京津城际铁路预制箱梁高性能混凝土配比设计摘 要:京津城际轨道交通工程双线预制箱梁要求采用高性能混凝土进行施工,以满足结构使用寿命100年的目标。结合京津3#梁场的试验情况,从控制混凝土原材料质量、优化配合比、施工前的相关试验等方面,介绍高性能混凝土配制情况。关键词:京津城际,预制箱梁,高性能混凝土,配比,设计1 工程概况 京津城际轨道交通工程,连接北京、天津两大直辖市,是我国第一条最高设计时速达350 km/h的客运专线,设计使用寿命100年。 3号梁场主要负责凉水河特大桥305孔箱梁的预制任务。其中:32m箱梁276孔(342 m3/孔),24m箱梁29孔(266 m3/孔)。混凝土设计强度等级C50,总量约10万m3。2 箱梁施工对混凝土的要求 强度:制梁台位上需尽早达到预张拉(设计强度的60%)和初张拉(设计强度的80%),以满足设计规划的平均6~7天的预制周期。 施工性能:较高的流动性、填充性和较好的可泵性,以满足6小时内一次浇筑完成。 耐久性:满足低渗透性要求,以保证混凝土结构的耐久性。3 高性能混凝土配制思路 鉴于高性能混凝土配制的目标主要为高耐久性、高工作性和强度要求。通过用掺和料取代部分水泥的方法,使得所拌制的混凝土均匀、体积稳定,并具有较好的流动性和可泵性,便于成型,同时达到早期温升低、硬化过程干缩小,无初始裂纹,渗透性低,以实现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 原材料选择 (1)水泥 质量稳定的普通硅酸盐水泥,并满足如下控制指标。实际所用水泥主要检测技术指标如表1。
(2)砂 重点控制其主要质量指标(如含泥量、泥块含量、云母含量等)外,粒径上选用细度模量约为3.0的中粗砂,以提高混凝土的施工性能和强度。实际用砂主要检测指标如表2。 (3)石料 基于级配好、粒形好的碎石有利于在混凝土中与水泥石的界面很好结合,提高密实度、流动性和界面强度,施工实际选用石料为两级配(10~25 mm∶5~10 mm=75∶25),主要检测指标如表3。 (4)矿物细掺料 混凝土配制时加入矿物细掺料,可降低混凝土内部温升,改善混凝土的工作性能,增进混凝土后期强度,同时还可改善混凝土的内部结构,提高混凝土的抗腐蚀能力。混凝土配制时掺入了粉煤灰和磨细矿粉两种掺和料。实际所用Ⅰ级粉煤灰和磨细矿渣粉的主要检测技术指标如表4、表5。 (5)高效减水剂 由于减水剂的浓度越高,减水率越大,越易造成混凝土的坍落度损失。在选择高效减水剂时,重点对硫酸钠的含量、减水率等方面进行了严格控制。4.2 高性能混凝土的配合比设计 (1)配合比的设计原则 ①尽量减少水泥用量,以达到降低混凝土内部温升,减小混凝土早期收缩,使其具有足够的弹性模量和体积稳定性。 ②掺入适量矿物掺和料,达到混凝土所需的合理浆集比,以改善混凝土的内部结构和工作性能,增进后期强度,提高抗腐蚀能力。 ③掺用高效减水剂,尽量降低水胶比,以达到在确保混凝土强度的前提下,提高混凝土的施工性能。 (2)配合比设计中综合考虑的因素 ①在尽量减少水泥用量同时,综合考虑了箱梁的生产周期要求,以满足混凝土各个施工阶段对强度的要求,从而使制梁台位尽可能达到合理利用。 ②减水剂的用量方面,设计时一方面调整各掺量以达到混凝土的最佳施工性能,另一方面还需要适当控制其掺入总量,防止坍落度损失太大,影响后期施工。 ③合理调整粗、细集料之间的比例,以克服由于高效减水剂的使用可能会引起混凝土的离析和泌水。 ④由于掺入的减水剂数量很少,试配时适当延长混凝土的搅拌时间,为后期混凝土合理拌制时间的选择提供依据,使所生产的混凝土更加均匀,施工性能更好。 ⑤矿渣粉的细度越大,其活性越高,不利于混凝土内部温升的控制。在合理选择满足相关技术指标的基础上,适当控制并调整其掺入量,以充分发挥其活性,减小混凝土沁水。 (3)各项技术指标初定 ①初始坍落度200~220 mm,扩展度大于500mm,混凝土经时损失1小时坍落度不小于180mm,扩展度大于450 mm。 ②混凝土水胶比不大于0.35,水泥用量不大于400 kg/m3,总胶凝材料用量不大于500 kg/m3。 ③混凝土初凝时间:16~18小时。 ④含气量应控制在2.0~4.0%。 ⑤混凝土长期性和耐久性指标要求抗冻性的耐久性指数200次循环后,重量损失不应超过5%,相对动弹性模量不应低于60%,抗渗性大于P20,混凝土抗氯离子渗透值不大于1000 C。 ⑥混凝土内部最大温升不超过60℃。5 配合比验证 (1)配合比在实验室的验证 根据上述配合比的设计原则,综合考虑了各种因素,经过反复试配调整,初步确定基准配合比后,扩展进行相关试配试验。试验结果如表6。 实验结果显示:1#和3#配比较为理想,但3#配合比较1#配合比较为粘滞,综合考虑混凝土耐久性、施工性、经济性和现场施工周期要求等因素,决定采用1#配合比作为基准配比。 通过对1#配合比混凝土进行耐久性试验,各项技术指标均满足《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》和《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》的要求。 主要实验结果见表7。 (2)配合比在现场验证 混凝土配合比选定之后,预制箱梁正式生产之前,现场选定一制梁台座,浇筑了截面尺寸与实际预制箱梁一致的2 m“箱梁试验段”,对所配制的混凝土从主要施工性能、温度控制等方面,进行了模拟实验验证(见图1)。 在后期的实际施工中,同样通过不同位置埋设测温片,进行混凝土内部温升测定,和对主要施工性能的测定,所配制的混凝土均满足后期预制箱梁生产所期望达到的要求(图2)。6 结论和建议 (1)采用选定的各项原材料试配的C50高性能混凝土配比,各项技术指标经检验均满足预制箱梁对混凝土施工工艺和耐久性要求。 (2)通过掺入磨细矿渣粉和粉煤灰,较好地控制了混凝土内部温升。 (3)磨细矿渣粉需水量小、比表面积大、活性系数高,掺量提高会使混凝土粘滞性提高,对输送和振捣不利;粉煤灰相对需水量大、比表面积大、活性系数低,掺量提高会使混凝土流动性降低、早期强度降低。配合比设计时必须综合考虑上述因素,并通过试验加以确定水泥、磨细矿渣粉和粉煤灰的最佳组合,才可达到理想效果。 (4)高性能混凝土对各种原材料质量的波动较为敏感。现场施工必须加强原材料的进场检验和生产混凝土时对原材料准确计量等环节的控制,以保证混凝土满足施工要求。参考文献[1]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.9[2]客运专线高性能混凝土暂行技术条件[S].2005.7[3]客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件[S].2005.5
(2)砂 重点控制其主要质量指标(如含泥量、泥块含量、云母含量等)外,粒径上选用细度模量约为3.0的中粗砂,以提高混凝土的施工性能和强度。实际用砂主要检测指标如表2。 (3)石料 基于级配好、粒形好的碎石有利于在混凝土中与水泥石的界面很好结合,提高密实度、流动性和界面强度,施工实际选用石料为两级配(10~25 mm∶5~10 mm=75∶25),主要检测指标如表3。 (4)矿物细掺料 混凝土配制时加入矿物细掺料,可降低混凝土内部温升,改善混凝土的工作性能,增进混凝土后期强度,同时还可改善混凝土的内部结构,提高混凝土的抗腐蚀能力。混凝土配制时掺入了粉煤灰和磨细矿粉两种掺和料。实际所用Ⅰ级粉煤灰和磨细矿渣粉的主要检测技术指标如表4、表5。 (5)高效减水剂 由于减水剂的浓度越高,减水率越大,越易造成混凝土的坍落度损失。在选择高效减水剂时,重点对硫酸钠的含量、减水率等方面进行了严格控制。4.2 高性能混凝土的配合比设计 (1)配合比的设计原则 ①尽量减少水泥用量,以达到降低混凝土内部温升,减小混凝土早期收缩,使其具有足够的弹性模量和体积稳定性。 ②掺入适量矿物掺和料,达到混凝土所需的合理浆集比,以改善混凝土的内部结构和工作性能,增进后期强度,提高抗腐蚀能力。 ③掺用高效减水剂,尽量降低水胶比,以达到在确保混凝土强度的前提下,提高混凝土的施工性能。 (2)配合比设计中综合考虑的因素 ①在尽量减少水泥用量同时,综合考虑了箱梁的生产周期要求,以满足混凝土各个施工阶段对强度的要求,从而使制梁台位尽可能达到合理利用。 ②减水剂的用量方面,设计时一方面调整各掺量以达到混凝土的最佳施工性能,另一方面还需要适当控制其掺入总量,防止坍落度损失太大,影响后期施工。 ③合理调整粗、细集料之间的比例,以克服由于高效减水剂的使用可能会引起混凝土的离析和泌水。 ④由于掺入的减水剂数量很少,试配时适当延长混凝土的搅拌时间,为后期混凝土合理拌制时间的选择提供依据,使所生产的混凝土更加均匀,施工性能更好。 ⑤矿渣粉的细度越大,其活性越高,不利于混凝土内部温升的控制。在合理选择满足相关技术指标的基础上,适当控制并调整其掺入量,以充分发挥其活性,减小混凝土沁水。 (3)各项技术指标初定 ①初始坍落度200~220 mm,扩展度大于500mm,混凝土经时损失1小时坍落度不小于180mm,扩展度大于450 mm。 ②混凝土水胶比不大于0.35,水泥用量不大于400 kg/m3,总胶凝材料用量不大于500 kg/m3。 ③混凝土初凝时间:16~18小时。 ④含气量应控制在2.0~4.0%。 ⑤混凝土长期性和耐久性指标要求抗冻性的耐久性指数200次循环后,重量损失不应超过5%,相对动弹性模量不应低于60%,抗渗性大于P20,混凝土抗氯离子渗透值不大于1000 C。 ⑥混凝土内部最大温升不超过60℃。5 配合比验证 (1)配合比在实验室的验证 根据上述配合比的设计原则,综合考虑了各种因素,经过反复试配调整,初步确定基准配合比后,扩展进行相关试配试验。试验结果如表6。 实验结果显示:1#和3#配比较为理想,但3#配合比较1#配合比较为粘滞,综合考虑混凝土耐久性、施工性、经济性和现场施工周期要求等因素,决定采用1#配合比作为基准配比。 通过对1#配合比混凝土进行耐久性试验,各项技术指标均满足《客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件》和《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》的要求。 主要实验结果见表7。 (2)配合比在现场验证 混凝土配合比选定之后,预制箱梁正式生产之前,现场选定一制梁台座,浇筑了截面尺寸与实际预制箱梁一致的2 m“箱梁试验段”,对所配制的混凝土从主要施工性能、温度控制等方面,进行了模拟实验验证(见图1)。 在后期的实际施工中,同样通过不同位置埋设测温片,进行混凝土内部温升测定,和对主要施工性能的测定,所配制的混凝土均满足后期预制箱梁生产所期望达到的要求(图2)。6 结论和建议 (1)采用选定的各项原材料试配的C50高性能混凝土配比,各项技术指标经检验均满足预制箱梁对混凝土施工工艺和耐久性要求。 (2)通过掺入磨细矿渣粉和粉煤灰,较好地控制了混凝土内部温升。 (3)磨细矿渣粉需水量小、比表面积大、活性系数高,掺量提高会使混凝土粘滞性提高,对输送和振捣不利;粉煤灰相对需水量大、比表面积大、活性系数低,掺量提高会使混凝土流动性降低、早期强度降低。配合比设计时必须综合考虑上述因素,并通过试验加以确定水泥、磨细矿渣粉和粉煤灰的最佳组合,才可达到理想效果。 (4)高性能混凝土对各种原材料质量的波动较为敏感。现场施工必须加强原材料的进场检验和生产混凝土时对原材料准确计量等环节的控制,以保证混凝土满足施工要求。参考文献[1]吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中国铁道出版社,1999.9[2]客运专线高性能混凝土暂行技术条件[S].2005.7[3]客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件[S].2005.5
