客运专线铁路混凝土的耐久性指标及施工质量控制措施

・标准规范・收稿日期:20060523作者简介:薛吉岗(1964—),男,高级工程师,1985年毕业于兰州铁道学院铁道工程专业。

客运专线铁路混凝土的耐久性指标及施工质量控制措施薛吉岗(铁道部经济规划研究院,北京　100038)摘　要:提高混凝土结构的耐久性,保证客运专线铁路在设计使用年限内的正常运营,减少因耐久性不足而导致的维修、加固、更换费用,需要在施工过程中对与混凝土耐久性相关的原材料品质、工艺措施、质量指标进行严格控制。

结合编制《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》的体会,介绍客运专线铁路混凝土的主要耐久性指标及施工质量控制要点。

关键词:客运专线;混凝土;耐久性;质量控制中图分类号:U44 文献标识码:A 文章编号:10042954(2006)080089031　概述长期以来,在铁路混凝土工程的结构设计和施工过程中,人们注重和追求的主要目标是混凝土的抗压强度,对因环境的不利作用引起的材料性能劣化,从而造成的结构安全性和使用寿命的降低,则考虑较少。

以铁路混凝土梁为例,2003年的秋检结果显示,全路有3345孔发生顺筋方向开裂,有3390孔发生大面积锈蚀。

又如1985年建成通车的兖石线,1991年检查时发现189孔于1982～1983年生产的跨度32m 及24m 预应力混凝土梁中,有183孔梁出现程度不同的膨胀裂缝,初步判定是碱骨料反应所致。

还有京广线的百孔大桥,在维修时发现2孔跨度3117m 梁的预应力筋锈蚀严重。

究其原因,均缘于混凝土结构的耐久性不足。

国内外土建结构因此发生的严重事故更是不胜枚举。

由于缺少必要的标准规范,以及存在已久的不同学术争议,使得一些对提高混凝土性能有利的技术手段不能被普遍采用,主体结构的耐久性状况不能预先把握。

实际上,随着材料技术和施工技术的发展,抗压强度已经不是混凝土设计和施工中的主要问题,混凝土的耐久性则越来越被工程界所重视。

为满足客运专线主体结构100年设计使用年限的要求,铁建设[2005]160号文发布的《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》(以下简称《混凝土补充标准》),初步提出了混凝土结构的耐久性指标和相应的施工质量控制措施,并正在开工建设的客运专线上全面实施。

我国铁路混凝土工程施工质量,从以强度控制为主向以控制耐久性指标为主全面迈出了重要一步。

2　高性能混凝土应该说,客运专线主体结构采用的符合《混凝土补充标准》要求的混凝土就是高性能混凝土。

因为以结构耐久性作为主要设计指标,根据设计使用年限、环境类别及其作用等级,在设计阶段较以往大幅度提高拌和物性能,并在施工过程中实施有效控制和全面考核的混凝土,可以定义为高性能混凝土。

但是,由于不同国家和地区、不同历史时期、不同学派,甚至针对不同使用功能的构筑物,人们对高性能混凝土的认识和期望并不完全一致,至今国际、国内还没有对高性能混凝土给出一个公认的十分确切的定义。

虽然对高性能混凝土存在不同的定义和解释,但均认为高性能混凝土应该具有较高的耐久性和较好的工作性。

从务实角度出发,《混凝土补充标准》避开了“高性能混凝土”的称谓纷争,着眼于混凝土的耐久性指标和质量控制手段,力求使客运专线铁路混凝土工程具有高性能。

3　混凝土的主要耐久性指标311　电通量电通量是反映混凝土密实程度的一个综合指标。

大量研究表明,对于碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境中的混凝土结构,其耐久性首先与混凝土的密实程度有关。

混凝土密实程度的传统表示方法是抗渗等级。

实践证明,抗渗等级比较适合于判定低强度等级混凝土的密实性,强度等级超过C30的混凝土,抗渗等级几乎均能达到P20以上。

单靠抗渗等级已难以区分混凝土抵抗外界有害物质侵入能力的大小。

实际工程中(除深水工程外)混凝土承受高水压的情况也很少。

因此,《混凝土补充标准》没有把抗渗等级列为必须控制的耐久性指标。

各国研究了很多用以评价混凝土抵抗外界有害物质侵入能力大小的方法。

其中应用较广泛的有电通量法、氯离子扩散系数法等。

对于混凝土配合比筛选、质量波动监控及质量验收等工作,电通量法和氯离子扩散系数法都是可行的。

氯离子扩散系数法还可以用来・标准规范・薛吉岗—客运专线铁路混凝土的耐久性指标及施工质量控制措施简单预测实际工程的寿命。

《混凝土补充标准》编制时,考虑到提出混凝土耐久性指标的目的,主要是用于混凝土配合比选定时相对比较混凝土的抗侵入性,参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—2004)和《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275—2000)的相关规定,选用了国内外最常用的以美国试验与材料协会标准AST M C1202为基础的快速电通量法。

用电通量相对评价混凝土的密实性,从而间接评价混凝土的耐久性。

电通量的数值越小表示混凝土越密实。

如对于设计使用年限为100年的主体结构,在L2、L3氯盐环境下,要求电通量不大于800C;对于设计使用年限为30年的强度等级为C30及以下的混凝土结构,在碳化环境下,要求电通量不大于2000C。

312　钢筋保护层厚度对于碳化环境中的混凝土结构,在混凝土密实度(电通量)等条件确定的情况下,钢筋锈蚀开始的时间和发展速度,则与保护层厚度(钢筋外缘到混凝土表面的距离)有关。

保护层厚度增大,钢筋锈蚀开始的时间会推后,锈蚀发展速度会减缓。

尽管钢筋保护层厚度是在设计阶段确定的,但在施工阶段应该严格控制,确保实际厚度不小于设计值。

在以往的混凝土结构设计规范中,如《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(T B1000213—1999)规定的保护层厚度偏小(为30 mm),并且是指受力主筋,不包括分布筋和箍筋,箍筋的保护层厚度更小(仅为15mm)。

从耐久性的角度看,最外层的箍筋应该最早受到侵蚀,箍筋的锈蚀可引起沿箍筋的环线开裂,在箍筋密布的区域,还可能发生保护层成片剥落。

既然是从保证结构耐久性角度考虑钢筋保护层的厚度,最外侧无论是主筋还是分布筋或箍筋,其需要的保护层厚度应该是相同的。

欧美国家的规范都是这样规定的。

参考国外规范及《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—2004)的规定,普遍提高了保护层的最小厚度。

例如对于一般大气环境条件下(T1、T2碳化环境),目前桥梁结构的最小保护层厚度规定为35mm。

313　抗冻等级混凝土的抗冻性能可以用多种指标表示。

国内外多采用动性弹模量损失或同时考虑质量损失来确定混凝土的抗冻性能,用抗冻耐久性指数DF、抗冻等级F (标号)表示。

美国试验与材料协会标准AST M C666—86A规定,以混凝土试件300次快速融循环后的动弹性模量与初始动弹性模量的比值,来表示混凝土的抗冻性能,称为抗冻耐久性指数DF。

该方法的特点是试件的冻融循环次数为定值300次,以动弹性模量损失表示抗冻性能。

对不同环境条件下的不同结构,规定采用不同的DF值。

日本土木学会的混凝土标准中,也采用类似的方法。

我国《混凝土结构耐久性设计与施工指南》(CCES01—2004)采用的也是抗冻耐久性指数DF,即混凝土试件300次快速融循环后的动弹性模量与初始动弹性模量的比值。

若该比值为016,则DF=016。

但如果在300次循环以前动弹性模量降到初始值的60%以下或质量损失已超过5%,则以此时的循环次数N计算DF,即DF=N/300×016。

我国各行业现行标准规范则习惯采用抗冻等级(抗冻标号)作为混凝土抗冻性能指标,《混凝土补充标准》编制时确定采用该指标。

以混凝土试件快速冻融试验的动弹性模量降到初始值的60%或质量损失到5%(2个条件中只要有1个先达到时)的循环次数作为混凝土的抗冻等级。

对于设计使用年限为100年的主体结构,规定其抗冻等级不小于F300,设计使用年限为60年时,其抗冻等级不小于F250。

抗冻等级的表示值比较直观。

需要特别说明的是,抗冻等级、抗冻耐久性指数只能用来对混凝土的抗冻性能做相对比较,而不能直接与实际工程在某种环境条件下的使用年限预测相联系。

314　原材料品质原材料的品质是确保混凝土耐久性的基础。

《混凝土补充标准》确定的原材料品质指标略高于现行材料标准的要求,需要予以注意。

如《混凝土补充标准》中要求水泥的比表面积不大于350m2/kg,且对C3A含量、碱含量、氯离子含量有明确的规定值。

而材料标准(G B175—1999)则规定比表面积要大于300m2/kg才为合格,且对碱含量、氯离子含量没有明确的规定。

实践表明水泥过细、C3A 含量过高,可以提高水泥强度特别是早期强度,但水化速度加快、水化热大,会导致混凝土收缩大、易开裂,降低混凝土的耐久性。

无论混凝土中是否有活性骨料存在,过高的碱含量会增加混凝土的开裂倾向。

鉴于氯离子引起钢筋锈蚀,对钢筋混凝土和预应力混凝土提出了氯离子含量限值。

另外,严格控制骨料的含泥量、泥块含量,不仅是考虑对混凝土强度的影响,重要的是避免混凝土因此出现的裂缝和宏观缺陷,保证混凝土的耐久性。

4　施工质量控制措施411　配合比设计配合比设计是混凝土施工的重要基础工作,关系到工程的施工质量和成本效益。

与以往相比,混凝土配合比选定试验增加了与耐久性有关的检验项目,见表1。

薛吉岗—客运专线铁路混凝土的耐久性指标及施工质量控制措施・标准规范・表1　混凝土配合比选定试验的检验项目序号检验项目1坍落度2泌水率3含气量4抗裂性5抗压强度6电通量7弹性模量8抗冻性9耐磨性10抗渗性11抗蚀系数备注必做项目根据结构所处环境类别、设计要求等选做项目 另外,根据结构类型、设计使用年限、环境类别及其作用等级,规定了混凝土的最大水胶比和最小胶凝材料用量,并且是作为控制混凝土耐久性提出的。

按耐久性要求进行配合比设计,与按强度要求进行土配合比设计的做法是不同的。

首先应根据环境类别和作用等级,确定混凝土的水胶比和各种胶凝材料用量。

在条件许可的情况下,尽量选用较低的水胶比,并减少单方混凝土的用水量和胶凝材料用量。

这样,有利于提高混凝土的密实性,降低渗透性并减少收缩量。

另外,降低水胶比是发挥矿物掺和料对混凝土强度贡献的重要条件。

但过少的胶凝材料用量对混凝土的强度、耐久性和工作性能不利,因此,《混凝土补充标准》规定了混凝土最大水胶比和最低胶凝材料用量。

412　入模含气量控制提高含气量是保证混凝土抗冻性的关键措施。

同时,也可以显著提高混凝土抗硫酸盐腐蚀的性能,减少由碱骨料反应引起的膨胀,还可改善混凝土的拌和物工作性能,降低混凝土的用水量和混凝土的热扩散性,减少泌水,从而提高混凝土的匀质性和稳定性。

所以,即使混凝土结构处于非冻融环境,也规定含气量不低于2%,当处于冻融环境时,含气量不低于4%。

并且要求每拌制50m3混凝土或每工作班测试含气量不应少于1次。

413　入模温度控制降低混凝土的入模温度对控制裂缝非常重要。