蒙內鐵路工程混凝土早期收縮和抗裂研究

陶元洪,夏京亮,王　偉,董匯標,3

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011;2.中國建筑科學研究院，北京 100013;

3.北京建筑大學，北京 100044)

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蒙內鐵路工程混凝土早期收縮和抗裂研究

陶元洪1,夏京亮2,王偉2,董匯標2,3

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011;2.中國建筑科學研究院，北京 100013;

3.北京建筑大學，北京 100044)

摘要：采用早期收縮和刀口約束早期抗裂的試驗方法，研究了蒙內鐵路用混凝土的早期收縮和抗裂性能。結果表明，采用天然火山灰和粉煤灰復摻可以配制出早期收縮小，抗裂效果好的混凝土，可用于蒙內鐵路工程。

關鍵詞：天然火山灰；早期收縮；早期抗裂

在鐵路建設和使用過程中，結構、構件的混凝土開裂是常見的病害，裂縫不僅會降低鐵路的使用壽命，增加鐵路運行維修費用，甚至直接造成鐵路線的破壞和鐵路橋梁的垮塌。近年來由于混凝土裂紋問題引發的事故和鐵路大修問題屢見不鮮。而裂縫問題也常常困擾著鐵路系統相關技術人員[1-5]。

構成混凝土裂縫的原因很多，事實上，大部分混凝土都是帶縫工作的，有些十幾納米至幾微米的裂縫并不影響結構和構筑物的工作，而一些較大的裂縫便會嚴重影響到混凝土正常使用，引發問題。在鐵路工程中造成混凝土開裂的原因同樣繁多，由于鐵路線較長、經歷環境的多變、車輛碾壓造成混凝土疲勞等各類原因相互影響，每一條裂縫的出現和發展都由背后的幾大原因造成[6]。

蒙-內鐵路位于肯尼亞，起點為東非最大的港口之一的蒙巴薩，終點為肯尼亞首都內羅畢，是肯尼亞獨立百年來建設的首條鐵路，也是規劃中的東非鐵路網的咽喉。由于肯尼亞位于赤道線上，天氣干燥，晝夜溫差大，混凝土早期收縮開裂風險巨大。在肯尼亞，由于工業落后，缺乏粉煤灰、礦渣粉等工業廢渣，但大量分布有天然火山灰質材料[7,8]，文章對比研究天然火山灰和粉煤灰對混凝土早期收縮開裂性能的影響。

1試驗

1.1　原材料及配合比

1)天然火山灰質材料：采自非洲肯尼亞當地的兩種天然火山灰質材料，其化學成分見表1，主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3。其基本性能見表2。1#火山灰樣品為凝灰巖磨細粉體(1#NP)；2#火山灰樣品為火山渣磨細粉體(2#NP)，見圖1。兩種火山灰都包含一些晶體礦物和玻璃體，其中主要晶體礦物均為長石類礦物，XRD分析結果見圖2。

表1　摻合料的化學成分

試樣SiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgONa2OK2OLOI1#火山灰56.8013.8413.191.190.680.436.446.190.482#火山灰43.9010.9416.443.5810.5510.371.841.490.21粉煤灰48.9128.058.852.152.651.030.782.081.3

表2　磨細天然火山灰質材料的基本性能

2)水泥：肯尼亞Bamburi水泥廠生產Ⅰ型水泥(EN197-1)，其物理力學性能見表3；粉煤灰：其化學組成見表1，Ⅰ級粉煤灰(FA)。

表3　水泥的物理力學性能

3)碎石：肯尼亞5~20 mm連續級配玄武巖碎石，表觀密度2 970 kg/m3；機制砂：肯尼亞玄武巖機制砂，表觀密度2 980 kg/m3，細度模數3.3，壓碎值5.9%；減水劑：建研昆侖有限公司生產聚羧酸外加劑KLS3。

4)混凝土配合比見表4，礦物摻合料分別為30%1#火山灰、30%2#火山灰、30%Ⅰ級粉煤灰、20%2#火山灰+10%Ⅰ級粉煤灰。

表4　混凝土配合比

1.2　試驗方法

早期收縮和抗裂試驗按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》方法進行測試。

2結果與分析

2.1　早期收縮

由圖3的試驗結果可知，摻加1#天然火山灰導致早期收縮大幅度增加，2#天然火山灰、粉煤灰及2#火山灰與粉煤灰復摻均能夠減少混凝土的早期收縮；兩種天然火山灰和粉煤灰早期收縮對比，1#火山灰>粉煤灰>2#火山灰；2#火山灰與粉煤灰2∶1復摻的早期收縮介于2#火山灰和粉煤灰之間；可見摻加2#天然火山灰或者2#天然火山灰與粉煤灰復摻可以有效減小混凝土的早期收縮，起到抗裂和防裂的效果。

2.2　早期抗裂

圖4為試驗結果。由圖4試驗結果可知，兩種天然火山灰、粉煤灰以及2#火山灰和粉煤灰復摻均在一定程度上減小了平板的總開裂面積；兩種火山灰和粉煤灰對混凝土抗裂性能的提高上，粉煤灰>2#天然火山灰>1#天然火山灰，其中粉煤灰和2#天然火山灰優勢較為明顯；2#火山灰與粉煤灰2∶1復摻對混凝土抗裂性能的影響介于2#火山灰和粉煤灰之間，且該組混凝土抗裂性能好；可見，2#天然火山灰或者2#火山灰與粉煤灰復摻在對混凝土抗裂性能影響上接近粉煤灰，且抗裂性能好。

3結論

a.摻加2#天然火山灰或者2#天然火山灰與粉煤灰復摻可以有效減小混凝土的早期收縮，起到抗裂和防裂的效果。

b.2#天然火山灰或者2#火山灰與粉煤灰復摻在對混凝土抗裂性能影響上接近粉煤灰，且抗裂性能好。

參考文獻

[1]劉衛成,鐵路客運專線承臺大體積混凝土裂縫控制研究[J].工程技術,2012(1):35-39.

[2]蔣筱寧,混凝土橋梁裂縫成因綜述[J].工程建設,2006(6):68-83.

[3]馬曉飛,鐵路工程施工中混凝土裂縫的成因與改進建議[J].工程技術,2014(4):48-51.

[4]王鐵夢,工程結構裂縫控制[M].北京,中國建筑工業出版社,1997.

[5]Yu Xigang,Xu Yaofang, On the Reinforced Concrete Beam Cracks and Prevention Measures[J]. Value Engineering, 2011(3):21-24.

[6]孫錦標.混凝土橋梁裂縫成因綜述[J].林業建設,2007(7):56-60.

[7]夏京亮，胡釗光，丁立金,等.肯尼亞天然火山灰質材料用于混凝土的技術指標研究[J].施工技術,2015(8):56-58.

[8]胡釗光，夏京亮，裴巖,等.肯尼亞天然火山灰質材料對混凝土凝結特性的影響研究[J].混凝土,2015(9):94-96.

Investigation and Analysis of Concrete Cracking

in Railway Engineering

TAOYuan-hong1,XIAJing-liang2,WANGWei2,DONGHui-biao2,3

(1.China Road and Bridge Co,Beijing 100011,China;2.China Academy of Building Research,

Beijing 100013,China;3.Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing100044,China)

Abstract:The early shrinkage and cracking resistance of concrete of the Mombasa-Nairobi Railway were studied through the test method of early shrinkage and edge constraint.The results show that less early shrinkage, good anti cracking effect of concrete can be made by using natural pozzolan and fly ash mix,which can be used in Mombasa-Nairobi Railway.

Key words:natural pozzolan;early shrinkage;early cracking

作者簡介：陶元洪(1987-)，工程師，碩士.E-mail:xiasnxia@126.com

收稿日期：2015-10-18.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.009