雅萬高鐵混凝土耐久性試驗及工程應用

張武宗，劉曉鈺，蘭聰，張遠

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610052）

0 引言

“一帶一路”沿途新興經濟體擁有規模巨大的基建市場，為我國高鐵“走出去”提供了前所未有的契機，而雅萬高鐵正是我國高鐵“走出去”的典型案例[1]。由于雅萬高鐵的地理位置處于高溫高濕環境，氯離子、硫酸根離子等侵蝕介質活潑，對混凝土工作性能和耐久性有更高的要求，并且印尼當地混凝土原材料質量較差，性能低于我國鐵路混凝土相關標準，高性能混凝土的制備面臨眾多技術難點[2-4]。因此雅萬高鐵混凝土配合比設計尤為重要，通過優化設計配合比，克服原材料質量問題，提升混凝土工作性及耐久性，以滿足混凝土設計要求，確保整體工程的施工質量，為雅萬高鐵的混凝土施工存在的技術問題提供一個有效的解決方法。

1 雅萬高鐵混凝土技術難點

雅萬高鐵項目正線長 142.2km，最高設計速度350km/h，其中路基 48.94km，占全長的 34.42%；橋梁76.79km，占全長的 54.00%；隧道 16.47km，占全長的11.58%；正線鋪軌無砟軌道 159 鋪軌公里，有砟軌道126 鋪軌公里。我司主要承接雅萬高鐵 DK0-DK40 合同段涉及的水下樁、承臺、墩柱、箱梁、地連墻等混凝土的供應任務。結合印尼當地的地理環境，目前混凝土的生產供應主要存在以下技術難點：

（1）印尼的高溫高濕天氣，炎熱多雨，太陽光強，晝夜溫差較大，混凝土工作性損失快，容易導致混凝土收縮開裂。因此在混凝土設計施工時，混凝土工作性保持和水化溫升控制是需重點關注的問題。

（2）雅萬高鐵所處環境中氯離子、硫酸根離子等具有侵蝕性物質的相對含量高，這對混凝土的耐久性提出了嚴峻的考驗。在混凝土配合比設計時需重點關注氯離子、硫酸鹽離子的含量，以及后期抗氯離子滲透和硫酸鹽侵蝕的能力。

（3）印尼當地混凝土原材來源品質不高，個別標準低于我國現行鐵路標準要求，對于混凝土性能的保持較為困難。

2 原材料及配合比設計

2.1 原材料

（1）水泥：Pt.Semen Gauda OPC Ⅰ水泥，主要性能指標見表1。

表1 水泥檢測指標

（2）粉煤灰：HENGDA F 類Ⅱ級粉煤灰，主要性能指標見表2。

表2 粉煤灰檢測指標

（3）細集料：Kalimantan 河砂，級配合理，細度模數 2.4，含泥量 0.9%。

（4）粗骨料：Jongle-MMS 的 5～31.5mm 連續級配碎石。

（5）外加劑：中建西部建設印尼公司特制專用聚羧酸減水劑，固含量為 21.4%，減水率為 29.0%。

（6）引氣劑：中建西部建設印尼公司生產的 ZJ-6型引氣劑，固含量 2.5%。

（7）水：地下水。

2.2 配合比設計

雅萬高鐵所處地理環境特殊，混凝土面臨眾多因素對耐久性的考驗，因此，有必要對雅萬高鐵混凝土進行不同環境類別的配備比設計，以滿足不同環境下的耐久性要求。查閱鐵路混凝土相關資料，結合雅萬高鐵項目實際情況，以承臺、墩柱用混凝土為例，混凝土面臨的侵蝕環境分為碳化環境、氯鹽環境、化學侵蝕環境、鹽類結晶破壞環境，并根據環境的作用等級，列出相應的耐久性指標，見表3。

以印尼當地原材料特點和混凝土所處的侵蝕環境，并結合以往的配合比設計經驗，進行不同強度和不同環境的混凝土配合比設計。在大量試配試驗的基礎上，通過調整水膠比和摻入引氣劑，研究對混凝土的工作性能和強度的影響。承臺、墩柱的主要配合比和測試結果如表4 所示。

2.3 基準配合比

由表4 可知，試驗各組的性能均滿足設計要求。按照工作性能優良、強度合格、經濟合理的原則，確定混凝土基準配合比，如表5 所示。

3 耐久性能試驗

3.1 抗氯離子侵蝕性能

（1）電通量

電通量法是目前常用的用來測定混凝土抗氯離子滲透性能，用來評價混凝土抵抗氯離子向混凝土內部滲透的能力，是反映混凝土耐久性能的重要指標[5]。雅萬高鐵屬于熱帶雨林氣候，混凝土受氯離子侵蝕問題較為突出，因此在配合比設計時必須考慮這一點，進行抗滲性能測，基準配合比電通量試驗結果如圖1 所示。

從圖1 可以看出，各組電通量結果均符合設計要求的小于 1200C。隨著強度等級的增加，即膠凝材料用量的增加，混凝土的電通量降低；在同強度等級下，摻入引氣劑能夠明顯地降低混凝土的電通量，說明其對混凝土的抗滲性能有提升效果。

（2）氯離子擴散系數

快速氯離子遷移系數法（RCM 法），與電通量法比較，它適用于測定氯離子在混凝土中非穩態遷移的遷移系數。鐵路混凝土標準中要求，此方法用于評價處于氯鹽環境下的混凝土。根據要求，需對處于氯鹽侵蝕的混凝土氯離子擴散系數進行檢測，因此對基準組中的C-2 和 C-4 進行測定，結果如表6 所示。

表3 不同環境類別的耐久性指標

表4 基礎試驗配合比

表5 基準配合比

圖1 電通量試驗對比圖

表6 氯離子擴散系數試驗結果

從結果可以看出，氯離子擴散系數均小于 5.0×10-12m2/s，滿足設計要求。隨強度等級的增加，即膠凝材料用量的增加，氯離子擴散系數減小，有利于混凝土的抗滲性能提升，這與電通量法測得的結果一致。

3.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

混凝土處于化學鹽侵蝕環境中，硫酸鹽類等化學物質會與水泥水化產物發生化學反應導致混凝土損傷，影響其耐久性能[6,7]。根據雅萬高鐵工程的實際情況，混凝土易遭受硫酸鹽干濕循環交替作用，因此對處于硫酸鹽侵蝕環境的混凝土，在配合比設計時，需要進行干濕循環試驗，測定其抗硫酸鹽侵蝕性能。由于配合比中粉煤灰摻入較多，采用 56d 齡期進行試驗，試驗結果見表7 和圖2 所示。

表7 抗硫酸鹽侵蝕試驗結果

圖2 抗硫酸鹽侵蝕試驗結果

從圖中可以看出，經過 30 次干濕循環后，兩組混凝土的 Kf均超過 100%，并且 C-4 組比 C-2 組的 Kf更大。隨著干濕循環次數的增加，C-4 組的 Kf降低幅度更大。由于在混凝土干濕循環初期，侵蝕溶液中的 SO2-4能夠和部分水泥水化產物反應生產鈣礬石（AFt），增加混凝土的致密性，強度有所增加。但是隨著循環次數的增加，AFt 數量的增加超過混凝土內部所能承受的程度，出現膨脹裂紋，導致骨料剝落，強度降低。從試驗結果可以看出，兩組混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力均滿足設計要求的大于等于 KS120。

4 工程應用

雅萬高鐵 DK0-DK41 共計墩柱 800 余根，共計 20萬方，墩柱強度等級為 C40～C45，澆筑方式均為泵送。根據混凝土所處的具體環境情況，選擇相應的配合比。為了保證所有的墩柱混凝土在生產和澆筑及后期性能質量均滿足設計要求，特制定以下措施：

（1）嚴選原材料。主要針對印尼當地原材料質量較差的情況，在材料上進行優選。細集料選用含泥量低、級配良好的河砂，對混凝土坍落度、擴展度損失控制有利；粗骨料選用粒形較好的碎石，節省填充砂漿用量，增加混凝土流動性；減水劑選用特制聚羧酸高效減水劑，降低用水量控制水膠比，提高混凝土在不同環境類別的耐久性。

（2）生產質量控制。分析明確當次混凝土澆筑控制要點，并巡視料倉、檢查骨料質量、交底鏟車上料要求、檢測骨料含水率、復核計量是否正常、檢查運輸罐車積水是否排盡等；按要求進行混凝土出站工作性能檢測。

（3）運輸和澆筑。由于印尼的高溫高濕天氣，炎熱多雨，太陽光強，晝夜溫差較大，混凝土工作性損失快，因此在運輸上，要盡可能縮短時間，澆筑時必須確保坍落度和擴展度達標，嚴格控制澆筑時間；出現時間過長，混凝土狀態不滿足澆筑條件的，由現場技術人員進行調整或返站處理。

（4）混凝土振搗。分層澆筑混凝土時每一插點要掌握好振動時間，插點要均勻排列，插點距離應不大于振動棒作用半徑的 1.5 倍，一般為 500mm；避免碰撞鋼筋、模板、預埋件，要經常檢查所有預埋件的牢固程度和位置的準確性。

根據混凝土生產統計和澆筑記錄，墩柱混凝土從生產到澆筑施工，質量控制較好，后期力學和耐久性能優異，總體結果良好。表8 為生產取樣的性能測試結果平均值。

5 結論

（1）分析了雅萬高鐵混凝土的技術難點，并列舉了混凝土的不同侵蝕環境和技術要求，在此基礎上，根據混凝土工作性能和力學性能進行混凝土配合比優化，確定基準配合比。

（2）對 4 組基準配合比進行電通量、氯離子滲透系數和抗硫酸鹽侵蝕試驗，結果表明，各組電通量小于1200C，氯離子滲透系數小于 5×10-12m2/s，抗硫酸鹽侵蝕的干濕循環次數大于 KS120，混凝土整體性能優異，滿足設計要求。

（3）工程應用實踐中，質量保證措施恰當，配合比滿足要求，混凝土整體工作性、力學性和耐久性良好，施工進展順利，效果良好。

表8 生產取樣試驗結果