干旱風沙地區高性能混凝土質量控制技術

肖頌新

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅蘭州 730000)

干旱風沙地區高性能混凝土質量控制技術

肖頌新

(蘭新鐵路甘青有限公司，甘肅蘭州 730000)

以新建蘭新鐵路第二雙線工程為例，選擇高性能混凝土施工質量控制要素為對象，從材料和服役環境等方面確定影響高性能混凝土質量的主要因素及其對質量控制流程各環節的影響。在原材料質量控制方面提出了抑制堿—骨料反應技術，在混凝土配制方面提出了高濃度鹽堿地區防腐混凝土和基于內養護的雙塊式無砟軌道道床板補償收縮混凝土的配制技術，在施工工藝方面提出了節水養護技術，為干旱風沙地區混凝土施工提供參考。

干旱風沙地區 高性能混凝土 防腐混凝土 施工技術

1 工程概況

新建蘭新鐵路第二雙線跨越甘肅、青海、新疆維吾爾三省區，正線全長1 775.8 km，其中甘青公司管段長1 066 km，多段線路處于大溫差、大風沙、大蒸發、強日照的惡劣自然環境中，而且還存在鹽漬土分布和原材料匱乏等諸多不利于混凝土工程的因素。目前，在高海拔地區以及高寒地區修建鐵路可借鑒青藏鐵路和哈大鐵路客運專線的技術和經驗，而對干旱風沙地區鐵路高性能混凝土工程的質量控制尚缺少成熟的技術和經驗。因此，本文以新建蘭新鐵路第二雙線甘青段工程為背景，以混凝土結構達到設計使用壽命為目標，針對干旱風沙地區環境特征及其他客觀因素，選擇鐵路高性能混凝土施工過程質量控制要素為對象，分析了干旱風沙地區混凝土質量的主要影響因素，從材料、配制、施工等方面提出了適用于干旱風沙地區鐵路高性能混凝土質量控制關鍵技術，從管理方面提出了新建蘭新鐵路第二雙線高性能混凝土質量控制標準化體系。

2 干旱風沙地區混凝土質量控制影響因素

針對新建蘭新鐵路混凝土服役環境特征，從材料、氣候、地質三個方面確定高性能混凝土質量控制過程的主要不利因素及其對混凝土質量控制流程不同環節的影響，具體情況見圖1。

3 干旱風沙地區混凝土質量控制關鍵技術

3.1 堿—骨料反應抑制技術

調研發現蘭新鐵路沿線大部分骨料具有不同程度的堿活性，若更換為非活性骨料將會導致高成本。依據《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》(TB10424)，當砂漿棒膨脹率≥0.10%，且＜0.20%時，應控制混凝土的堿含量;當砂漿棒膨脹率≥0.20%，且＜0.30%時，除應控制混凝土的堿含量外，還應采取抑制堿—骨料反應的技術措施，并需經過試驗證明抑制有效。根據蘭新鐵路二線沿線原材料狀況，采用膠凝材料多元化技術，利用摻合料復合后的“功能疊加”作用，抑制堿—骨料反應，具體抑制效果見圖2。

3.2 混凝土配制技術

3.2.1 高濃度鹽堿地區防腐混凝土配制技術

西北干旱風沙地區由于地質構造運動和氣候特點，導致部分低海拔地區土壤中鹽分累積，進而形成鹽堿土，鹽堿土中高濃度硫酸鹽會降低水泥水化產物的穩定性，甚至導致混凝土剝落和潰散，氯鹽會破壞鋼筋鈍化膜并導致其銹蝕。研究表明[1]，改善水泥基材料抵抗有害離子侵蝕能力的主要途徑有降低水泥基材料內部Ca(OH)2和C3A的含量，減少水泥基材料受硫酸鹽侵蝕的程度;改善水泥基材料的孔結構，提高密實性，阻止有害離子的侵入。基于此，確定防腐混凝土配制原則如下:①限制水泥熟料中的C3A含量不超過8%;②摻加高性能減水劑，對于鹽類結晶破壞環境還須摻加引氣劑，并保證混凝土含氣量＞4.0%;③嚴格控制水膠比和膠凝材料用量，不同環境條件下混凝土的水膠比和膠凝材料用量控制列于表1;④摻加礦物摻合料，不同環境條件下摻合料的摻量范圍列于表2。

圖1 蘭新鐵路二線混凝土質量控制主要不利因素及其影響

圖2 膠凝材料多元化技術對堿—骨料反應的抑制效果

3.2.2 基于內養護的雙塊式無砟道床板補償收縮混凝土配制技術

新建蘭新鐵路第二雙線軌道結構形式設計為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道。道床板為現澆板式結構，水平方向變形較大，且變形時受到內部鋼筋、軌枕和底部支承層的多種約束，導致其開裂風險較高。目前，使用膨脹劑補償混凝土收縮是抑制混凝土開裂常用技術措施[2]，然而，蘭新二線自然環境嚴酷，道床板混凝土還存在澆筑過程中因暴露面迅速失水而產生較多塑性裂紋的問題。由于受“膨脹窗口”的限制，僅依靠膨脹劑無法有效抑制道床板混凝土塑性收縮裂紋的產生。針對上述情況，提出基于內養護的道床板補償收縮混凝土的配制技術，利用內養護材料預蓄水分的長效緩釋，補償混凝土蒸發的水分，減少塑性收縮`，同時為膨脹劑水化補償必要的水分，充分激發膨脹劑的效能。基于內養護的道床板補償收縮混凝土與常規道床板混凝土的早期收縮對比結果見圖3。

表1 不同環境下混凝土的水膠比和膠凝材料用量要求

表2 不同環境下混凝土中礦物摻合料摻量范圍 %

圖3 不同配制技術道床板混凝土早收縮情況

3.3 混凝土節水無間斷養護技術

養護是混凝土設計性能得以實現的重要環節，它不僅直接影響混凝土強度的發展，而且影響著混凝土的耐久性能，特別是影響著表層混凝土的質量;科學合理地確定以溫度、濕度和時間為要素的養護工藝是保證混凝土結構使用壽命的關鍵之一[3-6]。蘭新二線沿線水資源匱乏，部分區段采用傳統灑水養護工藝困難;同時大風干旱和大溫差等環境因素易導致因拆模、養護工藝轉換間隙而暴露的混凝土開裂，因此，亟需一種與其環境特征相適應的養護技術。針對上述需求，提出了一種利用含保水材料無紡物進行節水無間斷養護的新技術，其作用機制為:澆筑前采用水溶性膠將無紡物粘貼至模板成型面，澆注后混凝土中富裕的水分在無紡織物內儲存并將粘結層的水性膠溶解，脫模時無紡物與模板分離并附著在混凝土表面，利用預蓄的水分為混凝土提供養護。該養護技術具有節水、保濕、保溫、表面增強和無間斷等多重功效，能夠滿足干旱風沙地區鐵路混凝土養護的需要。

3.3.1 保濕效果

比較分析了采用節水無間斷養護和傳統養護的墩身實體混凝土保濕效果，具體結果見圖4。

圖4 墩身混凝土表層(30 cm)相對濕度測量結果

從圖4可看出，在第Ⅰ階段(養護工藝實施階段0～14 d)，采取兩種工藝混凝土相對濕度測試結果差異不明顯，節水無間斷養護技術能夠實現傳統養護的功效;在第Ⅱ階段(14～65 d)由于無紡物排出了混凝土表面富裕的水分，在一定程度上降低了表層混凝土的水膠比，提高了混凝土致密性，與傳統養護相比，采取節水無間斷養護的混凝土相對濕度降低幅度較小;在第Ⅲ階段(65 d后)，采取兩種養護工藝的混凝土內部相對濕度趨近。

3.3.2 外觀質量

圖5(a)為采用節水無間斷養護的墩身脫模時無紡物與模板分離并與墩身混凝土密貼的情況，圖5(b)和5(c)分別為采用節水無間斷養護和傳統養護的混凝土外觀情況。從中可以看出，采用節水無間斷養護的混凝土表面顏色均勻，無氣泡、水紋和砂線等質量通病，外觀質量明顯優于采用傳統養護的混凝土。

圖5 采用節水無間斷養護與傳統養護工藝混凝土外觀對比

4 蘭新鐵路二線混凝土質量控制

目前，混凝土工程管理的標準化和信息化已成為趨勢和必然。為確保蘭新鐵路二線混凝土結構在嚴酷服役環境下的使用壽命，須建立與其工程特征相適應的標準化管理體系，具體包括管理制度標準化、人員配備標準化、現場管理標準化、過程控制標準化等四個方面。其中管理制度標準化內涵為在科學分析惡劣自然條件下高性能混凝土工程面臨的技術難點和要點的基礎上，依據現有標準、規范，構建清晰、職責分明、重點突出的蘭新鐵路高性能混凝土施工管理制度和體系，從而做到關鍵技術明確，實施有規范、操作有程序、過程有控制、結果有考核;人員配備標準化內涵為根據蘭新鐵路高性能混凝土工程技術特點對混凝土質量控制進行歸口管理，配備具有相應技能、能力、知識的人員，建立培訓和考核機制，提高人員的素質和工作效率;現場管理標準化內涵為依據即有施工管理制度和體系，具體化和定量化混凝土質量控制現場管理的工作內容，提煉、升華管理要素，進而形成混凝土質量控制現場管理工作標準;過程控制標準化內涵為將管理制度標準化、人員配備標準化、現場管理標準化貫穿混凝土工程質量控制過程，建立量化考核機制，對執行程度進行考核。蘭新鐵路二線混凝土質量控制管理基本內容見表3。

5 結語

1)蘭新鐵路二線嚴酷的環境對混凝土質量控制技術提出了特殊要求，合理應用堿活性骨料降低成本、有效降低大風干旱環境下混凝土開裂風險、確保高腐蝕環境混凝土結構使用壽命和實現在水資源匱乏條件下的節水養護是混凝土工程面臨的重大難題。

2)通過膠凝材料多元化技術，有效抑制了混凝土堿—骨料反應;通過控制水泥中C3A含量、水膠比、摻活性礦物摻合料和適當引氣等綜合技術措施，提高了混凝土抗腐蝕性能。

3)采用節水無間斷養護技術能夠實現混凝土自澆筑起點的無間歇養護，有效避免工藝流轉過程養護的中斷和混凝土暴露，在節約了水資源的同時顯著改善混凝土外觀質量。基于內養護的補償收縮混凝土配制技術在補償長期干縮的同時，有效降低混凝土塑性階段開裂的風險，適用于制備大風干旱地區長線板式結構高性能混凝土。

表3 蘭新鐵路二線混凝土質量控制管理基本內容

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TU528.31

A

1003-1995(2012)06-0139-04

2012-03-05;

2012-03-20

鐵道部科技研究開發計劃項目(2010G019-A)

肖頌新(1970— )，男，湖南益陽人，高級工程師。

(責任審編 王 紅)