青藏铁路风火山隧道高性能泵送混凝土的试验研究

关键词： 侵蚀 使用寿命 溶出 铁路

青藏铁路风火山隧道高性能泵送混凝土的试验研究（通用5篇）

篇1：青藏铁路风火山隧道高性能泵送混凝土的试验研究

30

铁 道 建 筑RailwayEngineering

December,

文章编号:100321995(2004)120204

篇2：青藏铁路风火山隧道高性能泵送混凝土的试验研究

(中铁二十局集团,陕西咸阳 71)

摘要:风火山隧道的施工和使用都处在负温以下,需研究出适于负温下施工的高性能混凝土,文章详细

介绍低温早强高性能混凝土试验中材料的选择、配合比的优化、施工参数选定及施工的质量控制。关键词:低温早强 高性能混凝土 试配试验 施工质量中图分类号:TU528131;U455191 文献标识码:B

212 原材料选择

(1)水泥。选用3215R以上的低碱普通硅酸盐水

1 工程概况

风火山隧道全长1338m,轨顶标高海拔4908139m,处于高原冰雪型气候区,其特征是干燥、急风、暴雪、雷电等变化无常,常年平均气温在-6℃以下,年平均地温为-115℃～-410℃。地质岩层复杂,集饱冰冻土、富冰冻土、裂隙冰、泥砂岩于一体,施工基本是在负温下进行的,是在低温下使用,凝土施工的研究。

泥或硅酸盐水泥,主要技术指标见表2。

(2)细骨料。>218秀水河河砂,主3。

(3),不得含有冰、雪等3,主要技术指标见表4。(3065处右侧泉水,其指5。

表2 水泥主要技术指标

指 标标准允许值实

测值

祁连山大通河

细度标准稠度Π%≤10315410

26132615

2 211 复合外加剂的选择

用水量

安定性

初凝

必须合格合格合格

≥45min

终凝≤10h

抗折

抗压

≥515≥3215813813

43154218

凝结时间28d强度ΠMPa

试验中选取的复合外加剂试配试验及其性能检验见表1。复合外加剂是由铁道科学研究院研制的、适

用于青藏铁路沿线不同环境气候条件下和各种结构部位及类型的系列混凝土外加剂,在规定负温条件下混凝土7d、14d、28d的抗压强度比同期基准混凝土分别提高20%～40%、30%～40%、25%～35%。当气温>-5℃时,掺复合外加剂为Ⅰ型;当气温在-5℃～-10℃时,掺复合外加剂为Ⅱ型;当气温在-10℃～-15℃时,掺复合外加剂为Ⅲ型。

表1 复合外加剂性能

性能外加剂

凝结时间差

减水泌水含气Πmin率率比量

Π%Π%Π%初凝终凝

000

412415414

+20+40+40

1h36min3h30min1h45min3h50min

表3 细骨料主要技术指标

指 标标准值实测值315

含泥泥块坚固云母氯化硫化轻物

细度

量含量性含量物含量物含量质含量碱活性模数

Π%Π%Π%Π%Π%Π%Π%

≤310

018

118

015

01004

≤110

015

≤011活性

骨料

表4 碎石主要技术指标

抗压强度比

Π%

指 标标准值实测值

含泥量Π%≤110

016

泥块含坚固性针片状颗粒量Π%≤0125

压碎指标Π%≤910

510～716

碱活性≤011无

Π%≤810

210

总含量Π%≤1010

911～512

-7d28d

-7d-7d

+28d+56d115123120

132129129

复合外加剂1918复合外加剂复合外加剂1815

+502613Π-5℃102+432315Π-10110+43Π-15126

表5 水质主要技术指标

不溶物

指 标

(mgΠΠL)标准值

注:-7d+28d系指在负温下养护7d后转入标准条件下再养护28

d;-5℃时的抗压强度比是指在规定负温条件下7d的抗压强度与同期

基准混凝土抗压强度的比。

可溶物

(mgΠΠL)

Cl

(mgΠΠL)

-

SO4

(mgΠΠL)

2-

pH值5～9

第12期青藏铁路风火山隧道高性能泵送混凝土的试验研究31

213 配合比的优化

低温早强高性能混凝土的影响因素较为复杂,选

4

择L9(3)正交表头进行正交试验,所拟因素水平见表6,试验结果及分析见表7。

4

表6 L9(3)因素水平

分析正交试验的结果可得出:①水胶比是影响混

凝土强度的主要因素,当WΠC胶≥0138时,强度达不到设计要求;②砂率对混凝土和易性有显著影响,取值在41%～43%为最佳;③复合外加剂掺量对混凝土的坍落度和含气量影响显著,当掺量

经过正交优化设计试配后,初步确定了风火山隧道采用的混凝土配合比,见表8。

表8 混凝土配合比

强度等级

C30

水平

123

ABC

水胶比

013501380141

砂率Π%

404244

复合外加剂Ⅲ型掺量Π%

81012

水泥用量3

(kgΠΠm)

378～400

水胶比

砂率

Π%

复合外加剂掺量Π%

10～11

0135～013740～43

4

表7 L9(3)正交试验与结果分析表

214 配合比试验方法及养护条件

R7

R28

因素

编号

A

B

C

D

坍落度Πmm

9018555185205

水胶比砂率Π%掺量Π%空列

Q2010QQQQQQQQ

01350135013501380138013801410141014115815518729410411413013461141104011510

40424440424440424413818517747412411411011421241154316211

810121012881013318218552319411413014431142184113118

1233123116016018020412412410012

Π%

319410410410319416410413

ΠMPa

381539153718281628142919

ΠMPa

45194710451340344414401339104111

根据《青藏铁路高原多年冻土区隧道工程施工技

术细则》《、术条件》以及设计、,;试件成(设定温度为

,养护7d后再转入标养条件下养,28

d,以作强度对比之用;另外还需制作混凝土抗冻融、抗渗及护筋性等试件。215 混凝土拌合物性能试验通过对优化后配合比的试拌和拌合物性能的检测,其结果见表9。

表9 混凝土拌合物性能

强度

等级

C30

坍落度极差分析

K1K2K3RK1K2K3RK1

影响规律:

11复合外加剂掺量影响最大,取1210%,坍落度最大;

21砂率有一定影响,取中间值最佳;

31空列最小,试验结果合理。影响规律:

11掺量影响较大,不宜超过中值;

21水胶比有一定影响,不宜>0138;

31砂率有影响,取42最佳;41空列R稍大,试验合理性欠佳。

水泥用量外加剂坍落度含气量泌水率

和易性3

(kgΠmmΠ%Π%Πm)掺量Π%Π

387

10

175

413

良好

含

气量极差分析

216 混凝土力学性能及强度发展规律

R28

极

差分析

K2K3R

4118影响规律:

11水胶比影响大;431921砂率影响不大;

31强度随复合外加剂掺量的增大而明显降低;4115

41空列R稍大,试验合理性欠佳。214

共制作试件48组,按不同龄期进行强度试验,其

结果见表10。通过分析可以发现,在负温条件下混凝土并没有停止水化,水化仍以一定速度进行;混凝土强度发展规律表现为强度随龄期增长明显;从标准养护强度上,混凝土早强、增强效果好,有利于混凝土早期抗冻。

表10 混凝土强度试验结果

强度等级

C30

混凝土抗压强度ΠMPa

-3d515

(12)

-7d-14d-28d-56d1015(23)

1818(41)

2318(52)

2819(63)

7d3411(74)

28d4518(100)

-7d+28d3618(80)

注:①水泥为甘肃永登祁连山牌3215R级普通硅酸盐水泥。②使用青藏公路里程3022处碎石场石子最大粒径为40mm。③试验机械拌制成型。④文章中涉及外加剂的掺量均为内掺法。

注:-7d+28d系指在负温下养护7d后转入标准条件下再养护28

d;负温控制在-13℃～-17℃;括号内为达到28d强度百分比。

32铁 道 建 筑December,2004

217 混凝土的长期耐久性能(4)混凝土施工设备。进出口各使用:1台DXLZ21112AX型蒸汽锅炉,布置暖气片,对原材料进行预加

经过对成型的试件进行长期耐久性的试验,见表11。混凝土的各项耐久性指标均符合青藏铁路耐久性

指标标准要求。

表11 混凝土长期耐久性能试验结果

序号

指标名称

抗冻相对动弹性模量PΠ%

1

热;2台JS500型强制式混凝土搅拌机和2套PLB1200

3

型自动计量配料机进行混凝土拌制;2台TST26型6m轨行式混凝土搅拌运输车水平运输;2台HBT60116175ZAG型混凝土输送泵压至模板台车内;1

标准值

P≥60

大通河水泥实测值

6216

祁连山水泥实测值

6510314113

台9m长轨行式衬砌台车进行初期衬砌施工,2台6m

长轨行式衬砌台车进行二次衬砌施工。

(5)原材料的保温及加热。原材料根据气温不同进行调整。当气温低于-5℃时,使用蒸汽加热水的预热方法,当水温超过60℃时,就先将骨料与水拌合,均匀后再加入水泥、外加剂等。当气温低于-10℃时,采用水与骨料同时加热的方法。

(6)混凝土的搅拌。混凝土的拌制统一在拌合站集中进行,拌合站设置于暖棚内,采用2台JS500型强制式混凝土搅拌机和2套PLB1200型自动计量配料机进行混凝土拌制,拌制的时间控制在210～215;,按,5%～6%。

2台TST26。当气候,在容器外套保温罩,混凝土运输至浇筑处的温度与热工计算的要求不相符时,及时采取措施进行调整,尽量减少混凝土的运输和现场停留时间。根据含气量的损失试验,控制时间为30min。

(8)混凝土的.浇筑。混凝土的浇筑采用2台HBT60116175ZAG型混凝土输送泵压至模板台车内,利

性能

300次

强度损失率fcΠ%质量损失率ωnΠ%

fc≤25

ωn≤5

S≥S12Q≤1000

2345678

抗渗性能S

抗渗透Cl-性能Q/C抗裂性能(裂缝宽度)δΠmm

-耐SO24腐蚀性能K

14mmΠ112MPa5390118011140133

27mmΠ112MPa8980103111170125

δ≤012

K≥018G≤0150

(kgΠ耐磨性能GΠm2)

护筋性能

抗碱―骨料反应性能εtΠ%

无锈蚀ε0110t≤

无锈蚀

0104

无锈蚀

0104

注:混凝土强度等级为C30,均评定为合格。

3 (1)凝土配合比为:水泥∶石∶水∶外加剂=1∶1199∶2175∶0139∶0111。复合外加剂掺量内掺法为10%,外掺法为11%,塌落度为16～18cm。负温控制在-13℃～-16℃内养护时,R-3=516MPa,R-7=1015MPa,

R-7+28=4112MPa;负温控制在-7℃～-10℃内养护

时,R-3=614MPa,R-7=1116MPa,R-7+28=4312MPa;负温控制在0℃～-5℃内养护时,R-3=715MPa,R-7=1214MPa,R-7+28=4318MPa。

(2)动力设备。根据施工及生活用电总功率及发

用插入式振动器振捣密实,最后利用台车上安装的附

着式振动器振捣1min,一次成型。浇筑现场入模温度控制在5℃～8℃。

(9)洞内通风、供氧、保温。风火山隧道地处高原,空气稀薄,含氧量低,影响施工工作效率,洞内施工要求环境温度-5℃～5℃,为保证洞内施工人员每分钟

3

应有4m新鲜空气,且空气中氧含量≮19%,二氧化

3

碳≯015%,氮氧化合物浓度

3

20mΠh,氧气纯度达96%)连续供氧,洞内的供氧方式采用管道弥散式结合移动氧吧车。在隧道进出口各挂一道棉帐门帘(预留通行口),以控制洞内外热量、氧量的交换。

(10)初衬混凝土的两阶段养护。在未拆模板之前主要采用洞内控温、保温养护;脱模后喷涂一次养护液,采用洞内控温、保温进行保温养护,并及时监测温度变化以调节洞内温度,确保混凝土的温度在下降到

电机组的24h工作情况,进出口各配备2台扬州英泰功率为250kW的250GF型移动式发电机组,1台扬州华东功率为264kW的HDV325型移动式发电机组。根据用风量,进出口各配备3台750HH型(空压机公

3

称容积流量2112mΠmin,发动机功率224kW)美国寿

力移动式空压机,适用于高海拔、缺氧地区的隧道施工。

(3)通风设备。暖季进出口各使用1台8821型轴

流通风机向隧道内通风(风量1000mΠmin);寒季使用我单位研制的STDK2100型空气加热隧道通风机(风量

3

3880mΠmin)。

20第12期

铁 道 建 筑RailwayEngineering

33

文章编号:100321995(2004)1220033203

两种模式下的线路平面施工复测

李善军

(中铁二局第四工程公司,成都 610300)

摘要:设计单位向施工单位交桩时,或者交接中线桩,或者交接导线点。文章针对两种交接模式,分别介

绍利用J2型全站仪进行施工复测的内外业工作方法。关键词:线路施工 施工测量 中线法 导线法中图分类号:U212124 文献标识码:B 施工单位中标一项线路工程后,首先要做的一项重要工作就是对所辖管段进行线路平面施工复测。复测目的是对设计单位所交桩点和线路资料进行现场核对,以保证施工放样出来的中线符合设计要求。

以前设计单位交桩时,常将线路的交点、副交点、直线转点、曲线五大桩和线路资料交给施工单位,施工单位复测时通常沿着设计单位所走线路对水平角和距离进行复核。线上,一旦开工肯定要被破坏,要依据,需要不停地恢复,置六个护桩,,细部放线时还要置镜在恢复的中桩上进行。这种传统复测

方法不仅要浪费很多物力和时间、效率不高,而且细部放线的误差也较大。

现在由于全站仪在施工单位的普及使用,使得利。,,施工时利用主,由于每次,所以测设精度不受影响。

中线桩的,简称中线法交桩复测;近年来不少设计单位习惯将控制线路的导线点和线路资料交给施工单位,对这种交桩方式的复测更简单,简称导线法交桩复测。下面详细阐述这两种复测方法。

0℃以前能获得抗冻所需的临界强度。

4 高性能泵送混凝土的施工质量控制

检查拌制混凝土所用原材料的品种、规格和用量、每一工班至少2次;检查混凝土在拌合站和浇筑地点的含气量、泌水率、坍落度,每工作班至少2次;在每一工作班内,当配合比受外界影响有变动时,及时调整混凝土的施工配合比。在浇筑地点制作3组混凝土试件进行强度试验,其中1组试件在标准养护条件下养护,1组放置在与结构物同条件下养护(最好放在易于受冻的部位);1组放置在与结构物同条件下养护7d后转入标准养护条件下养护。检验抗渗、抗冻等所用试件,应在与结构物同条件下养护28d后,再按标准养护条件养护28d后进行耐久性指标试验。通过对强度试件及耐久性试件按《青藏铁路高原多年冻土区混凝土耐久性技术条件》进行检测均满足要求,见表12。

强度等级

表12 混凝土强度及长期耐久性能试验结果

强度实测值ΠMPa

融300次抗渗

锈蚀强度损失质量损失相对动弹标号作用率fcΠ%率WnΠ%性模量P(S≥12)

(Δfc≤25)(ΔWn≤5)(P≥60)无

211～514

115～314

慢冻法冻融300次

快冻法冻

C303614～5118≥75>12

5 结语

经过大量试验和研究,低温早强高性能泵送混凝

土在风火山隧道工程中各项力学性能均能达到要求,保证了风火山隧道的质量。

修回日期:2004-09-20

篇3：青藏铁路风火山隧道高性能泵送混凝土的试验研究

我国是世界上锂辉石精矿储量最大的国家,而新疆和四川是锂盐最主要的生产基地。锂渣是利用锂辉石矿石经过1 200 ℃高温煅烧后用硫酸法生产碳酸锂过程产生的副产品, 即生产碳酸锂过程中, 碳酸锂熟料经过浸出、过滤、洗涤后排出的残渣。据相关数据表明,以锂辉石作原料的碱法冶炼每生产1 t氢氧化锂产品产渣约20 t,以锂辉石作原料的酸性冶炼每生产1 t碳酸锂产渣约10 t。截止2000年,新疆锂盐厂产出碱法锂渣和酸法锂渣累计达 110多万t, 不仅放置占地、管理要人,且易随风雨流失、污染环境。其中碱法锂渣含碱废水流失严重危害农田。因此,锂渣处理已经成为生产发展中亟须研究解决的重大课题。

目前国内对锂渣在水泥、砂浆及混凝土中应用已有一部分研究[1,2,3],以重庆交通大学张兰芳博士做的关于锂渣混凝土试验研究为代表,试验探究锂渣对混凝土强度的影响,实验结果表明锂渣可以明显提高混凝土强度。四川等地锂渣密度为2.41 g/cm3,比表面积为1 080 m2/kg,而新疆地区锂渣物理性质为密度为2.48 g/cm3,比表面积为770 m2/kg。新疆农业大学也做过关于锂渣混凝土强度、抗裂性能、抗冻性能等方面的研究,对照试验结果表明,新疆当地锂渣混凝土强度提高没有四川等地的大。作者基于泵送混凝土对于混凝土和易性的更高要求,在配置高强度混凝土的前提下,研究在新疆当地锂渣添量对于混凝土和易性的影响,并且寻求最优的可行性配置方案,本试验正是基于此进行研究的。

1 原材料及试验方法[4]

1.1 试验原材料

(1)水泥。

新疆天山水泥厂的42.5普通硅酸盐水泥。对所使用的该水泥的物理技术性质和化学成分的测定结果分列于表1和表2中。

注:NceOp= Na2O+0.658 R2O。

(2)锂渣。

锂渣是利用锂辉石精矿经过1 200 ℃高温煅烧后用硫酸法生产碳酸锂过程中产生的一种工业废渣。由于碳酸锂的生产工艺和技术条件是相对稳定的,因而锂渣的化学成分和性质也是稳定和均一的[5]。其主要化学成分是SiO2、Al2O3、7%左右的CaO 和少量SO3,其中SiO2、Al2O3绝大多数是以无定形的 SiO2、Al2O3形式存在,因而具有较高的火山灰活性。

本试验采用新疆锂盐厂生产的锂渣,淡黄色粉状,密度为2.48 g/cm3,原状锂渣比表面积为400 m2/kg,。研究表明:锂渣比表面积为770 m2/kg左右时混凝土的抗裂性能最好[6]。因此本文选用比表面积为770 m2/kg的锂渣配制混凝土。其化学成分检测结果见表1。其活性指标见表3。

注:碱度系数Mo=(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3);质量系数K=(CaO+MgO+Al2O3)/(SiO2+TiO2)。

(3)细集料。

采用乌拉泊水库上游乌鲁木齐河中的水洗砂,砂的试验结果见表4。

由表4所列可知,砂料的各项技术性质均符合JGJ52-2006《普通混凝土用砂石质量及检验方法标准》的要求。

(4)粗集料。

采用乌拉泊水库上游乌鲁木齐河中的河卵石,最大粒径为20 mm,为连续级配。表观密度为2 680 m3/kg,压碎指标为5.6%。

(5)外加剂。

选用山西奥鑫建材有限公司生产的萘系高效减水剂。

(6)水。

试验中拌和水、养护水均用试验室自来水。

1.2 实验方法

试验采用锂渣等质量代换混凝土中的水泥,以锂渣和水泥共同作为混凝土的胶凝材料,所选用胶凝材料总量为500 kg。依照《混凝土结构试验方法标准》,进行试件制作、养护,最终测得抗压抗折强度。

2 试验经过分析与讨论

2.1 实验配合比及结果

实验采用锂渣等质量替代混凝土中的水泥,锂渣和水泥共同作为混凝土的胶凝材料,所选用的胶凝材料总量为500 kg,以0、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%的锂渣替代水泥,减水剂的掺量固定为1.5%。具体方案见表5,实验结果见表6。

2.2 锂渣掺量对混凝土拌和物和易性的影响

(1)坍落度。

锂渣的容重小于水泥,因此,如果在质量不变的前提下,以锂渣等质量替代部分水泥,加入的锂渣体积是被替代的水泥体积的1.3倍,浆体的体积也有相应的增大。有研究表明:一定量的水泥被等质量的锂渣取代后成为锂渣混凝土,其流动性要发生变化[7]。从实验结果知:在减水剂掺量和胶凝材料一定的前提下,当锂渣掺量小于20%时,坍落度随锂渣掺量的增加略呈上升的趋势;当锂渣掺量大于20%时,坍落度随锂渣掺量的增加呈下降的趋势;当锂渣掺量为20%时,坍落度值最大,超过了空白组。同时从表中还可以看出:在减水剂为1.5%的前提下,锂渣等质量替代水泥质量为0～45%的范围内,都可以满足泵送混凝土的要求。

(2)黏聚性。

锂渣等量替代水泥后,锂渣混凝土拌和物的稠度较为黏稠,不会产生锂渣混凝土各组分的层状分离或者析出现象,比空白组的稠度更好。但是不会像硅粉混凝土那样十分黏稠,影响混凝土的可饰性。

(3)保水性。

实验中采用的是低水胶比,本身用水量就很少。同时由于本实验中锂渣的比表面积较大(770 m2/kg),需水量大。并且锂渣具有较强的亲和力,自然混凝土拌和物中存在的自由水也较少,泌水性较低,且流动度大易振捣密实。对新浇筑的低水胶比锂渣混凝土要加强养护,防止混凝土表面水分的损失而产生干燥收缩和混凝土内部自身的水化导致水分的损失而产生自收缩。有研究表明:高性能混凝土总收缩中干燥收缩和自收缩几乎相等,有时甚至小于自收缩。因此,加紧混凝土的养护,防止混凝土开裂是十分有必要的。

2.3 锂渣掺量对混凝土强度的影响及增强机理

混凝土可以看成是有三相结构组成,除水泥石和骨料结构外,在骨料颗粒附近的小范围内存在界面过渡区(简称ITZ),其典型厚度为20～40 μm[8]。ITZ其形貌、成分和密度等方面与浆体有显著的不同。其特征概括以下几点:①未水化的水泥比较少;②孔隙率较高,孔的直径比浆体要大;③水化硅酸钙较少;④存在大的、定向生长的氢氧化钙晶体;⑤钙矾石的浓度较大。

因此ITZ是混凝土性质中的最薄弱的环节,被视为混凝土中的强度限制相,这是因为由于过渡区的存在,混凝土在应力水平远低于2个主要组成相中任一个的强度时ITZ就破坏了。从表6可知,锂渣具有很好的火山灰性和集料效应,能够填充ITZ区域和消耗其区域的氢氧化钙增加了水化硅酸钙的量,从而到达提高锂渣混凝土的强度。当掺量小于等于15%时,虽然其3 d和7 d强度都有所降低,但是其28 d和90 d都呈上升趋势,都比空白组的强度高。特别是锂渣掺量为15%时,锂渣混凝土28 d的强度是空白组强度的1.08倍,90 d的强度是空白组强度的1.21倍,此时也达到了最大值。当掺量为15%～25%时,其3 d、7 d强度虽都有低于空白组的趋势,但是28 d、90 d的强度都在一定程度上高于空白组。当掺量超过25%时,锂渣混凝土的早期强度都比空白组低,呈下降的趋势,但是90 d的强度都过了空白组,这更说明了锂渣具有火山灰性和集料效应,对混凝土的后期强度发展贡献更大。这主要是由于锂渣中含有较多的以无定形的 SilO2、Al2O3和少量的CaO,发生如下化学反应[9]:

CaO + H2O →Ca(OH)2

Ca(OH)2+ SilO2+ H2O → CaO·SilO2·H2O

Ca(OH)2+ Al2O3+ H2O → CaO·Al2O3·H2O

这些反应的产物如硅酸钙、铝酸钙均具有较好的强度,有利于提高锂渣混凝土后期的强度。当掺量较大时,由于锂渣代替了部分水泥,因此早期的硅酸钙胶凝较少导致了早期强度低,后期时由于无定形的SilO2、Al2O3参与了二次反应生成了硅酸钙胶凝,同时未参与反应的颗粒填充了ITZ区域,提高其区域的强度达到了提高锂渣混凝土的强度。

3 结 语

(1)锂渣具有火山灰性和集料效应,其成分与水泥水化后的Ca(OH)2发生二次反应,提高混凝土的后期强度。同时由于锂渣的掺入可以节约水泥降低成本。

(2)锂渣等量代替水泥后,可以提高其强度,主要是由于锂渣改善了混凝土界面过渡区的水化硅酸钙含量和密实度。

(3)在胶凝材料总量为500 kg和1.5%的减水剂的前提下,可以配制出C80,C70,C60高强泵送混凝土。

参考文献

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[8]Sidney Mindess,J Francis Young,David Darwin.混凝土[M].2版.北京:化学工业出版社,2004.

篇4：青藏铁路风火山隧道高性能泵送混凝土的试验研究

大瑞铁路(大理到瑞丽)是连接南亚、东南亚的跨国铁路的国内段,也被称作“泛亚铁路西线”。 该线路大部分地段地表水及地下水具有弱~中等硫酸盐和溶出性侵蚀,设计要求路基支挡工程使用寿命为100年、防护结构物使用寿命为60年。 为抵御环境中的硫酸盐侵蚀,依据TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》[1],要求混凝土中掺加优质粉煤灰作为矿物掺合料。 然而,工程沿线粉煤灰资源严重缺乏,需从400km以外的昆明地区长途调运,运输成本巨大,大大阻碍了工程建设的进度。

云南省内腾冲地区具有丰富的天然火山灰资源,恰临大瑞铁路大保段沿线。 火山灰资源经各领域专家的不懈研究和探索,现已广泛应用于公路工程建设中[2,3],也不乏被运用于大型水利工程的成功案例[4,5,6],但在铁路建设中的应用却鲜有研究。 因此, 探索天然火山灰在铁路混凝土工程中的应用,特别是能否抵抗铁路建设中常见的各类化学侵蚀是本文的主要研究内容。

本文通过混凝土室内试验(包括力学性能和耐久性试验), 探索了天然火山灰混凝土抵抗化学侵蚀的性能,完善优化了混凝土配合比。

1试验研究

1.1原材料

采用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥; 细度模数3.1的中粗机制砂 ; 粒径5~31.5mm石灰岩碎石 ;火山灰采用云南省龙陵县某火山灰开发有限公司出品的天然火山灰超细粉;硅灰为云南永昌某公司出品的90级中质加密硅灰; 减水剂采用江苏某公司出品的PCA誖(Ⅰ)聚羧酸高性能减水剂。 其中,天然火山灰与硅灰的物性分析测试结果如表1、 表2所示。

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采用GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》,测定掺量为30%的天然火山灰-水泥胶砂强度与基准水泥胶砂强度,得到的活性指数为0.66(29.01/44.23),相比于其它一般工业废料 (矿渣或粉煤灰)活性较低。 因此,配合比设计考虑复掺少量硅灰,利用硅灰活性高、颗粒微细的特点弥补天然火山灰作为混凝土矿物掺合料活性不足的劣势。

1.2试验方案

1.2.1试件设计

考虑不同 单方胶凝 材料总量 (A: 380kg、B: 360kg、C: 340kg和D: 320kg)四种试验水平,同一试验水平下分别设计了基准混凝土、单掺20%、30%天然火山灰以及复掺30%天然火山灰+2%硅灰的对比试件。 每m3用水量通过高效聚羧酸减水剂的掺量微调,均控制在150~160kg,各组试件的水胶比介于0.38~0.48之间。

1.2.2试验

混凝土试件尺寸100mm×100mm×100mm,在标准环境中养护至28d, 各组试件均取出一组试件测试其抗压强度, 其它试件留于标养室继续养护至56d龄期 , 然后取出进行电通量试验 , 试验依据ASTM C1202《混凝土抗氯离子渗透性能的电量评价方法》进行。

化学侵蚀 性试验采 用硫酸盐 全浸泡法 , 将100mm×100mm×100mm火山灰混凝土试件 (火山灰掺加水平分别为20%、30%), 标养28d后将试件取出,然后移入5%Na2SO4溶液中和清水中。 按试验设计龄期 (30d、90d、180d、360d、720d)分别取出 一组试件测定在侵蚀介质中以及清水中对比试件的抗压强度,求出不同龄期抗腐蚀系数K值,如式(1)所示,K>0.8为合格。

2试验结果与分析

2.1力学性能

试验结果表明:28d龄期时,四组试件中复掺硅灰(2%)+火山灰(30%)混凝土强度∶基准混凝土强度∶单掺火山灰(30%)混凝土强度≈1.13∶1.09∶1。 由此可见,单掺火山灰的混凝土强度最低,较基准混凝土强度降低的幅度不显著,随着后期“火山灰质” 二次水化效应的开展,火山灰混凝土的强度还将进一步提高,弥补早期强度略低的不足。 复掺硅灰-火山灰混凝土的强度较基准混凝土略高, 说明复掺2%硅灰对火山灰混凝土强度起到补差、提升的增强效果,但由于硅灰复掺比例仅为2%,远未达到配制高强混凝土时硅灰的建议添加水平8%~10%[1],因而既可有效控制每m3混凝土的造价,更可规避由于硅灰掺入引起的和易性差、干缩大等负面效应。

各组试件 强度均介 于中等强 度等级 (C30~ C50), 满足铁路工程对混凝土强度的一般要求 ,可广泛应用于铁路路基、支挡等工程部位。

2.2电通量

“大瑞铁路 ”保山段沿线部分区域内地表水检测出少量硫酸根离子,为H1级化学侵蚀性环境。 依据文献[1]中表5.4.1~表5.4.2,对不同强度的铁路混凝土均提出了具体的电通量要求。 图1中对比了各组试件的电通量试验结果。

从图1各组数据对比图中可以看出:

(1)水胶比对电通量的影响

由于各组试件每m3用水量均控制在150~160kg之间,随着每m3胶凝材料总量的递增(320~380kg), 水胶比随之降低(0.48~0.38),各组试件(A、B、C、D) 电通量依次减小,这种下降趋势同时体现在基准混凝土、单掺火山灰混凝土和复掺硅灰火山灰混凝土各组试件中。 由此可见,相比于胶凝材料的类别、掺加比例以及总量等影响因素,水胶比始终是影响混凝土抗侵蚀能力的首要因素。

(2)天然火山灰对电通量的影响

从图1中还可看出,各组试件系列中单掺30% 火山灰的混凝土电通量均低于基准混凝土, 介于2000~2500C之间 。 这说明由于火山灰颗粒较水泥细,密实填充能力较强;同时,后期的火山灰质二次水化效应,均起到提升混凝土抗氯离子渗透能力的作用。

(3)单掺天然火山灰比例对电通量的影响

图2表示在每m3胶凝材料总量380kg和400kg条件下,单掺天然火山灰混凝土电通量与火山灰掺加比例之间的关系。

从图2可以看出,火山灰的掺加比例对混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律尚不明确,这与天然火山灰的活性具有一定的不确定性相关。 本研究以云南腾冲地域内的火山灰为试验对象,该地区大部分的火山灰形成时期均在20万年前, 火山灰已随着漫长的地质年代沉积成岩。 本试验所用火山灰主要是以玄武岩、凝灰岩、火山碎屑岩、沸石岩、浮石岩、硅藻土等经开采加工磨细而成的火山灰粉体材料。 由于各种岩材沉积年代不同、有效活性成分比例有别,由此产出的火山灰产品也表现出活性不够稳定的特点。

总之,作为水泥的部分替代物,天然火山灰的掺入具有提高混凝土电通量的作用,但提升的幅度有限。 然而,考虑到火山灰粉体材料低廉的成本以及低耗能的磨制工艺, 仍具有很高的工程利用价值,建议可应用于大多数无化学侵蚀环境的铁路工程段中。

(4)复掺硅灰对电通量的影响

从图1中看出,在相同单方胶凝材料总量条件下, 复掺硅灰-火山灰混凝土的电通量比单掺火山灰混凝土有较大幅度的降低, 降低幅度高达30%~ 40%,体现了硅灰的高活性。

图3为单方胶凝材料总量为380kg (其中天然火山灰掺量为30%) 时, 复掺硅灰比例依次为0、 1%、2%和5%水平的混凝土电通量数据曲线 。 从图3中可以看出,随着硅灰掺量的增加,大大提高了混凝土的抗化学侵蚀能力,当硅灰复掺量达2%时,混凝土电通量从掺量为0时的2066C速降至1354C, 满足了文献[1]对60年设计年限中C30~C45混凝土抗化学侵蚀的电通量要求(<1500C);当硅灰复掺量达5%时,电通量进一步降至787C,满足了100年设计年限中C30~C45混凝土抗化学侵蚀的电通量要求(<1200C)。 由此可知,小掺量硅灰的复合掺加可以显著提高天然火山灰混凝土的抗化学侵蚀能力, 协助火山灰达到对混凝土内部微孔隙、微裂缝的填充效应, 同时激发更高效的后期二次水化反应,进而生成显微结构更加稳定、更耐化学侵蚀的水化反应产物。

2.3抗化学侵蚀性能

从图4可以看出, 无论是P30或P20混凝土, 经过五个设计龄期后,抗腐蚀系数均大于0.8,甚至大于1, 表现出火山灰混凝土具备良好的抗硫酸盐腐蚀能力, 且在腐蚀性液体浸泡下强度不降反升。 导致这种现象的原因有:1火山灰的掺入一定程度降低了胶凝材料中C3A和C3S的相对含量, 从根本上减少了钙矾石的析出,避免产生过大膨胀而导致的腐蚀破坏;2即便有少量钙矾石产生,却达到了填充混凝土部分微孔隙的效果,使得混凝土更为密实,与清水浸泡的混凝土相比,抗压强度更高。

3机理分析

图5至图7分别为基准混凝土、单掺火山灰及复掺硅灰-火山灰混凝土SEM显微电镜照片。

从以上三组图片对比发现:

(1)基准混凝土中水泥石结构基本致密 ,但局部区域孔隙粗大、结构不密实,水泥石中有大量针状(纤维状)水化结晶产物———水化硅酸钙凝胶及钙矾石。 水泥石与骨料界面过渡区显微结构较疏松、孔隙大,有明显的结晶产物生成。 界面区域是离子渗透侵蚀的主要通道,由此验证了基准混凝土电通量最大、抗化学侵蚀性能最弱的试验结果。

(2)单掺火山灰混凝土中绝大部分水泥石结构致密,纤维状水化产物细小,且有大量的水化产物附着在火山灰颗粒上。 但仍有少数区域孔隙大、结构疏松, 这是由于局部火山灰颗粒尺寸粗大而致, 由此导致单掺火山灰混凝土的电通量依然无法减小至抵抗化学侵蚀的水平。 然而,单掺火山灰混凝土的显微结构比基准混凝土已有一定改善,可以推荐火山灰作为矿物掺合料应用于大多数无化学侵蚀环境的铁路混凝土工程中。

(3)复掺硅灰火山灰混凝土的显微结构特征明显:水泥石结构致密均匀,水化产物尺寸细小,无明显粗大的孔隙、缺陷,毛绒状细密的水化产物随处可见,表明水泥石的水化反应程度相对较高。 骨料与水泥石的界面黏结良好, 无明显的孔隙裂缝,骨料与水泥石的界面过渡区中可见到硅灰颗粒,并已部分发生水化反应,说明硅灰对混凝土中界面过渡区显微结构的改善作用明显。

综上所述,显微结构分析的结果进一步论证了复掺硅灰对改善天然火山灰混凝土中水泥石、界面过渡区作用显著,有利于全方位提高混凝土的力学性能与耐久性,对抵抗外界化学环境侵蚀起到至关重要的作用。

4结论

(1)火山灰混凝土水胶比越小 , 混凝土电通量越小,抗化学侵蚀性能越高。

(2)单掺天然火山灰混凝土的抗化学侵蚀能力较基准混凝土有所提高,但仍不能满足铁路混凝土耐久性设计对混凝土电通量的要求。

(3)复掺硅灰-火山灰混凝土抗化学侵蚀能力卓越,建议复掺比例为2%~5%,适合应用于对抗环境侵蚀有具体要求的铁路混凝土工程。

摘要：以云南地区在建大瑞铁路为依托,利用工程建设沿线——腾冲区域内丰富的天然火山灰资源,探讨了火山灰作为混凝土矿物掺合料应用于铁路路基加固与防护工程结构物中的可行性。通过基本力学性能试验、电通量试验以及为期两年的硫酸盐全浸泡试验,研究了火山灰混凝土的抗压强度、电通量以及抗化学侵蚀性能与火山灰掺量、养护龄期等的相关规律。研究表明,火山灰混凝土具有良好的力学性能和抗化学侵蚀能力,其抗化学侵蚀性能随其水胶比的降低而提高;单掺天然火山灰混凝土的电通量较基准混凝土有所降低,但无法满足铁路工程中的化学侵蚀环境要求。建议复掺硅灰来提高混凝土的抗环境侵蚀能力,满足铁路混凝土工程建设的要求。

篇5：青藏铁路风火山隧道高性能泵送混凝土的试验研究

在现在的建设施工过程中, 混凝土泵送技术的运用越来越普遍, 同时出现问题的次数也越来越多, 这严重影响混凝土生产工作的进行。改进混凝土泵送性能试验评价方法已刻不容缓, 可以通过将模拟试验与真实泵送测定结果进行比较, 形成准确的泵送性能参照标准。

一、混凝土泵送性能的概念

“能不能符合泵送”和“能不能轻松泵送”是混凝土搅拌物的泵送性能, 主要就是从可泵性和易泵性两个角度对泵进行功能评价。所谓的可泵性是指泵送可以将混凝土的搅拌物输送走, 并且大多数情况下不会造成管道堵塞, 也不会在泵送的过程中发生故障, 这也为泵送工程的顺利完成提供保障。相对于长度非常长、高度非常高并且混凝土搅拌物结构非常复杂的泵送来说, 混凝土搅拌物的“容易泵送”功能就会产生更高的评价标准。

二、混凝土泵送性能的影响因素

1、水及细粉料对混凝土泵送性能的影响

混凝土搅拌物的物质主要是由一些性质不同、粒子大小不同和溶解度不同的固体物质和水混合在一起所组成。在他们之间加入水之后, 进行充分的搅拌, 就会发现这些分散的固体之间产生了一定的联系, 水泥和水之间开始进行了化学反应。从而我们可以得知, 水在该反应中是不可或缺的反应物, 它建立了各种固体材料之间的联系, 决定着混凝土搅拌物用泵运输的整个过程。

混凝土原浆用适当的水进行搅拌, 可以使其更容易流动, 有利于提高混凝土的质量。但是如果混凝土原浆中的细粉料对水的影响较小, 部分水会流到阻力小的地方。在进行混凝土的泵送时, 这样会使压力分布不均。

2、水泥浆用量对混凝土泵送性能的影响

商品混凝土在运送过程中, 多会通过压力泵经管道输送, 混凝土过稠和过稀都会影响输送。如果混凝土过稠, 混凝土与管道之间的摩擦就会增大, 阻力自然就增大, 会导致输送很慢或者不能输送;如果混凝土过稀, 混凝土中的固体部分会自然下沉, 下层的稠度很大, 上层是水层, 稠度很小, 上层的流动性很大, 输送流畅, 下层与管道摩擦很大, 很难流动, 这样就会导致输送的混凝土质量极为不好。加上商品混凝土中混有石子, 石子如果稠度过稀, 石子会因为重力的作用下沉, 下部都是石子, 这样的商品混凝土根本就不能用。

3、石子的大小以及外表面对混凝土泵送性能的影响

在混凝土的生产过程中, 石子占得比重很大, 对混凝土的影响很大, 决定着混凝土的质量。根据以往的经验, 如果石子过大, 很容易堵住输送管, 所以, 选择石子一定要大小合适。除此之外, 石子的外表面也对混凝土泵送性能有一定的影响, 主要影响混凝土的质量, 如果石子的外表面光滑, 需要的水泥浆相对较少, 进而使混凝土较容易流动。碎石子与水泥浆的结合较紧密, 因此混凝土的强度较高。

4、管道和泵送压力对泵送商品混凝土的影响

混凝土泵送管道主要是与混凝土原浆之间存在摩擦, 从而影响管道泵送混凝土的效率。混凝土泵送就是对混凝土原浆施加压力, 使其沿着管道向前运动, 因此, 减少管道与混凝土原浆之间的摩擦可以有效提高泵送效率。为降低摩擦, 可以在管道内壁不断加水或涂抹水泥匀浆起到润滑作用。此外, 管道线路方向的改变和管道截面的改变也会增加摩擦, 所以, 泵送混凝土时, 尽量使用直线管道和内径想通的管道。

三、混凝土泵送性能的试验评价方法

1、可泵性试验测定与评价:

用混凝土的工作情况以及泌水率试验来测定可泵性, 目前混凝土原浆在静止或受到压力时, 有可能会对可泵性造成损害。所以, 在调配混凝土时要尽量对混凝土静止或受到压力时的状态进行试验, 保证混凝土的质量。

2、易泵性试验测定与评价:

流变仪是混凝土原浆泵送性能试验与评价的新方法, 不同的流变仪能够很清晰的表现出不同混凝土原浆的差别, 使之能够直接进行比较。

四、结语

想要把商品混凝土运送到施工现场, 必须确定商品混凝土的质量, 看他是否适合用压力泵管道输送, 能否在管道中顺利输送和运达施工现场是否可用是衡量该商品混凝土是否适合管道运送的两个重要指标, 必须严格检查混凝土这两个指标才能运送。另外, 压力泵和管道的选择也是非常重要的, 因为它直接影响输送过程和输送效率, 应选择性能优良的压力泵和符合标准的管道设备, 做好管线布置规划。在输送过程中也要实时监控输送情况, 一旦遇到突发情况必须能快速处理, 避免混凝土泄露对当地设施造成损害, 也避免施工现场的混凝土输送中断, 造成不必要的损失。

摘要：目前混凝土泵送技术得到了大规模的使用, 存在的问题也逐渐显现出来, 影响泵送性能的原因有很多, 并且十分复杂。主要因素是混凝土原材料的类型、质量的不同以及在没有泵送混凝土之前对泵送性能没有试验评价。如今, 混凝土已经有了相对较完善的泵送性能试验与评价方法, 最大程度上防止泵送过程中出现问题, 提升了混凝土的配制效果, 同时提高了施工的总体效率。本文就是对混凝土泵送性能的影响因素与试验评价方法进行分析, 混凝土泵送性能的影响因素与试验评价方法的合理分析和应用直接关系着混凝土泵送是否能够高效率的完成。

关键词：混凝土,泵送性能,影响因素,试验评价方法

参考文献

[1]丁庆军, 时建刚, 姜从盛, 王发洲.高强轻集料混凝土工作性能优化的试验研究[J].混凝土.2007 (01)