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1、第十八章 高性能混凝土及耐久性施工第一节 概 述要建立健全的各级质量保证体系，要以“调整地位、验评分离、充实内容，严格程序、强化控制、明确职责”的指导思想，搞好工程质量。试验工作是质量体系的重要环节之一，对推动技术进步、保证工程质量、降低工程成本都起着重要作用。武广客运专线铁路要求桥梁、隧道等主体结构采用高性能耐久性混凝土，使用寿命为100 年。下面是根据高性能混凝土的特点我们总结一下高性能耐久性混凝土配合比设计和施工检测控制。一、高性能混凝土特点高性能混凝土是指采用普通原材料、常规施工工艺，通过掺加外加剂和掺合料配制而成的具有高工作性、高强度、高耐久性的综合性能优良的混凝土。目前，高性能混凝
2、土在客运专用线的工程实践中已较广泛采用，高性能混凝土特点具有以下特点：1拌合料呈高塑或流态、可泵送、不离析，便于浇筑密实；2在凝结硬化过程中和硬化后的体积稳定，水化热低，不产生微细裂缝，徐变小；3有很高的抗渗性。其中高工作性是高性能政必须具备的首要条件，即高流动性、高抗分离性、高间隙通过性、高填充性、高密实性、高稳定性；并同时具备低成本的技术经济合理性。高性能混凝土具有丰富的技术内容，基本特征是按耐久性进行设计，保证拌和物易于浇筑和密实成型，不发生或尽量少发生由温度和收缩产生的裂缝，硬化后有足够的强度，内部孔隙结构合理而有低渗透性和高抗化学侵蚀。随着工程建设的需要,高性能混凝土的使频率越来越高
3、,对其进行严格质量控制的重要性也越来越强。二、高性能混凝土的研究设计内容高性能混凝土配合比设计，高性能混凝土及耐久性，高性能外加剂（聚羧酸系减水剂）在客运专线工程中的应用，高性能混凝土施工温度控制，高性能混凝土外观质量缺陷原因分析及预防措施，客运专线用高性能混凝土搅拌站，高性能混凝土的应用及生产质量控制等。第二节 高性能混凝土配合比设计高性能混凝土配合比是保证高性能混凝土质量的关键，所有高性能混凝土的配制全部运用正交试验法进行配合比的优化设计试验。依据原材料性质配制多个配合比，对每个配合比坍落度、含气量、泌水率、强度、弹性模量等进行试验。从中选出能满足设计要求的最佳配合比，进行抗渗性、抗氯离子
4、渗透性能、抗碱骨料反应、抗冻性、抗裂性、抗钢筋锈蚀等检验，确定最终的混凝土配合比。一、高性能混凝土配合比设计步骤京广高铁（武广段）工程总结5541确定初步理论配合比设计参数（1）配制强度配制强度fcu,0, 应根据混凝土设计强度等级fcu,0 和施工单位的混凝土强度标准差，按国家现行普通混凝土配合比设计规程（JGJ55）中有关混凝土的施工配制强度计算公式确定：1.645 ,0 , + cu cu k f f当施工单位无近期同一品种混凝土的资料时，混凝土强度标准差 值可按表1 取用。表1 混凝土强度标准差 值生产单位 混凝土等级C20 C20C40 C40预制混凝土构件厂 3.0 MPa 4.0
5、 MPa 5.0 MPa现场混凝土集中搅拌站 3.5 MPa 4.5 MPa 5.5 MPa但应注意，在进行水下混凝土配合比设计时， 其配制强度应较普通混凝土的配制强度提高10%20%。水泥用量不宜小于350kg/m3 ；当掺用外加剂，掺合料时，水泥用量可减少，但不得小于350kg/m3。（2）水胶比W0/J按国家现行普通混凝土配合比设计规程（JGJ55）中有关混凝土的水胶比计算公式计算，按耐久性设计要求确定。当按计算所得水胶比例大于按耐久性设计要求确定的水胶比值时，取耐久性设计要求确定的水胶比值。（3）用水量W0可参考行业标准普通混凝土配合比设计规程（JGJ55）选取，通过试验据混凝土拌合物
6、流动性、黏聚性和泌水性确定。（4）砂率SP可参考行业标准普通混凝土配合比设计规程（JGJ55）选用。二、配合比设计计算进行高性能混凝土配合设计计算时，所用骨料均以干燥状态骨料为基准（所谓干燥状态骨料系指含水率小于0.5%的细骨料或含水率小于0.2%的粗骨料）,所用细骨料均以过10mm圆孔筛的细骨料为基准.混凝土配合比设计计算步骤和方法可参照行业标准普通混凝土配合比设计规程（JGJ55）执行。高性能混凝土配合比由于设计影响因数众多、试验周期长、试验任务繁重，早期配合比设计宜采用正交试验设计，合理安排配合比组数，达到事半功倍。三、高性能混凝土配合比设计参数高性能混凝土配合比设计参数主要包括混凝土的
7、强度等级、耐久性设计参数、最大水胶比和最小胶凝材料用量、混凝土含气量、混凝土电通量q 混凝土的抗冻性、混凝土中的碱含量等。京广高铁（武广段）工程总结555采用设计规定混凝土的强度等级和耐久性设计参数，最大水胶比和最小胶凝材料用量应符合铁道部140 号文变更规定，混凝土含气量、混凝土电通量q 应符合相关规定，混凝土的抗冻性冻融破坏环境下的混凝土结构，混凝土的抗冻性应符合相关规定。混凝土中的碱含量应符合设计要求。四、高性能混凝土配合比选定试验的检测项目铁路混凝土工程施工质量验收补充标准规定混凝土配合比选定试验的检测项目应符合下表的规定。表15 混凝土配合比选定试验的检测项目序号 检测项目 试验方法
8、1 坍落度2 泌水率3 含气量普通混凝土拌和物性能试验方法标准（GB/T50080）4 抗裂性 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准附录C5 抗压强度 普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081）6 电通量 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准附录H必检7 弹性模量 普通混凝土力学性能试验方法标准（GB/T50081）8 抗冻性 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（GBJ82）9 耐磨性 水泥胶砂耐磨性试验方法（JC/T421）10 抗渗性 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法（GBJ82）根据结构所处环境类别、设计要求等进行试验。第三节 高性能混凝土及耐久性设计混凝土受到来自土壤、水和
9、空气中有害介质的侵蚀或混凝土本身组成材料有害成分的化学及物理作用，往往会产生开裂、溶蚀、剥落、膨胀、松软及强度等级下降等现象，严重的还会出现结构破坏或倒塌。由于多种错综复杂的原因导致工程质量耐久性差给国家造成的损失难以估量，因此混凝土结构的耐久性和安全性已受到越来越受到广泛关注。 提高混凝土结构耐久性对于当前实现可持续发展战略，更好地利用资源、节约能源和保护环境，都具有十分重要的意义。目前，我国铁路部门已经在大量推广应用以高抗氯离子渗透性能、高工作性和高体积稳定性为标志的耐久性混凝土，并于2005 年度先后出台了三部行业标准，即铁路混凝土工程施工技术指南（TZ 210-2005）、客运专线铁路
10、桥涵工程施工技术指南（TZ213-2005）以及铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定（铁建设2005157 号）。一、耐久性混凝土设计的主要内容铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定明确规定了其主要的内容有以下8 个方面：1结构及主要可更换部件的设计使用年限；2结构所处的环境类别及其作用等级；3结构耐久性要求的混凝土原材料品质、配合比参数限值以及耐久性指标要求；京广高铁（武广段）工程总结5564结构耐久性要求的构造措施（包括钢筋的混凝土保护层厚度）；5与结构耐久性有关的主要施工控制要求；6严重腐蚀环境条件下采取的附加防腐蚀措施；7与结构耐久性有关的跟踪检测要求；8与结构耐久性有关的养护维修要求。二、耐久
11、性混凝土的原材料选择1原材料品质控制基于抗裂、低水化热、高体积稳定性、低渗透性，并适应混凝土施工要求，通常实现耐久性混凝土的关键技术措施主要有：选用高性能优质水泥优质骨料优质掺合料和高性能减水剂，并利用高性能减水剂的大减水率大幅度降低混凝土的水胶比。为节约篇幅，本文只介绍原材料选择上与普通混凝土选材不一样的指标，具体而言：（1）基于控制水化热和收缩的抗裂性要求以及强度、耐久性要求，选择胶凝材料时应注意：水泥：不宜使用早强型水泥；C3A 含量8%（氯盐环境10%）；比表面积350 m2/kg（对硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥）；碱含量0.8%，C40 级以上混凝土碱含量0.6%；氯离子含量0.06%。
12、粉煤灰：铁路行业将其划分为C50 以下混凝土用灰和C50 以上混凝土用灰两个等级。铁路行业C50 以上混凝土用灰某些技术要求要高于国家标准规定的级灰。具体而言，烧失量：C50 以下混凝土5.0%，C50 以上混凝土3.0%；细度：C50 以下混凝土25.0%，C50 以上混凝土12.0%；需水量比：C50 以下混凝土105%，C50 以上混凝土100%；对硫酸盐环境氧化钙含量10%；并增加了游离氧化钙含量和安定性两项指标。2009 年8 月26 日，铁建设2009152 号文对粉煤灰的质量要求又进行了局部修订，适当放松了烧失量指标要求，但对于C50 以上混凝土用灰的需水量比应95%。矿渣粉：其
13、主要技术指标有烧失量4.0%；比表面积350500 m2/kg；需水量比100%，活性指数（28d）95%；铁建设2009152 号文对烧失量规定修改为3.0%。硅灰：由于硅灰比表面积特别大，导致用水量增加，且掺加硅灰混凝土早期自收缩大，因此对于硅灰应该谨慎使用。其主要技术指标有烧失量6.0%；比表面积18 000 m2/kg；需水量比125%，活性指数（28d）85%。（2）基于强度和耐久性要求并考虑施工性能，选择骨料应注意：粗骨料：上述三本行业标准，以客运专线铁路桥涵工程施工技术指南（TZ 213-2005）规定最为严格。以使用于C50 级及以上混凝土用粗集料为例，母岩强度应为混凝土设计强
14、度的2 倍；压碎指标值10%；针片状颗粒含量5%；宜为520mm 连续级配碎石，使用510mm 和1020mm 两级配配料，其质量之比为（405）%：（605）%；含泥量0.5%；吸水率2.0%；并要求为非活性骨料；其他指标参见铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定（铁建设2005157 号）。大量工程实践表明粗集料应积极选择石灰岩、玄武岩和细粒花岗京广高铁（武广段）工程总结557岩等岩种，以满足线膨胀系数（温控）和混凝土弹性模量的要求。细集料：C50 级以上混凝土用细集料优先采用优质天然河砂，细度模数在2.63.0 之间；含泥量1.5%；并要求为非活性骨料；其他指标参见铁路混凝土结构耐久性设计暂行
15、规定（铁建设2005157 号）。（3）基于收缩、抗裂性、强度、耐久性要求以及施工性能，选择减水剂时应注意：减水剂质量的好坏是实现耐久性混凝土的最关键材料，为此铁道部科情司与铁道科学研究院就我国当前能满足铁路客运专线工程的减水剂进行了系统的抽样检验，并公布了合格名录。因此在合格名录范围内应选择优先选择减水率大于25%的聚羧酸系，其他类减水剂的减水率也应大于20%，适应性良好，硫酸钠含量、碱含量、氯离子含量合格的产品，其他指标均满足铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定（铁建设2005157 号）的优质减水剂。三、耐久性混凝土的施工性能控制掺加聚羧酸减水剂、大量使用矿粉的低水胶比耐久性混凝土拌合物往往
16、比普通C50 级纯水泥混凝土黏聚性更大，这主要是因为矿粉的颗粒形状引起的，而原材料品质的波动、计量误差、搅拌时间、骨料含水率的变化更容易引起混凝土拌合物工作性不良。结合武广铁路客运专线工程实践建议注意以下环节和参数控制：（1）施工中合理控制混凝土拌合物性能，优化可泵性并注意合理选择泵机和布管工艺混凝土的可泵性能与混凝土黏着管道产生的阻力及其在管道内流动的速度快慢产生的阻力有关，混凝土流动性过小、黏度过大会引起摩擦阻力增大并导致泵送压力增大，甚至堵管。正因为铁路耐久性混凝土黏度较普通混凝土大，因此应改变传统以单一坍落度指标控制变成以坍落度、扩展度、倒坍落度流下时间等多指标控制方法。必要时可以适量
17、掺加助泵剂或者润滑剂以改善新拌拌合物的工作性能。混凝土输送泵的电机功率是决定出口压力和输送方量的前提条件，如果既要达到出口压力高，又想得到输送量大的目的，尤其在布管长度（高度）较大时，选择电机功率高的输送泵目前来看是最便捷的途径，同时还应保证液压泵，液压阀，电气元件的可靠性。根据武广工程实践：应选择拖式S 形摆管阀高压泵，最大出口泵压应在16MPa 以上，电机功率在132kW以上。还应根据输送泵的设备能力和混凝土工作性能确定合理的泵管布置方案。在必要的情况下可以通过工程试泵试验来确定。（2）配合比设计时应保证混凝土最适宜的浆体含量最适宜的浆体含量与骨料品质特别是粗骨料的品质密切相关，应确保骨料
18、质量的稳定，且经常对其浆体体积进行微调，通常浆体体积变动1.5%左右即可以实现。（3）制定特殊条件下的施工措施混凝土冬期、雨期、高温季节应该有不同的有效的施工保证措施，才能持续实现混凝土耐久性。一般而言，混凝土浇筑前温度宜控制在528，入模温度不宜高于气温并不应大于30，新浇混凝土与老混凝土温差不大于15，混凝土入模后30min，内部最高温度不高于65，混凝土表面养护水与混凝土表面温差不应大于15；冬季搅拌混凝土，混凝京广高铁（武广段）工程总结558土出机温度不宜低于10，入模温度不宜低于5等等（4）加强混凝土收浆并注意及时养护客运专线铁路用耐久性混凝土水胶比低的特点导致其早期期收缩裂缝和沉缩裂缝概率增大，而进行二次甚至多次收浆是解决此类问题最有效的方法之一；注意及时养护（特别是高温季节的及时覆盖塑料膜）也是保证实现耐久性混凝土的非常重要的一个环节。