高混凝土的耐久性的目的。4 高性能混凝土的配制方法4.1 原材料選擇 (1)水泥 質(zhì)量穩(wěn)定的普通硅酸鹽水泥,并滿足如下控制指標(biāo)。實(shí)際所用水泥主要檢測技術(shù)指標(biāo)如表1。
(2)砂 重點(diǎn)控制其主要質(zhì)量指標(biāo)(如含泥量、泥塊含量、云母含量等)外,粒徑上選用細(xì)度模量約為3.0的中粗砂,以提高混凝土的施工性能和強(qiáng)度。實(shí)際用砂主要檢測指標(biāo)如表2。 (3)石料 基于級配好、粒形好的碎石有利于在混凝土中與水泥石的界面很好結(jié)合,提高密實(shí)度、流動性和界面強(qiáng)度,施工實(shí)際選用石料為兩級配(10~25 mm∶5~10 mm=75∶25),主要檢測指標(biāo)如表3。 (4)礦物細(xì)摻料 混凝土配制時(shí)加入礦物細(xì)摻料,可降低混凝土內(nèi)部溫升,改善混凝土的工作性能,增進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度,同時(shí)還可改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高混凝土的抗腐蝕能力。混凝土配制時(shí)摻入了粉煤灰和磨細(xì)礦粉兩種摻和料。實(shí)際所用Ⅰ級粉煤灰和磨細(xì)礦渣粉的主要檢測技術(shù)指標(biāo)如表4、表5。 (5)高效減水劑 由于減水劑的濃度越高,減水率越大,越易造成混凝土的坍落度損失。在選擇高效減水劑時(shí),重點(diǎn)對硫酸鈉的含量、減水率等方面進(jìn)行了嚴(yán)格控制。4.2 高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì) (1)配合比的設(shè)計(jì)原則 ①盡量減少水泥用量,以達(dá)到降低混凝土內(nèi)部溫升,減小混凝土早期收縮,使其具有足夠的彈性模量和體積穩(wěn)定性。 ②摻入適量礦物摻和料,達(dá)到混凝土所需的合理漿集比,以改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作性能,增進(jìn)后期強(qiáng)度,提高抗腐蝕能力。 ③摻用高效減水劑,盡量降低水膠比,以達(dá)到在確保混凝土強(qiáng)度的前提下,提高混凝土的施工性能。 (2)配合比設(shè)計(jì)中綜合考慮的因素 ①在盡量減少水泥用量同時(shí),綜合考慮了箱梁的生產(chǎn)周期要求,以滿足混凝土各個施工階段對強(qiáng)度的要求,從而使制梁臺位盡可能達(dá)到合理利用。 ②減水劑的用量方面,設(shè)計(jì)時(shí)一方面調(diào)整各摻量以達(dá)到混凝土的最佳施工性能,另一方面還需要適當(dāng)控制其摻入總量,防止坍落度損失太大,影響后期施工。 ③合理調(diào)整粗、細(xì)集料之間的比例,以克服由于高效減水劑的使用可能會引起混凝土的離析和泌水。 ④由于摻入的減水劑數(shù)量很少,試配時(shí)適當(dāng)延長混凝土的攪拌時(shí)間,為后期混凝土合理拌制時(shí)間的選擇提供依據(jù),使所生產(chǎn)的混凝土更加均勻,施工性能更好。 ⑤礦渣粉的細(xì)度越大,其活性越高,不利于混凝土內(nèi)部溫升的控制。在合理選擇滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,適當(dāng)控制并調(diào)整其摻入量,以充分發(fā)揮其活性,減小混凝土沁水。 (3)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)初定 ①初始坍落度200~220 mm,擴(kuò)展度大于500mm,混凝土經(jīng)時(shí)損失1小時(shí)坍落度不小于180mm,擴(kuò)展度大于450 mm。 ②混凝土水膠比不大于0.35,水泥用量不大于400 kg/m3,總膠凝材料用量不大于500 kg/m3。 ③混凝土初凝時(shí)間:16~18小時(shí)。 ④含氣量應(yīng)控制在2.0~4.0%。 ⑤混凝土長期性和耐久性指標(biāo)要求抗凍性的耐久性指數(shù)200次循環(huán)后,重量損失不應(yīng)超過5%,相對動彈性模量不應(yīng)低于60%,抗?jié)B性大于P20,混凝土抗氯離子滲透值不大于1000 C。 ⑥混凝土內(nèi)部最大溫升不超過60℃。5 配合比驗(yàn)證 (1)配合比在實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證 根據(jù)上述配合比的設(shè)計(jì)原則,綜合考慮了各種因素,經(jīng)過反復(fù)試配調(diào)整,初步確定基準(zhǔn)配合比后,擴(kuò)展進(jìn)行相關(guān)試配試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表6。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:1#和3#配比較為理想,但3#配合比較1#配合比較為粘滯,綜合考慮混凝土耐久性、施工性、經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場施工周期要求等因素,決定采用1#配合比作為基準(zhǔn)配比。 通過對1#配合比混凝土進(jìn)行耐久性試驗(yàn),各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足《客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》和《客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》的要求。 主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。 (2)配合比在現(xiàn)場驗(yàn)證 混凝土配合比選定之后,預(yù)制箱梁正式生產(chǎn)之前,現(xiàn)場選定一制梁臺座,澆筑了截面尺寸與實(shí)際預(yù)制箱梁一致的2 m“箱梁試驗(yàn)段”,對所配制的混凝土從主要施工性能、溫度控制等方面,進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(見圖1)。 在后期的實(shí)際施工中,同樣通過不同位置埋設(shè)測溫片,進(jìn)行混凝土內(nèi)部溫升測定,和對主要施工性能的測定,所配制的混凝土均滿足后期預(yù)制箱梁生產(chǎn)所期望達(dá)到的要求(圖2)。6 結(jié)論和建議 (1)采用選定的各項(xiàng)原材料試配的C50高性能混凝土配比,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)經(jīng)檢驗(yàn)均滿足預(yù)制箱梁對混凝土施工工藝和耐久性要求。 (2)通過摻入磨細(xì)礦渣粉和粉煤灰,較好地控制了混凝土內(nèi)部溫升。 (3)磨細(xì)礦渣粉需水量小、比表面積大、活性系數(shù)高,摻量提高會使混凝土粘滯性提高,對輸送和振搗不利;粉煤灰相對需水量大、比表面積大、活性系數(shù)低,摻量提高會使混凝土流動性降低、早期強(qiáng)度降低。配合比設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮上述因素,并通過試驗(yàn)加以確定水泥、磨細(xì)礦渣粉和粉煤灰的最佳組合,才可達(dá)到理想效果。 (4)高性能混凝土對各種原材料質(zhì)量的波動較為敏感。現(xiàn)場施工必須加強(qiáng)原材料的進(jìn)場檢驗(yàn)和生產(chǎn)混凝土?xí)r對原材料準(zhǔn)確計(jì)量等環(huán)節(jié)的控制,以保證混凝土滿足施工要求。參考文獻(xiàn)[1]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.9[2]客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件[S].2005.7[3]客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件[S].2005.5
(2)砂 重點(diǎn)控制其主要質(zhì)量指標(biāo)(如含泥量、泥塊含量、云母含量等)外,粒徑上選用細(xì)度模量約為3.0的中粗砂,以提高混凝土的施工性能和強(qiáng)度。實(shí)際用砂主要檢測指標(biāo)如表2。 (3)石料 基于級配好、粒形好的碎石有利于在混凝土中與水泥石的界面很好結(jié)合,提高密實(shí)度、流動性和界面強(qiáng)度,施工實(shí)際選用石料為兩級配(10~25 mm∶5~10 mm=75∶25),主要檢測指標(biāo)如表3。 (4)礦物細(xì)摻料 混凝土配制時(shí)加入礦物細(xì)摻料,可降低混凝土內(nèi)部溫升,改善混凝土的工作性能,增進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度,同時(shí)還可改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高混凝土的抗腐蝕能力。混凝土配制時(shí)摻入了粉煤灰和磨細(xì)礦粉兩種摻和料。實(shí)際所用Ⅰ級粉煤灰和磨細(xì)礦渣粉的主要檢測技術(shù)指標(biāo)如表4、表5。 (5)高效減水劑 由于減水劑的濃度越高,減水率越大,越易造成混凝土的坍落度損失。在選擇高效減水劑時(shí),重點(diǎn)對硫酸鈉的含量、減水率等方面進(jìn)行了嚴(yán)格控制。4.2 高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì) (1)配合比的設(shè)計(jì)原則 ①盡量減少水泥用量,以達(dá)到降低混凝土內(nèi)部溫升,減小混凝土早期收縮,使其具有足夠的彈性模量和體積穩(wěn)定性。 ②摻入適量礦物摻和料,達(dá)到混凝土所需的合理漿集比,以改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作性能,增進(jìn)后期強(qiáng)度,提高抗腐蝕能力。 ③摻用高效減水劑,盡量降低水膠比,以達(dá)到在確保混凝土強(qiáng)度的前提下,提高混凝土的施工性能。 (2)配合比設(shè)計(jì)中綜合考慮的因素 ①在盡量減少水泥用量同時(shí),綜合考慮了箱梁的生產(chǎn)周期要求,以滿足混凝土各個施工階段對強(qiáng)度的要求,從而使制梁臺位盡可能達(dá)到合理利用。 ②減水劑的用量方面,設(shè)計(jì)時(shí)一方面調(diào)整各摻量以達(dá)到混凝土的最佳施工性能,另一方面還需要適當(dāng)控制其摻入總量,防止坍落度損失太大,影響后期施工。 ③合理調(diào)整粗、細(xì)集料之間的比例,以克服由于高效減水劑的使用可能會引起混凝土的離析和泌水。 ④由于摻入的減水劑數(shù)量很少,試配時(shí)適當(dāng)延長混凝土的攪拌時(shí)間,為后期混凝土合理拌制時(shí)間的選擇提供依據(jù),使所生產(chǎn)的混凝土更加均勻,施工性能更好。 ⑤礦渣粉的細(xì)度越大,其活性越高,不利于混凝土內(nèi)部溫升的控制。在合理選擇滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,適當(dāng)控制并調(diào)整其摻入量,以充分發(fā)揮其活性,減小混凝土沁水。 (3)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)初定 ①初始坍落度200~220 mm,擴(kuò)展度大于500mm,混凝土經(jīng)時(shí)損失1小時(shí)坍落度不小于180mm,擴(kuò)展度大于450 mm。 ②混凝土水膠比不大于0.35,水泥用量不大于400 kg/m3,總膠凝材料用量不大于500 kg/m3。 ③混凝土初凝時(shí)間:16~18小時(shí)。 ④含氣量應(yīng)控制在2.0~4.0%。 ⑤混凝土長期性和耐久性指標(biāo)要求抗凍性的耐久性指數(shù)200次循環(huán)后,重量損失不應(yīng)超過5%,相對動彈性模量不應(yīng)低于60%,抗?jié)B性大于P20,混凝土抗氯離子滲透值不大于1000 C。 ⑥混凝土內(nèi)部最大溫升不超過60℃。5 配合比驗(yàn)證 (1)配合比在實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證 根據(jù)上述配合比的設(shè)計(jì)原則,綜合考慮了各種因素,經(jīng)過反復(fù)試配調(diào)整,初步確定基準(zhǔn)配合比后,擴(kuò)展進(jìn)行相關(guān)試配試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表6。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:1#和3#配比較為理想,但3#配合比較1#配合比較為粘滯,綜合考慮混凝土耐久性、施工性、經(jīng)濟(jì)性和現(xiàn)場施工周期要求等因素,決定采用1#配合比作為基準(zhǔn)配比。 通過對1#配合比混凝土進(jìn)行耐久性試驗(yàn),各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足《客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件》和《客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》的要求。 主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。 (2)配合比在現(xiàn)場驗(yàn)證 混凝土配合比選定之后,預(yù)制箱梁正式生產(chǎn)之前,現(xiàn)場選定一制梁臺座,澆筑了截面尺寸與實(shí)際預(yù)制箱梁一致的2 m“箱梁試驗(yàn)段”,對所配制的混凝土從主要施工性能、溫度控制等方面,進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證(見圖1)。 在后期的實(shí)際施工中,同樣通過不同位置埋設(shè)測溫片,進(jìn)行混凝土內(nèi)部溫升測定,和對主要施工性能的測定,所配制的混凝土均滿足后期預(yù)制箱梁生產(chǎn)所期望達(dá)到的要求(圖2)。6 結(jié)論和建議 (1)采用選定的各項(xiàng)原材料試配的C50高性能混凝土配比,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)經(jīng)檢驗(yàn)均滿足預(yù)制箱梁對混凝土施工工藝和耐久性要求。 (2)通過摻入磨細(xì)礦渣粉和粉煤灰,較好地控制了混凝土內(nèi)部溫升。 (3)磨細(xì)礦渣粉需水量小、比表面積大、活性系數(shù)高,摻量提高會使混凝土粘滯性提高,對輸送和振搗不利;粉煤灰相對需水量大、比表面積大、活性系數(shù)低,摻量提高會使混凝土流動性降低、早期強(qiáng)度降低。配合比設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮上述因素,并通過試驗(yàn)加以確定水泥、磨細(xì)礦渣粉和粉煤灰的最佳組合,才可達(dá)到理想效果。 (4)高性能混凝土對各種原材料質(zhì)量的波動較為敏感。現(xiàn)場施工必須加強(qiáng)原材料的進(jìn)場檢驗(yàn)和生產(chǎn)混凝土?xí)r對原材料準(zhǔn)確計(jì)量等環(huán)節(jié)的控制,以保證混凝土滿足施工要求。參考文獻(xiàn)[1]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國鐵道出版社,1999.9[2]客運(yùn)專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件[S].2005.7[3]客運(yùn)專線預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制梁暫行技術(shù)條件[S].2005.5