鐵路高性能混凝土設(shè)計

1、鐵路高性能混凝土配合比設(shè)計的體會高性能混凝土不僅要求混凝土的拌和物具有大流動性的施工性能，而且要求混凝土具有良好的力學(xué)性能和耐久性。 鐵路高性能混凝土配合比設(shè)計和水工混凝 土相比，有其自己的特點，現(xiàn)對鐵路高性能混凝土配合比的設(shè)計談一下個人的理 解，僅供參考。鐵路混凝土配合比設(shè)計主要依據(jù)為建筑物的設(shè)計使用年限、環(huán)境類別及其 作用等級和混凝土耐久性指標(biāo)。鐵路高性能混凝土耐久性指標(biāo)主要為護筋性、抗 裂性、耐磨性、抗堿-骨料反應(yīng)、抗凍性、耐蝕性、抗?jié)B性等性能。而水工上的 大壩混凝土則主要控制指標(biāo)為混凝土極限抗拉強度、彈模、抗凍、抗?jié)B、熱學(xué)性 能及變形性能指標(biāo)。由于設(shè)計理念和對高性能混凝土考察的指標(biāo)不一

2、樣，在混凝 土配合比設(shè)計方法上，鐵路高性能混凝土施工配合比的設(shè)計也有其不同之處。以下主要針對不同點，對高鐵混凝土施工配合比的設(shè)計過程加以闡述。1、設(shè)計要求不一樣鐵路高性能混凝土配合比的設(shè)計要求主要表現(xiàn)在以下方面：混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限（一般為 100年、60年、30年）?；炷两Y(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別及作用等級： 碳化環(huán)境（T1T3）、氯鹽環(huán)境（L1L3）、化學(xué)侵蝕環(huán)境（H1H4）、凍融破壞環(huán)境（D1D4）及磨蝕環(huán)境（M1M3根據(jù)設(shè)計使用年限級別、混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別及作用等級明確高性能混 凝土配合比設(shè)計耐久性指標(biāo)（包括混凝土電通量、抗?jié)B性、抗凍融、抗裂性、護 抗性、抗堿一骨料等耐久性指標(biāo)）。2、

3、混凝土配合比用原材料的檢驗首先，在骨料選擇方面。水工骨料料場的選擇由設(shè)計單位在工程前期勘察后確定，骨料母材的全性能指標(biāo)檢驗已由設(shè)計單位完成，施工單位進場后可以根據(jù)設(shè)計提供的資料選定石料加工場，不需要施工單位對石料場進行堿活性、氯離 子等試驗。而鐵路工程就完全不一樣。一進場，就需要派專業(yè)人員對標(biāo)段沿線的 石料場進行普查，對可能用的石料場（砂場）需監(jiān)理見證取樣，送到有資質(zhì)并經(jīng) 監(jiān)理同意的檢測機構(gòu)進行骨料堿活性、氯離子等全性能指標(biāo)檢驗，以判別該料場 是否能用。只有滿足規(guī)范要求，才能作為混凝土配合比設(shè)計的材料使用。其次，混凝土配合比試驗用原材料檢驗必須按鐵建設(shè)2005【160】號文件和客運專線高性能混

4、凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件 做全項目檢驗，在混凝土有害物質(zhì)計算 時，要用其中的試驗結(jié)果。原材料的選擇：水泥現(xiàn)在的水泥有以下四點特征：（1）早期強度高；（2）為保證水泥的高強與 早強，水泥熟料被磨得更細，且其中的 C3A C3s含量偏高，水化熱大；（3）由 于上述兩個原因，導(dǎo)致混凝土抗裂性能差，水泥的長期性能潛力變小、自愈合能 力遭到削弱（4）堿含量偏高，與外加劑的相容性問題突出。越來越多的研究和工程實踐表明，水泥具有良好的顆粒級配并且保留一定比 例的粗顆粒水泥熟料是保證一般結(jié)構(gòu)混凝土 （某些特種混凝土除外）質(zhì)量的重要 條件，因此高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南指出：“硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥的比表面積不宜大于

5、350m2/kg。”除了水泥熟料粉磨過細以外，水泥生產(chǎn)中混合材超摻、 混合材成分不明的問題十分突出， 這些因素都增加了混凝土質(zhì)量控制難度和技術(shù)風(fēng)險。因此，高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南鼓勵使用較粗的PT 或P-II硅酸鹽水泥，外摻優(yōu)質(zhì)礦物摻合料的膠凝材料配制高性能混凝土。細骨料近年來，優(yōu)質(zhì)河砂資源逐漸枯竭，海砂、山砂、特細砂、再生骨料等地方資源被逐漸開發(fā)利用， 機制砂將逐漸成為未來的主流。 其中， 海砂與機制砂的應(yīng)用存在著一些不容忽視的問題。海砂的應(yīng)用在我國東部沿海地區(qū)，海砂應(yīng)用既有成功的經(jīng)驗，也有慘痛的教訓(xùn)。誤用或偷用海砂建成的“海砂屋”， 短短幾年就會出現(xiàn)混凝土開裂、 鋼筋銹蝕， 甚至導(dǎo)致房屋倒

6、塌，觸目驚心。開采方面規(guī)劃有序海砂開采對海洋生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境存在影響。 開采海砂， 應(yīng)由國家國土資源部門詳細勘探規(guī)劃，有計劃、有步驟地開采使用。盲目開采使用，后果十分嚴重。應(yīng)用方面從嚴控制海砂的應(yīng)用應(yīng)遵循從嚴控制原則。海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范JGJ2062010中， “海砂混凝土”被定義為采用海砂全部或部分代替細骨料的混凝土， 體現(xiàn)了從嚴控制的思想。海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范JGJ206 2010 中明確規(guī)定：用于配制混凝土的海砂應(yīng)作凈化處理， 且海砂不得用于預(yù)應(yīng)力混凝土。 其中凈化處理技術(shù)即為淡水沖洗。 另外， 還規(guī)定了配合比設(shè)計和生產(chǎn)過程中應(yīng)檢測海砂混凝土拌合物的水溶性氯離子含量。 高性能混凝

7、土應(yīng)用技術(shù)指南 中規(guī)定進一步規(guī)定海砂的水溶性氯離子含量不得大于0.025%，比現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準海砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范JGJ206 2010規(guī)定的0.03%更嚴。機制砂的應(yīng)用機制砂應(yīng)用中一個突出的問題是“石粉”問題。機制砂的“石粉”含量并非越多越好，也并非越少越好。 高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南規(guī)定：石粉含量不大于10% MB值不大于1.2;石粉含量較高時，可將部分石粉計入膠凝材料用量 設(shè)計配合比。粗骨料高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南規(guī)定，對配制高性能混凝土的粗骨料各項指標(biāo)要求如下： （ 1） 針片狀顆粒含量不大于10%， 有利于改善粗骨料粒型和級配，增進高性能混凝土性能；（2）堅固性指標(biāo)不大于8%，有利于骨

8、料的耐久性能，進而保證高性能混凝土的耐久性能；（ 3）吸水率不大于2%，有利于控制混凝土拌合物性能，也有利于硬化混凝土性能；（ 4）松散堆積空隙率不大于45%，有利于粗骨料緊密堆積，對混凝土性能和節(jié)約膠凝材料和外加劑具有重要意義。礦物摻合料傳統(tǒng)摻合料如粉煤灰、礦渣粉日益緊俏，供需矛盾逐漸突出。因此，摻合料種類范圍逐漸擴大，磷渣、鋼渣、爐渣、鋼鐵渣粉逐漸走上歷史舞臺。天然火山灰、沸石、浮石、凝灰?guī)r、石灰石粉、其他巖石粉等天然礦物材料以及超細礦渣粉、 超細粉煤灰、 微珠等礦物摻合料逐漸向深加工方向發(fā)展。 礦物摻合料的復(fù)合化也逐漸成為摻合料技術(shù)發(fā)展的一個必然趨勢。近年來粉煤灰應(yīng)用中的突出問題1 ）“

9、真假粉煤灰”按照現(xiàn)行的標(biāo)準難以判定粉煤灰的純度。表 1 為某地煅燒煤矸石粉按照現(xiàn)行粉煤灰標(biāo)準的指標(biāo)測試結(jié)果。由表可以看出，該煅燒煤矸石粉完全符合粉煤灰鑒定的指標(biāo)要求。 因此， 根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準， 難以判斷粉煤灰的純度，甚至無法區(qū)分真假粉煤灰。2）“脫硫灰”采用循環(huán)流化床鍋爐工藝可以高效燃燒高硫煤，為了減少SO2的排放，往往需要采取脫硫措施，產(chǎn)生的粉煤灰即CFB脫硫粉煤灰。它含有大量的硫化物或硫 酸鹽（如石膏等），不同于傳統(tǒng)的粉煤灰。未經(jīng)測試貿(mào)然用于混凝土，會造成嚴重的混凝土開裂和崩解現(xiàn)象?，F(xiàn)行的粉煤灰標(biāo)準雖有SO的量限制，但對“脫硫 灰”的檢驗判定缺乏針對性。3）“脫硝灰”為了減少燃煤過程中 NO

10、x 的排放，需要在燃煤過程中進行“脫硝”處理，脫硝工藝不當(dāng)可能會造成粉煤灰中殘留一部分的NH4+， 當(dāng)粉煤灰與水泥攪拌時，遇到堿性環(huán)境就會釋放出NH3（氨氣），在混凝土塑性階段產(chǎn)生大量氣體。4）“浮黑灰”現(xiàn)代燃煤工藝中， 為了提高燃煤效率或電廠的某些特殊操作要求， 會在燃煤過程中添加柴油或者其他油性物質(zhì)作為助燃劑， 這些助燃劑不能完全燃燒， 會在粉煤灰中存留油分。 特別是粉煤灰經(jīng)過分選后， 收集的粉煤灰會含有更多的未燃盡油分，用于拌制混凝土，這些油分上浮，在混凝土中容易漂浮的黑色油狀物。這種粉煤灰被稱為“浮黑灰”，見圖 1。5）礦物摻合料的深加工粉煤灰的深加工一種方法就是通過粉磨達到超細化。

11、超細粉煤灰的粒度分布主要集中在lOrn左右，超細粉煤灰需水量比并不提高，而活性指數(shù)大大提高，28d 活性指數(shù)達到104%。獲得超細粉煤灰的另一種途徑就是通過“選”： 將某些燃煤鍋爐工藝產(chǎn)生的 很細的粉煤灰， 通過物理手段進行分選， 獲得極細的那一部分， 被稱之為“微珠”。微珠的球狀形態(tài)及微粒徑尺度，使其具有良好的減水、填充增強作用。明顯改善混凝土或砂漿的流動度， 并降低拌合物粘度， 因此， 在高強混凝土的超高層泵送總，微珠往往是一個重要的可選擇技術(shù)手段。除超細粉煤灰以外， 超細礦渣粉也是一種常用的礦物摻合料。 超細礦渣粉主要特點是能夠提供較高的強度、特別是早期強度。2.4.2 礦物摻合料的復(fù)合

12、化優(yōu)質(zhì)礦物摻合料日益稀缺、 低品質(zhì)摻合料難以應(yīng)用， 復(fù)合摻合料性能優(yōu)于單一摻合料且價格便宜， 礦物摻合料的復(fù)合化可以實現(xiàn)資源綜合利用， 解決摻合料供給問題； 可以取長補短， 發(fā)揮幾種摻合料的協(xié)同作用 （礦物摻合料具有超疊加效應(yīng)） ； 可以解決預(yù)應(yīng)力構(gòu)件對早期張拉強度的要求， 解決大流態(tài)及自密實混凝土的技術(shù)需求。因此，復(fù)合化是摻合料技術(shù)發(fā)展的一個趨勢。高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南中規(guī)定，復(fù)合摻合料是指采用兩種或兩種以上的礦物原料， 單獨粉磨至規(guī)定的細度后再按一定的比例復(fù)合、 或者兩種及兩種以上的礦物原料按一定的比例混合后粉磨達到規(guī)定細度， 并符合規(guī)定活性指數(shù)的粉體材料。 摻合料的復(fù)合并不是簡單地兩種

13、或幾種摻合料混合， 還需要考慮以下幾點問題：考慮活性成分與惰性成分的搭配；考慮微顆粒的級配分布；考慮水化反應(yīng)速度與產(chǎn)物（如凝膠類和結(jié)晶類）的匹配；考慮化學(xué)激發(fā)作用；考慮低品質(zhì)與高品質(zhì)資源的搭配利用。3、養(yǎng)護問題養(yǎng)護對高性能混凝土尤為重要，是含有較多礦物摻合料的膠凝材料水化反應(yīng)以及較低水膠比混凝土硬化發(fā)展的重要條件， 只有及時、 合理養(yǎng)護， 才能保證澆筑后高性能混凝土的性能。 加強早期養(yǎng)護是減少收縮、 控制高性能混凝土裂縫最有效的技術(shù)措施之一。 大摻量礦物摻合料混凝土相應(yīng)需要延長養(yǎng)護時間， 否則表層混凝土碳化問題突出。養(yǎng)護對混凝土收縮的影響混凝土從澆筑后，其收縮可以分為兩個階段：第I階段為快速發(fā)

14、展階段，這一階段從澆筑后到終凝點之后的約 23 小時內(nèi)結(jié)束 （一般情況下這一階段大約為澆筑后的前12 小時）。絕大部分的收縮集中在這一階段發(fā)生，急劇式發(fā)展，收縮速率大?；炷两K凝后，收縮速率迅速下降，隨即平穩(wěn)發(fā)展階段（第R階段）。不同強度等級混凝土不同時間點的早期收縮率， 將 12h 和 72h 收縮率作對比。 可 以看出， 從成型起 12h 內(nèi)， 混凝土的收縮量占據(jù)了前72h 收縮量的絕大部分， 是產(chǎn)生早期收縮裂縫的最敏感時段。根據(jù)研究結(jié)果，混凝土早期收縮速率和收縮量與所處環(huán)境的蒸發(fā)速率成正相 關(guān)。水分散失對新拌混凝土收縮率的有極大的影響，保持持續(xù)的表面濕潤養(yǎng)護對減小早期開裂的意義十分重大。

15、養(yǎng)護對混凝土抗?jié)B性能的影響不同的養(yǎng)護條件對同一種C30混凝土滲透性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，早期養(yǎng)護 對硬化混凝土的抗?jié)B性能影響極大。 同一種混凝土，好的養(yǎng)護可以使得抗?jié)B等級 達到學(xué)P25,相反，不好的養(yǎng)護（不養(yǎng)護），混凝土抗?jié)B等級僅有 P2。電通量指 標(biāo)也有明顯的差異。總的來說，混凝土特別是高強混凝土的養(yǎng)護應(yīng)遵循“初凝以前保濕，終凝 以后補水”的原則。在氣溫高、濕度小、風(fēng)速大的環(huán)境下，及時、正確的養(yǎng)護更加重要?；炷敛牧霞夹g(shù)取得巨大進步，集中體現(xiàn)在高性能混凝土的出現(xiàn)和發(fā)展，由此帶來設(shè)計、施工的變革?；炷良夹g(shù)在發(fā)展中出現(xiàn)了很多新問題， 需要加以 研究并解決，更重要的是，我們必須以全新的眼光來認識和

16、看待混凝土的新技術(shù)高性能混凝土。如仍然采用對待傳統(tǒng)混凝土的做法，必然帶來很多質(zhì)量問題（如裂縫問題、早期碳化問題等）。甚至可以說，目前在工程建設(shè)中的某些問題，是設(shè)計、施工不能適應(yīng)新材料體系要求造成的。 以新觀點和新措施對待高性 能混凝土，不僅是推進混凝土技術(shù)本身進步的要求，也是推動設(shè)計、施工、驗收 等工程建設(shè)體系變革和進步的要求。4、配合比初選骨料級配、最佳砂率及單位用水量的確定骨料級配確定：粗骨料從拌和樓成品料堆取樣，按不同的石子比例混合，檢測松散容重和緊密容重。確定骨料級配的原則：根據(jù)施工工藝及現(xiàn)場情況選擇骨料級配最大粒徑；選擇空隙率較小容重最大的級配組合。（空隙率應(yīng)小于40%最佳砂率及單位

17、用水量的確定按照客運專線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件對鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混 凝土和素混凝土的最大水灰比、最小膠凝材料用量要求及混凝土施工工藝要求，確定混凝土單位用水量。根據(jù)混凝土單位膠凝材料用量、混凝土施工工藝及混凝土粗骨料最大粒 徑的要求，選擇合適砂率（最優(yōu)），使混凝土拌和物滿足施工和易性要求；根據(jù)以上單位用水量、最優(yōu)砂率試驗成果，初步擬定混凝土單位用水量 和最優(yōu)砂率。混凝土摻和料的摻量確定：混凝土摻和料的摻量應(yīng)根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)工作環(huán)境、 拌和物的性能、力學(xué)性能以及耐久性能指標(biāo)，通過試驗成果，并依據(jù)標(biāo)準、規(guī)范 及技術(shù)條件要求進行確定。5、混凝土試拌配合比的確定混凝土配制強度依據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計

18、規(guī)程 JGJ55-2011的規(guī)定，混凝土配制強度 按公式計算：配制強度 心口,0=設(shè)計強度fcu,k+概率度系數(shù)tx標(biāo)準差6注：水下混凝土的配制強度應(yīng)較設(shè)計要求提高10%- 20%當(dāng)混凝土強度保證率95%概率度系數(shù)為1.645。標(biāo)準差6按相關(guān)規(guī)范取值o根據(jù)計算所得的混凝土配制強度， 計算出配制混凝土所用的水膠比。由次可計算出膠凝材料的總用量。并根據(jù)外摻料摻量可計算出各外摻料及水泥的用量?；炷僚浜媳仍O(shè)計時應(yīng)注意的一般要求4.2.1C30及以下混凝土的膠凝材料總量不宜高于400kg/m3, C3AC40混凝土不宜高于450kg/m3, C50混凝土不宜高于500kg/m3?；炷林幸诉m量摻加符合

19、技術(shù)要求的粉煤灰、礦渣粉或硅灰等礦物摻和料。不同礦物摻和料的摻量應(yīng)根據(jù)混凝土的施工環(huán)境條件特點、拌和物性能、力學(xué)性能以及耐久性要求通過試驗確定。一般情況下，礦物摻和料摻量不宜小于膠凝材 料總量的20%當(dāng)混凝土中粉煤灰摻量大于30%寸，混凝土的水膠比不宜大于0.45 預(yù)應(yīng)力混凝土以及處于凍融環(huán)境中的混凝土中粉煤灰的摻量不宜大于30%混凝土中宜適量摻加能提高混凝土耐久性能的減水劑，宜選用多功能復(fù)合減水劑。當(dāng)骨料的堿一硅酸反應(yīng)砂漿棒膨脹率在 0.10%0.20%寸，混凝土的堿含量應(yīng)滿足表1規(guī)定，當(dāng)骨料的砂漿棒膨脹率在 0.20%0.30%寸，除了混凝土的堿含量應(yīng)滿足表1規(guī)定外，混凝土中還應(yīng)摻加具有明

20、顯抑制效能的礦物摻和料和外 加劑，并經(jīng)試驗證明抑制有效。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土氯離子總含量（包括水泥、礦物摻和料、粗骨料、細骨料、水、外加劑等所含氯離子含量之和）不應(yīng)超過膠凝材料總量的0.10%,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土氯離子總含量不應(yīng)超過膠凝材料總量的0.06%。混凝土最大堿含量不得超過規(guī)范的規(guī)定值?；炷僚浜媳葢?yīng)注意的參考限值不同環(huán)境條件下鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土最大水膠 比、最小膠凝材料用量應(yīng)滿足鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標(biāo)準（鐵建設(shè)2005160號）中相應(yīng)的規(guī)定。不同環(huán)境條件下素混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土最大水膠比、 最小膠凝材料用量應(yīng) 滿足鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補充標(biāo)

21、準（鐵建設(shè) 2005160號）中相應(yīng) 的規(guī)定。當(dāng)化學(xué)侵蝕介質(zhì)為硫酸時，配合比參數(shù)應(yīng)除了應(yīng)滿足上述規(guī)定外，硫酸鹽 侵蝕環(huán)境下混凝土的膠凝材料組成還應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定，且膠凝材料的抗蝕系數(shù)應(yīng)不小于0.8 o混凝土配合比計算每方混凝土中各種原材料用量的計算方法有兩種：假定容重法和絕對體積 法。計算方法按規(guī)范進行，在此不贅述。計算有害物質(zhì)含量混凝土中有害物質(zhì)的計算是鐵路高性能混凝土配合比設(shè)計過程中的一個 特點，是必須進行的。需計算的有害物質(zhì)主要為每方混凝土中的總堿含量和總氯 離子含量。具體計算方法為：根據(jù)擬定的配合比，并依據(jù)原材料有害物質(zhì)的檢測 結(jié)果，計算每方混凝土有害物質(zhì)的含量是否超標(biāo)。 如混凝土

22、配合比有害物質(zhì)含量 超標(biāo)，則否定該選定的配合比，重新依據(jù)規(guī)范、標(biāo)準、技術(shù)條件及設(shè)計要求調(diào)整 選定配合比，直至滿足有害物質(zhì)含量的要求為止?；炷僚浜媳仍嚺浜驼{(diào)整根據(jù)試拌混凝土和易性，確定基準配合比的砂率、摻和料用量等參數(shù)：根據(jù) 對混凝土所用原材料的檢測情況及以上各條的規(guī)定，確定水灰比，并計算理論配合比進行試拌，檢查拌和物的性能。檢驗項目主要有：坍落度、擴展度及其半小 時損失、泌水率（對泵送混凝土檢測壓力泌水率）、含氣量、表觀密度、凝結(jié)時 問。當(dāng)試拌得出的混凝土拌和物性能檢測結(jié)果不能滿足要求時，應(yīng)在保證水灰比不變的條件下調(diào)整單位用水量或外加劑摻量或砂率，直至符合要求為止。然后提 出供檢驗混凝土各項性能試驗用的基準配合比。6、混凝土配合比的確定與校驗混凝土配合比的確定：根據(jù)以上試驗選定的基準配合比為基