武广客运专线株洲西湘江特大桥C60高性能混凝土配比设计及施工控制措施333.docx

武广客运专线株洲西湘江特大桥C60高性能混凝土配比设计及施工控制措施333.docx

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武广客运专线株洲西湘江特大桥C60高性能混凝土配比设计及施工控制措施333

武广客运专线株洲西湘江特大桥C60高性能混凝土配比设计及施工质量控制

1　概述

武广客运专线株洲西湘江特大桥由北向南的孔跨布置为：

2-24m+3-32m简支箱梁＋（60+5×100+60）m连续梁＋30-32m简支箱梁中心里程：

DK1606+737.75桥全长：

L＝1763.86m，主桥60m+5x100m+60m连续梁采用C60高性能混凝土。

为建设高标准客运专线、推动铁路建设技术进步,铁道部科技司等相关部门发布了若干暂行技术条件和规范、标准，确保客运专线混凝土结构的长期耐久性。

客运专线预应力混凝土连续箱梁混凝土的技术性能特点有以下几点：

（1）混凝土有抗裂、抗氯离子渗透性、抗冻性、耐蚀性、抗碱骨料反应性等耐久性要求。

（2）矿物掺和料、聚羧酸系高性能外加剂使用纳入箱梁高性能混凝土技术标准要求。

　　下面就武广客运专线株洲西湘江特大桥预应力混凝土连续箱梁C60高性能混凝土配合比设计和泵送施工中应注意的一些事项进行阐述，以给客运专线连续箱梁高性能混凝土施工提供参考。

2C60高性能混凝土的配合比设计

武广客运专线株洲西湘江特大桥使用年限按100年考虑，预应力混凝土箱梁C60混凝土除应满足技术要求主要有：

:

56d电通量小于1000C，抗冻融指标为F200，抗渗等级P20以上。

2.1配合比设计技术路线

基于抗裂和耐久性考虑,“掺矿物掺和料+高性能外加剂”是配制预应力混凝土箱梁高性能混凝土的主要技术路线。

对客运专线预应力混凝土箱梁混凝土来说,除预应力措施外，混凝土本体的抗裂性是首要考虑因素，基于对水化热和体积稳定性的考虑选择硅灰和磨细矿粉作为辅助胶凝材料，并选择适应箱梁施工的兼有低收缩、缓凝、早强性能的聚羧酸系高性能外加剂配制其混凝土成为关键技术措施,也符合混凝土耐久性的技术实现途径。

2.2原材料选择

（1）基于控制水化热和收缩的抗裂要求以及耐久性要求，选择胶凝材料主要应注意以下几点：

　　①水泥。

配制高强度混凝土应尽可能选用与混凝土强度相适应的水泥，如无法满足时，亦可采用强度等级不低于42.5MPa的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，但水泥实际活性应大于50MPa；碱含量宜≤06%，应控制熟料中的C3A含量≤8%;应控制比表面积≤350m2/kg。

　　②硅粉。

活性SiO2含量≥85%；比表面积≥18000cm2/g；活性指数≥85%

　　③磨细矿粉。

控制比表面积350～500m2/kg，需水量比≤100%，28天活性指数≥95%

（2）基于强度和耐久性要求，选择骨料应注意以下几点：

　　①粗骨料。

母岩强度应达120MPa以上;级配合理，粒形好,紧密空隙率宜≤40%，松堆密度大于1500kg/m3，压碎值≤8%，针片状≤5%，硬质、洁净碎石;控制吸水率≤2%，非碱活性。

　　②细骨料。

细度模数宜为2.6～3.0，含泥量≤2%，吸水率≤2%，硬质、洁净、天然河砂，非碱活性。

（3）基于抗裂、耐久性、强度、施工性能要求,选择外加剂应注意:

外加剂与胶凝材料的相容性要好，减水率宜为25%以上，并适度引气,适度缓凝。

2.3株洲西湘江特大桥根据实际情况选取的原材料情况

（1）水泥：

湖南印山台水泥有限公司P.O42.5，具体指检测指标如下：

抗折强度

（MPa）

抗压强度

（MPa）

细度（%）

凝结时间

（min）

安定性

碱含量（%）

烧失量（%）

氯离子含量（%）

3天

28天

3天

28天

6.8

初凝

终凝

合格

0.64

1.2

0.003

5.2

9.7

21.8

48.3

95

150

（2）粗骨料：

株洲白关泉源碎石厂5－10mm、10－20mm碎石按4：

6比例混合而成，为5－20mm连续级配，其它检测指标如下：

含泥量（%）

泥块含量（%）

表观密度（kg/m3）

紧密密度（kg/m3）

紧密空隙率（%）

硫化及硫酸盐（%）

坚固性（%）

压碎值（%）

0.2

0.1

2720

1650

39.3

0.005

1.0

6.2

吸水率（%）

针片状颗粒含量（%）

饱和抗压强度（MPa）

碱活性矿物

砂浆棒膨胀率（%）

氯离子含量（%）

0.32

4.9

197

未见

0.06

0.001

（3）细骨料：

株洲市芦淞区宏发砂场（细度模数2.7），检测指标情况：

含泥量（%）

泥块含量（%）

云母含量（%）

轻物质含量（%）

有机物含量（%）

硫化及硫酸盐（%）

0.3

0.2

0

0.2

合格

0.002

坚固性（%）

碱活性矿物

砂浆棒膨胀率（%）

氯离子含量（%）

细度模数

2.0

未见

0.09

0.002

2.7

（4）矿渣粉：

湖南涟钢泰基建材有限公司S95矿渣粉，具体检测指标如下：

28天活性指数（%）

比表面积（m2/kg）

含水率（%）

需水量比（%）

三氧化硫

（%）

氧化镁（%）

碱含量

（%）

烧失量（%）

氯离子含量（%）

103

436

0.2

91

0.2

6.97

0.48

0

0.006

（5）硅粉：

埃肯国际贸易（上海）有限公司920U，具体检测指标如下：

28天活性指数

（%）

比表面积（m2/kg）

含水率（%）

需水量比（%）

碱含量

（%）

烧失量

（%）

氯离子含量

（%）

108

18027.6

0.53

105

0.32

1.8

0.004

（6）外加剂：

山东华伟NOF-AS聚羧酸盐高效减水剂，具体检测指标如下：

抗压强度比（%）

坍落度保留值（mm）

泌水率比（%）

水泥净浆流动度（mm）

收缩率比（%）

总碱量（%）

减水率（%）

含气量（%）

3天

7天

28天

30min

60min

121

300

121

1.88

27

4.8

159

196

175

196

175

离子氯含量（%）

硫酸钠含量（%）

相对耐久性指标（%）

对钢筋锈蚀作用

硫酸钠含量（%）

0.01

1.08

86

1.08

1.08

2.4配合比设计方法

预应力混凝土连续箱梁C60混凝土配合比是基于抗裂、抗氯离子渗透、抗硫酸盐腐蚀、抗冻融、抗碳化等耐久性的早强高性能混凝土配合比设计，因此应遵循高性能混凝土配合比设计方法，即选择水胶比、矿物掺和料掺量、含气量、浆集比、砂率等参数进行配合比设计，既可科学地指导混凝土的实际施工和过程调整,又便于分析施工中产生问题的原因。

2.5配合比参数选择

2.5.1C60高性能混凝土各参数的选择

（1）水胶比

从以往成功实践来看，C60高性能混凝土水胶比通常选择0.27～0.31，较适应现有原材料现状的预应力混凝土连续箱梁C60高性能混凝土的施工。

（2）矿物掺合料掺量

考虑预应力混凝土连续箱梁施工特点兼顾早强、降低水化热的要求以及原料来源的限制，因掺合料单掺使用在不同施工季节难以协调混凝土强度、水化热、耐久性、施工性能之间的矛盾，连续箱梁混凝土施工硅灰与磨细矿粉二者双掺较为适宜。

因此我们在混凝土配合比中参加硅粉的4%～8%，磨细矿粉15%～30%。

（3）浆集比

采用适宜的集料时,浆集体积比0.35∶0.65可以解决强度、工作性和尺寸稳定性（弹性模量、干缩和徐变）之间的矛盾。

很多的混凝土施工实践表明,按此参数设计施工,可以得到理想的高性能混凝土。

客运专线预应力混凝土连续箱梁C60高性能混凝土采用聚羧酸外加剂和掺矿物掺合料通常可使单位用水量降低至135～145kg/m3，按照水胶比0.27～0.31计算，浆集比通常为（0.33～0.37）∶（0.67～0.63），保证适宜的含气量（2%～4%），可使浆集比参数与泵送施工工艺相协调，获得施工性能优良的混凝土拌和物。

（4）含气量

保证适宜的含气量,可以提高混凝土的抗冻性能、抗硫酸盐腐蚀性能,改善混凝土的拌和物性能和施工性能，保证适宜的浆体体积量，改善骨料性能缺陷,提高混凝土的匀质性和稳定性。

从施工性能和冻融耐久性两方面考虑，客运专线预应力混凝土连续箱梁C60混凝土通常应保证混凝土含气量2%～4%（抗冻F200以上），如进行混凝土配合比设计时因胶凝材料原因导致混凝土单位用水量较低时，为保证适宜的泵送施工性能，应按含气量上限进行设计。

（5）砂率

确定砂率应考虑粗骨料密实堆积下的空隙率，如粗骨料粒形不好、级配差、空隙率大会造成填充空隙的胶凝材料浆体和细骨料用量过大、粗骨料用量过少，造成填充空隙和包裹骨料的胶凝材料用量增加，影响混凝土的弹性模量和体积稳定性。

砂的细度模数通常不能完全反映颗粒组成差异，砂率还应根据砂自身的颗粒组成进行调整：

细颗粒含量过多时则应适当降低砂率，以防止过多的细颗粒含量引起骨料裹浆量不足，引起管道润滑层摩擦阻力增大，细颗粒含量过少时则应适度增加砂率，增强浆体保水性能,降低离析倾向。

2.52　通过不同参数的水胶比、胶凝材料用量、矿物掺和料掺量、外加剂掺量、砂率的不同配合比混凝土制作力学性能和抗裂性能对比试件，从中优选出了的拌合物性能、抗裂性优良和抗压强度适宜的C60高性能混凝土配合比设计参数为：

选定C60混凝土配合比主要参数表

配合比

特征参数

总胶凝材料用量（kg）

水胶比

浆集比

硅粉掺量

（%）

磨细矿渣粉（%）

砂率（%）

外加剂

掺量

用水量（kg）

选择值

500

0.28

0.33:

0.67

6

20

42

1.2%

140

2.5.3.C60高性能混凝土配合比材料表（kg/m3）

编号

水泥

硅灰

矿渣粉

砂

大石

小石

外加剂

水

C60-01-BB

印山台P.O42.5

埃肯920U

泰基建材S95

宏发

中砂

白关　5－20mm

山东华伟NOF-AS

拌合水

370

30

100

756

626

417

6.0

140

2.5.3.1.C60-01-BB连续梁混凝土理论配合比碱含量计算表　

材料

项目

水泥

矿粉

硅灰

外加剂

水

配合比（kg/m3）

370

100

30

6.0

140

单项材料碱含量（%）

0.64

0.48

0.32

1.88

16.58mg/l

单项材料在单方混凝土

中的碱含量（kg）

2.368

0.24

0.048

0.113

0.002

混凝土的总碱量（kg/m3）

2.771

备注

符合要求（≤3.0kg/m3）

2.5.3.2C60-01-BB连续梁混凝土理论配合比氯离子含量计算表　　　

材料

项目

水泥

矿粉

硅灰

砂

石

外加剂

水

配合比（kg/m3）

370

100

30

756

626/417

6.0

140

单项材料氯离子

含量（%）

0.003

0.006

0.004

0.002

0.001

0.010

19.14mg/l

单项材料在单方混凝土中的氯离子含量（%）

0.011

0.006

0.001

0.015

0.010

0.001

0.003

混凝土的总氯离子

含量（kg/m3）

0.047

占胶凝材料百分数（%）

0.009

备注

符合要求（≤0.06%）

2.5.4C60高性能混凝土配合比拌和物性能结果　　

编号

坍落度（mm）

泌水率（%）

含气量（%）

凝结时间（h）

拌和物容重（kg/m3）

初始

1h

初凝

终凝

C60-01-BB

220

205

0

3.6

15

16

2430

2.5.5新拌混凝土特性

新拌混凝土特性如表所示。

下图说明了配合比的坍落度保留。

在拌和后的1.5小时，没有测量到可使用性大的损失。

试验条目

单位

试验结果

坍落度（初始）

mm

220

容重

kg/m³

2430

空气含量

%体积

3.6

初凝时间

小时

15

终凝时间

小时

16

空气温度

°C

28

混凝土温度

°C

30

混凝土C60-01-BB拌合物性能

坍落度保留（C60-01-BB）

坍落度

经过的时间

min

10

30

45

60

90

坍落度

mm

220

200

205

205

200

坍落度损失曲线（C60-01-BB）

配合比设计的坍落度

混凝土含气量

凝结时间结果显示混凝土缓凝至15小时（见图下），最终凝结时间达到第16小时。

混凝土凝结时间配合比C60-01-BB

2.4.6硬化的混凝土特性

对于硬化的混凝土特性的抗压强度，进行了E-模量的试验，在硬化过程中有热生成。

试验结果如以下表格说明：

抗压强度配合比C60-01-BB

配合比设计

日期

抗压强度N/mm²在第…天

1.

1,5.

3

7

10

28

PB0702001

10.02.07

28.9

43.3

51.9

67.7

71.4 

77.7

在2007年2月对编号C60_01-BB的C60高性能混凝土配合比进行了反复试配，其力学性能试验结果如下：

序号

抗压强度（MPa）

4d

7d

28d

1

53.8

64.7

70.5

2

56.2

62.0

71.6

3

61.5

71.6

81.8

4

57.9

65.3

74.7

5

58.2

66.9

75.0

6

57.0

67.7

77.7

平均值

57.4

66.4

75.2

检测结果表明：

坍落度200mm～220mm；扩展度480mm～600mm，混凝土和易性好，28d标准养护抗压强度平均值为75.2MPa，最低值70.5MPa满足施工要求。

E-模量曲线C60_01-BB

配合比设计

日期

E-模量N/mm²在第…天

3

7

10

28.

C60_01-BB

07.02.10

36.4

38.2

40.2

 43.0

2.4.7、混凝土温度发展趋势

混凝土的内部温度的产生主要由水泥水化和矿物掺合料水化产生的热量形成，主要受水泥品种、水泥和矿物掺合料用量、散热条件的影响，当混凝土内外温度差较大时容易引发混凝土的温度裂缝，尤其是在混凝土早期强度较低时，这种裂缝发生的概率及大，因此采用适当的技术手段，推迟水泥水化热的发生的时间，进而推迟混凝土内部温度峰值的出现，避免混凝土的温度裂缝。

在这里我们采用高效缓凝外加剂来抑制混凝土早期水化热的产生。

通过对几种外剂的比较试验我们选择了山东华伟NOF-AS聚羧酸盐高效减水剂。

水泥水化热测试装置

在测得出高效缓凝件水剂与水泥作用的水化热的基本情况后，对选定的混凝土配合比的最大温升进行了试验，在一个内层尺寸为20x20x20cm的隔热盒进行热发展测量。

试验结果并不能代表箱梁结构物的内部温升，但可以推断箱梁结构物最大温升产生的时间，以期对现场施工进行指导。

配合比温度测量

3cm厚的木盒子，各边以5cm厚的泡沫隔热。

内层容积20×20×20cm=8升

2.4.8、C60高性能混凝土配合比耐久性能试验结果

28天弹性模量（GPa）

抗蚀

系数

56天电通量（库仑）

抗冻性

护筋性

抗裂

抗渗

相对动弹性模量（%）

质量损失率（%）

43.0

1.13

214

94.4

0.5

钢筋表面钝化膜完好无损

无裂纹

>P20

3C60高性能混凝土施工过程质量控制

混凝土施工质量是由多道工序组成的综合工程，按工作顺序分包括原材料质量和检验、混凝土试配、模板、混凝土搅拌、运输、浇筑、振捣、养护等内容，只有建立完善的质量管理体系，把涉及混凝土施工质量的各个环节、各个部门纳入混凝土施工质量管理体系之中，实施全员、全过程的质量管理，才能使我们的混凝土做到内实外美，降低混凝土成本，为企业创造良好的社会效益和经济效益。

3.1原材料进场质量控制

生产混凝土所使用的原材料是影响混凝土施工质量的主要因素，必须对选用的混凝土原材料进行严格控制。

（1）所有选用进场的混凝土用原材料，必须严格按照《铁路混凝土工程质量验收补充标准》（铁道部铁建设[2005]160号文规定的项目和批次进行检验和验收，不符合要求的原材料严禁进场。

（2）箱梁C60高性能混凝土所用河砂的细度模数宜控制在2.6~3.0之间，且级配良好。

由于影响砂的坚固性指标的主要因素是砂颗粒内部空隙和通道的数量和大小，直接影响混凝土的抗冻融性能、强度、弹性模量等技术指标，所以应该对砂的吸水率进行控制，一般控制在2%以内。

（3）由于碎石的颗粒形状和级配不但对混凝土拌合物工作性能有极大的影响，而且直接增加了混凝土的成本和降低混凝土的耐久性，因此在进场检验应予以重视。

碎石的最大粒径不宜超过混凝土保护层厚度的2/3，不得超过钢筋间距的3/4；应该采用二级配或多级配碎石，松散堆积密度应该大于1500kg/m³，空隙率应小于40%。

（4）对于水泥、矿碴粉和硅粉等胶结材料除了按标准规定的项目进行检验外，还应该仔细核对产品出厂技术资料，并和供应商保持良好的沟通，以便及时了解产品的矿物成份的变化，对每批进厂的水泥和矿碴粉做好与高效减水剂的相容性试验，确认满足混凝土工作性能后，方可使用。

（5）混凝土高效减加剂是现代混凝土中主要原料，质量优良的外加剂产品具备减水率高、塌落度损失小、并能适当引气，能明星改善混凝土的各项性能的功效。

但由于目前外加剂市场混乱，质量和信誉良莠不齐，因此在选择外加剂供应商必须是产品质量稳定，技术实力强，具有完整的质保体系和相应生产规模的外加剂企业，以保证产品质量。

同时，进场时除按标准进行检查外，还应该抽查产品的有效成份，对保证混凝土质量尤为重要。

（6）混凝土拌合用水除应满足相应标准要求外，还应该定期做拌合用水与蒸馏水对水泥的凝结时间和胶砂强度的比对试验，凝结时间差不大于30min，胶砂强度比不低于90%。

（7）所有进场原材料必须按照相关产品的存放规定存放，不得使其相互污染和混杂。

进场原材料必须做到标识明确，实物、台帐、质量保证书、检验报告互相对应。

3.2混凝土搅拌质量控制

混凝土搅拌是将各种原材料拌制成质地均匀、色泽一致、具备良好和易性的混凝土的生产过程，由于混凝土配合比是按照胶结材料、细、粗骨料恰当的填充相互间间隙、而水泥浆又能均匀分布的原理设计的，如果混凝土搅拌不均匀，无法达到混凝土设计效果，将严重影响混凝土内在质量和外在美观，因此，混凝土搅拌是混凝土施工工艺中一重要环节，必须予以高度重视。

（1）混凝土搅拌设备必须运转良好，具备良好的维护保养记录，定期更换磨损的搅拌叶片，定期清除搅拌机内残留凝结混凝土。

（2）定期对混凝土搅拌站的计量系统进行计量检定和自校，确保计量的准确，搅拌站工作人员应该熟练掌握计量误差的调整和修正，确保混凝土配合比的准确性。

（3）各种原材料的计量误差应该满足以下要求：

水泥、矿物掺合料、外加剂、拌合水±1%，粗、细骨料±2%。

（4）由于C60高性能混凝土使用的胶结材料量大，要求工作性能高，水胶比小，混凝土拌合物十分粘稠，不易搅拌均匀，同时，为了使高效外加剂对混凝土拌合物作用的效能充分体现，标准规定每盘混凝土搅拌时间不少得于1.5mim。

（5）对与C60高性能混凝土的搅拌，理想的投料顺序见下图：

（6）在夏季施工时，为了保证混凝土的入模温度不高于30℃，应该对混凝土搅拌站的砂石料场、储灰罐、储液罐采取必要的遮阳措施，防止太阳暴晒，使各种原材料降温，从而降低混凝土入模温度。

同样，应该避免使用过热的水泥进行混凝土搅拌生产。

夏季为了避免混凝土入模温度过高，除上述措施外，还可以采用冰水拌合，或事先采用先对粗骨料浇水降温的方式。

（7）冬季搅拌混凝土施工前，要先经过热工计算，并经过试拌确定水和骨料需要的的预热温度，以满足混凝土最低12℃的入模温度要求。

应该优先采用加热水的预热方法调整混凝土拌合物的温度，水温度不应高于80℃，如需要，还可以对骨料进行预热，骨料温度不宜高于60℃。

（8）雨天施工时，要经常检查粗细骨料的含水率，并根据检查结果，及时调整混凝土施工配合比，保证混凝土质量持续的满足设计要求。

（8）混凝土拌合物质量的好坏，主要是通过对混凝土拌合物性能检测试验来控制的，对于C60高性能混凝土，主要检查混凝土的出机塌落度，现场塌落度、混凝土温度、含气量和保水和泌水情况。

当发现问题时，应该及时查明原因，采取相应措施予以纠正。

3.3混凝土模板质量控制

平整光滑的模板对浇筑表面美观的混凝土结构物具有重大的意义。

（1）制造模板时除应保证强度、刚度和稳定性，能可靠地承受施工过程中的各种荷载，保证箱梁各部分形状、尺寸外，还必须保证混凝土表面光滑、平整度符合验收规范的要求。

（2）端模开孔必须保证波纹管孔道位置准确，伸出模板波纹管端头完好，以便与下一段波纹管联结。

模板棱角及拼接缝处，一般用玻璃胶拌成腻子刮平、打光并涂脱模剂处理，以防止漏浆。

（3）对于模板漏浆处理：

模板应尽量避免漏浆，发生漏浆时，一般用压橡胶条及泡沫塑料（或其他软纤维）方法止漏。

（4）为了保证外观质量和拆模方便，应选用优质脱模剂，如钢模防锈隔离剂等，选用时必须满足以下要求：

a、脱模剂能较好减少模板与混凝土的粘结力。

b、能保护模板，防止钢模锈蚀，并延长模板使用寿命。

c、脱模剂不得使用废机油，不得使用易粘在混凝土上或使混凝土变色的油料。

d、对混凝土表面无污染，对混凝土质量无危害。

e、一次涂刷，能多次使用。

（5）模板存放与维修

1、模板存放

a、模板拆除后应分开存放，不要叠放，以便清理、维修和涂刷脱模剂。

b、大型直立模板，存放时要牢靠或设稳固支撑，防止倾倒。

c、周转时间长，钢模应作防锈处理。

2、模板维修

a、清除模板表面的混凝土残碴。

b、清理台座及模板滑道上撒落的杂物。

c、修整损坏和翘曲的模板。

e、检查模板支架的焊缝和连接螺栓。

（6）当混凝土温度与空气环境温度相差大于20℃时，应对模板进行必要的保温措施。

3.4混凝土运输和泵送质量控制

对混凝土拌合物运输的基本要求是：

混凝土不产生离析现象、保证混凝土的塌落度、含气量和在混凝土拌合物在具备流动性前完成浇筑工作。

（1）箱梁施工应根据箱梁混凝土浇筑数量，计算出混凝土的浇筑能力，配制施工机械设备，以确保混凝土的浇筑速度，达到在混凝土初凝前完成浇筑工作。

（2）混凝土运至浇筑地点，应始终保持良好的和易性和坍落度。

发现有离析现象，应在浇筑前进行二次搅拌，严禁再次