青藏鐵路橋隧結(jié)構(gòu)混凝土抗凍性能研究

青藏鐵路橋隧結(jié)構(gòu)混凝土抗凍性能研究

1低溫早強(qiáng)混凝土應(yīng)用試驗(yàn)20世紀(jì)60年代和70年代，相關(guān)部門聯(lián)合進(jìn)行了“青藏高原多年凍土區(qū)鐵路橋建筑低溫混凝土研究”和“清藏鐵路察爾汗鹽湖及超鹽漬土區(qū)工程防侵蝕研究”。此外，還對黃土高原線清水河地區(qū)進(jìn)行了水下混凝土注射、明挖擴(kuò)大混凝土基礎(chǔ)和公路橋預(yù)制鋼筋混凝土橋面板等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的短期混凝土應(yīng)用試驗(yàn)。不同類型的混凝土試驗(yàn)已經(jīng)在楚瑪河和雅瑪河的現(xiàn)場進(jìn)行了，并定期進(jìn)行觀測和評估，以獲得一定的數(shù)據(jù)和寶貴的科研成果。不過,由于受當(dāng)時(shí)科技發(fā)展水平、設(shè)計(jì)及施工水平的限制,一些重要技術(shù)問題仍然沒有得到徹底解決,導(dǎo)致建成后的混凝土工程出現(xiàn)了各種各樣的病害。20世紀(jì)80年代以來,混凝土材料科學(xué)技術(shù)以及施工技術(shù)已有了長足的發(fā)展,各種混凝土外加劑得到了廣泛的應(yīng)用,混凝土材料的耐久性能得到了大幅度的提高。如今,在環(huán)境條件更加惡劣的多年凍土地區(qū)修建青藏鐵路二期工程,有必要認(rèn)真總結(jié)以往混凝土工程建設(shè)正反兩方面的經(jīng)驗(yàn),積極吸收國內(nèi)外近20年來在混凝土材料研究及工程實(shí)踐中探索出的最新科研成果,合理應(yīng)用成熟的新材料、新技術(shù)、新工藝,結(jié)合青藏高原地區(qū)或周邊地區(qū)建筑材料的基本條件,研究解決青藏鐵路二期工程混凝土施工過程中可能遇到的主要技術(shù)問題,為在青藏高原多年凍土地區(qū)修建高質(zhì)量高耐久的青藏鐵路二期工程提供優(yōu)質(zhì)、高性能的混凝土奠定基礎(chǔ)。2青藏線橋梁、隧道混凝土的主要類別及性能要求為了滿足在青藏鐵路沿線惡劣的自然環(huán)境條件下灌注混凝土的需要,確保混凝土結(jié)構(gòu)的長期耐久性能,減少混凝土的水化溫升對凍土的熱擾動,混凝土除了應(yīng)具有一般意義上的物理力學(xué)性能外,還必須具有良好的低溫、負(fù)溫早強(qiáng)性能,優(yōu)越的抗凍融破壞能力以及卓越的耐腐蝕、抗氯離子滲透以及耐風(fēng)蝕的綜合性能。根據(jù)對現(xiàn)場的實(shí)際調(diào)查和設(shè)計(jì)的具體要求,青藏線橋涵、隧道混凝土工程以及預(yù)應(yīng)力混凝土樁和軌枕用混凝土的主要類別及性能要求如表1所示。要想使混凝土達(dá)到表1所示的性能,必須對以下關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行試驗(yàn)研究:(1)在青藏鐵路惡劣環(huán)境條件下如何保證現(xiàn)澆及預(yù)制構(gòu)件用混凝土的強(qiáng)度在適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求。(2)在現(xiàn)澆及預(yù)制構(gòu)件用混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的同時(shí),如何大幅度提高混凝土的抗凍性。(3)在多年凍土中灌注混凝土?xí)r,如何保證混凝土的水化溫升不對凍土產(chǎn)生破壞作用。(4)當(dāng)混凝土的環(huán)境水中存在硫酸鹽腐蝕時(shí),如何提高混凝土的耐腐蝕性。(5)當(dāng)混凝土的環(huán)境水中含有高量的Cl-時(shí),如何提高混凝土的抗?jié)B性。(6)當(dāng)混凝土經(jīng)受風(fēng)砂的磨蝕時(shí),如何提高混凝土的耐風(fēng)蝕性能。為此,有關(guān)單位根據(jù)國家、鐵道部提出的高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量建設(shè)青藏鐵路的要求,針對青藏鐵路不同凍土區(qū)段、不同混凝土結(jié)構(gòu)、不同環(huán)境條件的特點(diǎn),開展了青藏線低溫早強(qiáng)耐腐蝕高性能混凝土的應(yīng)用試驗(yàn)研究,并根據(jù)課題研究結(jié)果,提出了提高青藏線混凝土耐久性的若干技術(shù)對策。3確保青藏線橋梁混凝土的主要技術(shù)對策3.1青藏線橋島混凝土的配制高性能混凝土的主要性能特點(diǎn)之一就是高耐久性。要想保證青藏線橋隧混凝土的長期耐久性能滿足設(shè)計(jì)和使用要求,就必須按高性能混凝土的配制原則配制青藏線橋隧結(jié)構(gòu)用混凝土。3.1.1高壓力、低溫度、低7%原料、施工質(zhì)量①采用32.5級、42.5級普硅水泥、中熱水泥或高抗硫水泥;②盡量降低水泥用量;③拌合物的坍落度滿足泵送/水下灌注施工要求;④拌合物的溫度不超過5℃;⑤摻加多功能復(fù)合型外加劑,簡化現(xiàn)場施工操作程序,保證施工質(zhì)量;⑥采用含泥量低、堅(jiān)固性好、針片狀含量小的連續(xù)級配砂石料。3.1.2按功能分級施工①按施工養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度分別為0℃,-10℃,-20℃條件考慮;②采用32.5級、42.5級普硅水泥、高抗硫水泥;③盡量降低水泥用量;④拌合物的坍落度滿足泵送施工要求;⑤摻加多功能復(fù)合型外加劑,簡化現(xiàn)場施工程序,保證施工質(zhì)量;⑥采用含泥量低、堅(jiān)固性好、針片狀含量小的連續(xù)級配砂石料。3.1.3按混凝土用量分類①按施工養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度分別為0℃,-10℃,-20℃條件考慮;②采用32.5級普硅水泥、42.5級普硅水泥、高抗硫水泥;③盡量降低水泥用量;④拌合物的坍落度滿足泵送施工要求;⑤摻加多功能復(fù)合型外加劑,簡化現(xiàn)場施工程序,保證施工質(zhì)量;⑥采用含泥量低、堅(jiān)固性好、針片狀含量小的連續(xù)級配砂石料。3.1.4養(yǎng)護(hù)溫度及摻加劑的選用①橋梁混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度不超過50℃,軌枕混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)溫度不超過60℃;②采用42.5級普硅水泥;③摻加高效減水劑和能改善混凝土孔結(jié)構(gòu)的多功能外摻料;④采用含泥量低、堅(jiān)固性好、針片狀含量小的連續(xù)級配砂石料。3.2混凝土性能要求如前所述,配制青藏線橋涵用高性能混凝土?xí)r,必須在混凝土中摻加多功能復(fù)合外加劑。根據(jù)不同種類混凝土的物理、力學(xué)性能和長期耐久性能的要求,青藏線橋隧結(jié)構(gòu)用高性能耐久混凝土所用的外加劑應(yīng)選用具有如下多重效能的復(fù)合高效外加劑:(1)高效減水,能保證在混凝土的流動性滿足施工要求的前提下,最大限度地降低混凝土的水灰比和單方水泥用量,從而提高混凝土的一系列耐久性能,有效降低混凝土的水化熱溫升。(2)早強(qiáng),可促進(jìn)水泥的水化反應(yīng),提高混凝土早期抵抗冰晶應(yīng)力破壞的能力。(3)防凍,可降低混凝土毛細(xì)孔中水的冰點(diǎn),轉(zhuǎn)變冰晶的晶形結(jié)構(gòu),從而有效地抑制或降低毛細(xì)水冰晶應(yīng)力的破壞作用。(4)引氣,可在混凝土中引入分布均勻的封閉小孔,可以有效地緩沖凍融過程中冰晶應(yīng)力對混凝土造成的疲勞破壞作用。(5)增實(shí),可以細(xì)化水泥石的孔結(jié)構(gòu),從而進(jìn)一步改善混凝土的抗?jié)B性、抗凍性以及其它耐久性能?；旌喜牡膿饺胍嗫蛇m當(dāng)降低混凝土的水化熱。(6)保坍,既可適當(dāng)延長混凝土的初凝時(shí)間,又能明顯縮短混凝土的初、終凝時(shí)間差,因而既能減少混凝土在運(yùn)輸及泵送過程中的坍落度損失,又能保證一旦澆灌完畢,混凝土能迅速凝結(jié)硬化,從而獲得足夠的抗凍臨界強(qiáng)度。3.3嚴(yán)格控制混凝土中水灰橡膠的比和水泥用量不同環(huán)境條件下使用的混凝土的水灰(膠)比和水泥用量應(yīng)同時(shí)符合表2的規(guī)定。3.4控制混凝土入模和臨時(shí)防護(hù)措施應(yīng)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌摻復(fù)合型外加劑的混凝土和耐腐蝕混凝土。攪拌時(shí)間不宜超過5min,也不宜少于3min。若采用插入式振搗器振搗時(shí),振搗時(shí)間不宜超過20s。對于澆筑灌注樁等與凍土層有直接影響的混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)控制混凝土的入模溫度在0～5℃,最好控制在0～2℃。澆筑墩臺等不與凍土層直接接觸的混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)控制混凝土的入模溫度在5℃～10℃。應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的養(yǎng)護(hù)溫度不低于混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)定的最低適用溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)定的最低適用溫度時(shí),應(yīng)采取臨時(shí)保溫防護(hù)措施,直至混凝土的強(qiáng)度不低于臨界抗凍強(qiáng)度。新澆筑的混凝土與流動的地表水或地下水相接觸時(shí),應(yīng)采取臨時(shí)防護(hù)措施,直至混凝土獲得50%以上的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為止,并不得少于7d。當(dāng)環(huán)境水具有侵蝕作用時(shí),臨時(shí)防護(hù)措施應(yīng)延續(xù)到混凝土獲得75%以上的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為止,并不得少于10d?；炷敛鹉：髴?yīng)迅速采用塑料布等保濕材料覆蓋或噴灑混凝土養(yǎng)護(hù)液繼續(xù)養(yǎng)護(hù),直至混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4混凝土性能評估青藏線多年凍土地區(qū)橋隧結(jié)構(gòu)用DZ型高性能耐久混凝土,目前已大量應(yīng)用于青藏線橋隧混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中。工程實(shí)際驗(yàn)證和試驗(yàn)室檢驗(yàn)表明,這種混凝土具有如下優(yōu)越的物理、力學(xué)性能及長期耐久性能,可以滿足青藏線多年凍土地段不同結(jié)構(gòu)、不同氣候條件、不同環(huán)境條件下混凝土設(shè)計(jì)、施工及使用的需要:(1)超塑化:在坍落度達(dá)200mm的條件下,混凝土不泌水不離析,便于施工,易于密實(shí)。(2)負(fù)溫增強(qiáng)效果明顯:在單位膠凝材料用量相同的條件下,DZ型混凝土在規(guī)定溫度為-20℃的條件下,7d和28d齡期的抗壓強(qiáng)度比同期基準(zhǔn)混凝土分別提高20%～40%和10%～25%。(3)對凍土層的熱撓動小:當(dāng)入模溫度在5℃左右時(shí),離鉆孔灌注樁表面20cm處凍土的最大溫升為3℃,離樁表面1m處凍土的最大溫升為0.66℃,離樁表面2m處的最大溫升為0.21℃(去除環(huán)境溫度影響因素)。(4)塌落度保持適宜:當(dāng)初始塌落度為200mm～210mm時(shí),1h后混凝土的塌落度可保持在170mm～180mm左右。(5)凝結(jié)時(shí)間適宜:凝結(jié)時(shí)間差一般在30min～60min以內(nèi)。(6)使用溫度范圍廣:可滿足青藏鐵路沿線不同季節(jié)、不同使用環(huán)境條件的混凝土的施工,適用溫度范圍為10℃～-20℃。(7)高耐久性:坍落度達(dá)200mm左右時(shí),混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)300次以上;采用適當(dāng)配比配制的混凝土能耐SO2?442-的極限濃度達(dá)15000mg·L-1的硫酸鹽腐蝕;混凝土的氯離子滲透值不超過1000庫侖;混凝土耐風(fēng)蝕磨耗率小于0.5kg·m-2;可使骨料的堿—硅酸反應(yīng)膨脹率小于0.04%。采用JC475-92,GB8076-1997,GB2420-81,ASTMC1202-94,ASTMC1260-94對DZ系列高性能耐久混凝土外加劑及其混凝土的性能檢驗(yàn)結(jié)果列于表3。不同品種外加劑的適用范圍列于表4。5國際合成混凝土外加劑的配合比(1)青藏線混凝土所面臨的耐久性問題是當(dāng)前我國工程界面臨的最大難題之一。為了確?；炷恋哪途眯?必須按高性能混凝土設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)青藏線橋隧混凝