蒙內鐵路混凝土T梁氣泡控制技術

李軍峰

(中交二公局鐵路建設有限公司，陜西 西安 710199)

采用中國標準、中國技術、中國裝備的蒙內鐵路，是連接肯尼亞港口城市蒙巴薩和首都內羅畢的標軌鐵路。由于施工中所用當地骨料基本是多孔的，導致肯尼亞多孔骨料混凝土用水量大且用水相同時流動度小。這對東非炎熱干燥環境下保證混凝土的工作性、強度及T梁外觀質量帶來了極大挑戰，EMALI梁場生產的T型梁馬蹄處由于混凝土拌合物含有大量氣泡引起結構強度、耐久性不足[1-3]，實踐中改進T梁專用混凝土配合比設計，采取調整振搗方式等施工工藝有效解決了此問題。

1 原材料及試驗方法

1.1 主要原材料

(1)水泥：拉法基Bamburi生產的CEM I 52.5級普通硅酸鹽水泥，密度3.12 g/cm3,執行標準為EN 197-1。

(2)粉煤灰：產自印度的CEMGUARDTM，為F類C50以上粉煤灰，其需水量比為85%，密度2.65 g/cm3。

(3)河砂：Sultanhamud砂場，中砂。

(4)碎石： Simba采石場5～20 mm連續級配碎石，巖性為多孔火山玄武巖骨料(如圖1所示)，孔隙多，吸水率2.8%，母巖抗壓強度達110.5 MPa。

圖1 肯尼亞骨料

(5)減水劑：北京交通厚德有限公司聚羧酸系高性能減水劑。

(6)消泡劑：青州市三一化工有限公司DS-8000型消泡劑，粘度：50～600 MPa.s。

(7)引氣劑：山東銳晟化工有限公司WP61型引氣劑。

1.2 試驗方法

混凝土工作性和強度測試參照《混凝土拌合物稠度試驗方法》(TBT2181-1990)和《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB50081-2002)進行。

2 T梁用混凝土配合比設計

T梁用混凝土設計強度為C55，含氣量為2%～4%，抗滲等級為P20。參照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2011)對T梁用混凝土進行配合比設計。考慮到肯尼亞當地骨料自身含有一定量的孔隙，顆粒表面相對粗糙，拌合后混凝土粘稠度大，因此設計時混凝土的工作性盡可能提高。

2.1 調整膠凝材料用量

針對肯尼亞當地的骨料多孔特性，調整膠凝材料總用量來滿足施工要求，試驗配合比見表1，混凝土抗壓強度見表2。由表2試驗結果可知，隨著膠凝材料用量增加混凝土各齡期抗壓強度均增加，三套混凝土配合比強度均滿足C55設計要求。考慮到生產成本、混凝土工作性以及強度富余量，初步確定采用1#混凝土施工[4]。

表1 混凝土配合比設計 kg/m3

表2 混凝土抗壓強度 MPa

2.2 調整粉煤灰摻量

在1#配合比基礎上，進一步優化膠凝材料中粉煤灰摻量。因粉煤灰相對水泥密度低，單位質量下，其體積相對大，這樣摻入混凝土中對骨料的包裹性好，有利于改善混凝土的工作性[5,6]。試驗分析粉煤灰摻量從13%改變到19%時摻量變化對T梁混凝土工作性能和力學性能的影響，對強度影響的試驗結果如圖2所示。

圖2 粉煤灰摻量對T梁混凝土強度的影響

由圖2得知，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土3 d抗壓強度有明顯的上升趨勢，7 d抗壓強度幾乎沒有明顯變化，14 d和28 d抗壓強度變化較大。隨著粉煤灰摻量從13%增加到19%，混凝土3 d抗壓強度從40.5 MPa逐漸上升到了43.2 MPa。由于在混凝土早期水化過程中，粉煤灰的活性未被激活，導致其水化程度較慢，其7 d強度上升緩慢。而齡期到了14 d和28 d時，粉煤灰摻量從13%增加到19%時，強度變化不大，僅有略微下降趨勢；但當摻量增加到17%時，混凝土強度增加較大。因此，從混凝土的工作性、強度以及經濟三方面綜合考慮，粉煤灰摻量為17%時為最佳，此時梁體用混凝土強度及工作性能滿足設計指標要求。

摻用粉煤灰后，混凝土內部結構是否致密對其耐久性影響至關重要。因此，選用SEM分析觀察其微觀形貌結構的變化。選用17%摻量粉煤灰復合膠凝材料制作凈漿水泥試塊，觀察水泥水化的7 d和28 d的形貌變化，結果如圖3所示。

圖3 17%粉煤灰摻量水泥凈漿SEM圖

從圖3(a)可以看出水化產物種類較少，粉煤灰還未對水泥水化起到膠結作用，水泥顆粒生長的表面水化產物吸附較少，并且在表面還出現凹坑和裂紋現象，漿體的微觀結構緊密程度較差。圖3(b)水泥水化產物種類較多，整體觀察微觀結構緊密程度較高，粉煤灰顆粒和水泥水化產物相互膠結，填補了水化前期的空隙，膠凝產物生長相互交織，為水泥水化強度變化起到主要的作用。

3 T梁澆注存在的問題及改進

T梁澆注2 d后拆模發現梁側面和馬蹄部位施工出現質量問題，混凝土澆注產生大量氣泡、表面有砂紋等缺陷存在，如圖4所示。

圖4 T梁結構表面缺陷

3.1 產生氣泡的原因[7,8]

(1)水膠比過大是氣泡產生的主要因素。在施工拌合時含氣量與水膠比成正相關，水膠比越大，混凝土內部的水分越多，趨向于過飽和狀態。由于水分過多，混凝土內部不能有效的將氣泡和空氣排除，在混凝土表面產生大量的氣泡。

(2)攪拌不合理。如果攪拌時間不準確，那么原材料分布不均勻,易產生混凝土表面氣泡。攪拌操作不規范，每批混凝土工作性能差異較大，混凝土在拌合過程易離析、坍落度增加，使混凝土表面產生大量氣泡。

(3)振搗操作不規范。如出現欠振或者過振等情況，會在混凝土內部和表面產生大量的氣泡，影響氣泡的排出，使得混凝土密實度較低、鋼筋保護層和主要部位出現氣泡和空隙，影響混凝土后期的強度變化，縮短使用壽命。

3.2 馬蹄處缺陷防治措施

3.2.1 配合比優化

優化后配合比：水泥∶粉煤灰∶砂∶石∶水∶減水劑為406∶77∶689∶1 078∶145∶5.13(kg/m3)(優化前配比為：398∶70∶695∶1087∶145∶5.15(kg/m3))。

配合比優化后細骨料含量較高、砂率較大，嚴格控制骨料自身的含泥量和含水率等，防止骨料自身性質影響工作性和強度變化。

3.2.2 澆注方式改進

混凝土施工按一定的厚度、順序和方向，從梁的一端分層澆注至另一端、向相反方向投料，并在距該端4～5 m處合攏。每層布料應該控制在150～200 mm厚度之間，上層混凝土必須在下層混凝土振搗密實后方能澆注，以便于混凝土內部的氣泡能夠有效的排除。在澆注完成后，采用多次抹壓，初凝后進一步抹壓，減少表面氣泡的產生。應盡量避免混凝土澆注速度過快、分層較厚等情況發生。

3.2.3 脫模劑優化

在模板使用過程中加入消泡劑和脫模劑。將脫模劑和水按照1∶5的體積比例配制脫模劑，然后按照脫模劑∶消泡劑為8 %∶5 %摻量進行配制。針對于不同的施工環境，再對原有配合比做出相應的調整。

3.2.4 振搗方式優化

振搗方式選擇附著式振搗與插入式振搗相結合的原則。以附著式振搗器振搗為主，頻率為10 000 Hz，采用先中頻再高頻的振搗順序，根據經驗高頻率振搗器會減小氣泡的產生。其次以人工插搗為輔，相鄰插入距離在60 cm以下，一般插搗以15～20 s為佳，以免引起泌水等。在作業時采取快插慢拔，振搗時間控制在混凝土停止下沉、不再冒出氣泡、表面呈現平坦為止，同時防止過振、欠振、漏振發生。

3.3 工藝改進后澆注效果

在施工過程中嚴格按照以上調控辦法進行作業，調整后T型橋梁施工完畢后混凝土表觀效果如圖5所示。

圖5 工藝優化后橋梁表面

4 結論

(1) 在混凝土配合比設計時應該嚴格控制氣泡含量的產生，盡可能提高T梁混凝土的工作性，調整混凝土配合比中膠凝材料用量、骨料的相對含量以降低其粘度。

(2) 在配合比調控充足的基礎上，改進振搗方式、調整脫模劑等工藝措施可改善澆注混凝土的外觀質量。