中铁四局集团第四工程有限公司 安徽 合肥 230011
摘要：通过对混凝土原材料的优选和对配合比的优化，采用高效外加剂和矿物掺合科，降低用水量，减少水泥用量，提高了混凝土的抗氯离子渗透、抗裂和抗冻性能，并采取了限制原材料碱含量和氯离子含量等措施来预防混凝土发生碱骨科反应和钢筋锈蚀，确保铁路箱梁混凝土的耐久性。
关键词：混凝土；耐久性；铁路工程
1 前言
目前我国高速铁路箱梁混凝土结构的使用年限为100年，均采用高性能混凝土。高性能混凝土是以耐久性作为设计的主要指标，其耐久性指标主要涉及到混凝土的抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性及抗碱-骨料反应等。为了提高高性能混凝土的耐久性，我们从混凝土工程结构的设计出发，在原材料的优选，配合比的优化方面，进行了大量的试验研究工作，并采取了综合技术措施，使混凝土耐久性得以保证。
2 高性能混凝土耐久性设计技术指标
箱梁混凝土耐久性指标需根据结构的设计使用年限、所处的环境类别以及作用等级确定。由设计资料表明，混凝土其耐久性指标有下列几方面的规定。
2.1 高性能混凝土的抗碱-骨料反应性能指标
2.1.1 骨料的碱-硅酸反应砂浆棒膨胀率或碱-碳酸盐反应岩石柱膨胀率应小于0.10%。混凝土的碱含量应满足表1的规定；
表1 混凝土最大碱含量 （kg/m3）
使用年限级别 | 一（100年） | 二（60年） | 三（30年） | |
环境条件 | 干燥环境 | 3.5 | 3.5 | 3.5 |
潮湿环境 | 3.0 | 3.0 | 3.0 | |
含碱环境 | 使用非碱活性骨料 | 3.0 | 3.0 | |
2.2 混凝土中氯离子总含量
钢筋混凝土中氯离子总含量不应超过胶凝材料总量的0.10%，预应力混凝土的氯离子总含量不应超过胶凝材料总量的0.06%。
2.3 混凝土抗氯离子渗透性的电通量应满足表2的规定
表2 混凝土的电通量
设计使用年限级别 | 一（100年） | 二（60年）、三（30年） | |
电通量（56d），C | ＜C30 | ＜2000 | ＜2500 |
C30～C45 | ＜1500 | ＜2000 | |
≥C50 | ＜1000 | ＜1500 | |
2.4 箱梁C50预应力高性能混凝土抗裂性试件表面非受力裂缝平均宽度不应大于0.2mm
2.5 箱梁C50预应力高性能混凝土抗冻性试件在冻融循环次数200次后，重量损失不应超过5％、相对动弹性模量不应低于60％。
3 混凝土原材料的优选
3.1 水泥的选择
为确保混凝土的长期耐久性，选用低碱P.042.5硅酸盐水泥，如表3所示。
试验项目 | 安定性 | 三氧化硫（%） | 氧化镁（%） | 碱含量（%） | 氯离子含量 （%） | 28天抗折强度(MPa) | 28天抗折强度(MPa) |
标准规定值 | 合格 | ≤3.5 | ≤5.0 | ≤0.6 | ≤0.06 | ≥6.5 | ≥42.5 |
实测值 | 合格 | 1.82 | 4.81 | 0.46 | 0.014 | 9.7 | 47.6 |
表3 水泥的主要性能指标
3.2 骨料的优选
3.2.1 粗骨料
粗骨料通过多次试验，确定箱梁C50预应力高性能混凝土采用5～10mm与10～25mm碎石按30%与70%的比例进行复配（对比情况见表4），其他指标也满足高性能混凝土对原材料的相关要求。其技术指标详见表5。
表4 5～25mm碎石复配结果对比表
项 目 | 方案一 | 方案二 | 方案三 | |
复配比例 | 5～10mm | 30% | 40% | 50% |
10～25mm | 70% | 60% | 50% | |
试验项目 | 松散堆积密度（kg/m3） | 1580 | 1540 | 1490 |
紧密空隙率（%） | 37 | 38 | 40 | |
表5 粗骨料的主要性能指标
试验项目 | 吸水率 （%） | 含泥量 （%） | 泥块含量 （%） | 堆积密度（kg/m3） | 紧密密度 （kg/m3） | 紧密空隙率（%） | 压碎指标 （%） | 针片状含量（%） | 筛分情况 |
标准规定值 | ＜2.0 | ≤0.5 | ≤0.2 | ＞1500 | － | 宜小于40 | ≤10 | ≤5 | － |
实测值 | 1.0 | 0.2 | 0.2 | 1560 | 1700 | 37 | 7.0 | 3.5 | 连续级配 |
3.2.2 细骨料
细骨料采用天然中砂，细度模数能达到配制高性能混凝土的最佳值2.6～3.0的要求,满足Ⅱ区砂的良好级配,主要性能指标详见表6。
表6 细骨料的主要性能指标
试验项目 | 吸水率 （%） | 含泥量 （%） | 泥块含量 （%） | 堆积密度（kg/m3） | 紧密密度 （kg/m3） | 紧密空隙率（%） | 细度模数 | 筛分情况 |
标准规定值 | ≤2.0 | ≤2.0 | ≤0.5 | － | － | － | － | － |
实测值 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 1570 | 1780 | 32 | 2.8 | Ⅱ区砂 |
3.3 矿物掺合料
矿物掺合料是具有较大比表面积的磨细矿物微粉。掺入矿物掺合料后能大大改善新拌混凝土的和易性，减少混凝土的离析和泌水现象，进而改善混凝土的耐久性。我们选用了粉煤灰作为主要的掺合料，对箱梁C50混凝土掺入了粉煤灰，其主要技术参数见表7。
表7 粉煤灰的主要性能指标
试验项目 | 细度（%） | 烧失量（%） | 需水量比（%） | 三氧化硫（%） | 游离氧化钙（%） | 碱含量（%） | 氯离子含量 （%） |
标准规定值 | ≤12 | ≤5.0 | ≤95 | ≤3.0 | ≤1.0 | － | 0.02 |
实测值 | 5.2 | 1.59 | 92 | 0.66 | 0 | 1.09 | 0.006 |
3.4 高效减水剂
铁路箱梁的外加剂将重点考虑以下这个方面的性能：具有高效减水功能、引气功能、与水泥和外掺料有良好的适应性，坍落度经时损失小。我们选用了聚羧酸系高效减水剂，掺量为胶凝材料的1.0%时即满足混凝土各项技术指标，其性能指标见表8。
表8 外加剂的主要性能指标
试验项目 | 减水率（%） | 压力泌水率比（%） | 含气量（%） | 收缩率比（%） | 碱含量（%） | 氯离子含量 （%） | 抗压强度比(28d)（%） |
标准规定值 | ≥25 | ≤90 | ≤3.0 | ≤110 | ≤10.0 | ≤0.6 | ≥130 |
实测值 | 28.1 | 56 | 2.5 | 105 | 1.25 | 0.06 | 141 |
4 混凝土配合比的优化
高性能混凝土配合比是以耐久性作为设计的主要指标，为了提高混凝土的耐久性，我们在外加剂的选用和外掺料的掺配比例以及用水量等方面进行试验研究，综合考虑到混凝土的耐久性、工作性、强度以及经济性等等。最先试配的C40、C50高性能混凝土（见表9），虽然坍落度、强度和电通量等指标能满足规范要求，但在实际施工中常受材质波动而出现离析、泌水等现象，必将影响到实体混凝土的质量。
表9 高性能混凝土C40、C50配合比及性能
混凝土材料用量（kg/m3） | 混凝土性能 | ||||||||
强度等级 | 水泥 | 掺合料 | 砂子 | 石子 | 外加剂 | 水 | 坍落度 （mm） | 56d强度（MPa） | 56d电通量（C） |
C40 | P·O42.5，313 | 102 | 683 | 1179 | 3.32 | 155 | 195 | 51.2 | 715 |
C50 | P·O42.5，413 | 59 | 630 | 1186 | 3.78 | 149 | 210 | 66.2 | 530 |
为此，我们从外掺料的掺量、砂率、用水量和外加剂掺量等方面进行了优化改进，确定箱梁用混凝土配合比（见表10）。从试验结果可以看出，通过使用掺加优级矿物掺和料，外加剂提高、调整砂率、降低用水量等措施，对原有的配合比进行改进后，使混凝土的耐久性得到保证。
序号 | 设计参数 | 混凝土材料用量（kg/m3） | 混凝土拌合物性能 | ||||||||||||||
强度等级 | 水胶比 | 粉煤灰掺量(%) | 矿渣粉掺量(%) | 外加剂掺量(%) | 砂率(%) | 水泥 | 粉煤灰 | 矿渣粉 | 砂 | 石 | 水 | 外加剂 | 坍落度（mm） | 含气量 （%） | 常压 泌水率 （%） | 压力 泌水率 （%） | |
6 | C40 | 0.35 | 29 | 0 | 1.0 | 42 | 296 | 119 | 0 | 769 | 1062 | 146 | 4.15 | 215 | 3.5 | 0 | 37 |
7 | C50 (箱梁) | 0.30 | 19 | 0 | 1.0 | 38 | 383 | 90 | 0 | 685 | 1117 | 142 | 4.73 | 220 | 2.6 | 0 | 22 |
表10 优化混凝土配合比汇总
5 混凝土碱骨料反应和钢筋锈蚀的预防措施
铁路箱梁所用的骨料在配合比设计时按要求对混凝土的总碱含量进行了严格的限制（详见表12），各种原材料的碱含量见表11。为防止混凝土中钢筋锈蚀，我们在选用的原材料上对相应的氯离子含量进行了严格的控制，详见表11，从而确保了混凝土中氯离子总含量均满足规范要求，具体见表12。
表11 原材料碱含量和氯离子含量
序号 | 原材料 | 规范要求 | 实际值 | ||
碱含量 | 氯离子含量 | 碱含量 | 氯离子含量 | ||
1 | 水 泥 | ≤0.80%(C35以下砼) ≤0.60%( C40以上砼) | ≤0.06%(预应力砼) ≤0.10%(钢筋砼) | 0.46 | 0.014 |
2 | 粉煤灰 | --- | ≤0.02% | 1.09 | 0.006 |
3 | 矿渣粉 | --- | ≤0.02% | 0.80 | 0.006 |
4 | 细骨料 | --- | ＜0.02% | --- | 0 |
5 | 粗骨料 | --- | ＜0.02% | --- | 0 |
6 | 外加剂 | ≤10.0 | ≤0.2% | 1.25 | 0.06 |
7 | 水 | ≤1500mg/L | ≤500 mg/L(预应力砼) ≤1000 mg/L(钢筋砼) | 745 | 12 |
表12 混凝土总碱含量和氯离子总含量 （kg/m3）
序号 | 混凝土 强度等级 | 设计要求 | 实际值 | ||
总碱含量 | 氯离子总含量 | 总碱含量 | 氯离子总含量 | ||
1 | C40 | 3.0 | 0.423 | 1.743 | 0.0528 |
2 | C50(箱梁) | 3.0 | 0.2898 | 2.079 | 0.0601 |
6 混凝土的抗裂性能
混凝土的抗裂性能是耐久性的一个重要指标，铁路箱梁高性能混凝土主要通过以下几个方面措施来提高混凝土的抗裂性能。
6.1 选用吸水率低的骨料，这样会减少混凝土的长期收缩性。另外与卵石相比，碎石混凝土的骨料与浆体的界面有较好的结合，从而提高了混凝土的抗裂性。
6.2 在确保混凝土有较大流动性，满足施工现场的前提下，我们通过粗细骨料的合理搭配，减少了胶凝材料的用量。使用高效聚羧酸类减水剂，减少单位用水量，降低了浆骨比，进而使混凝土的抗裂性得到了较大改善。
6.3 掺用优质矿物掺和料，减低了胶凝材料的水化热，进而控制了由于水化温升较高引起的温度应力，增加了混凝土的抗裂性。
7 混凝土的抗氯离子渗透性能
混凝土的耐久性与混凝土的密实程度有很大关系，混凝土越密实就越能有效抵抗环境中各种有害离子侵入，提高混凝土的耐久性。通过对配合比优化，材料优选，掺入矿物掺和料，高效减水剂来降低用水量。各种掺和料在水泥水化产物会填充在混凝土内部孔隙中，使混凝土更加密实，从而提高了混凝土密实度。通过表13、14可以看出，所选配合比56d混凝土电通量试验结果均低于设计值，由此可见高性能混凝土具有高抗渗透耐久性。
表13 氯离子渗透能力的等级划分
通过电通量(C) | ＞4000 | 2000～4000 | 1000～2000 | 100～1000 |
CI－渗透能力 | 渗透能力强 | 渗透能力中等 | 渗透能力低 | 渗透能力很低 |
表14 混凝土电通量试验结果
序号 | 混凝土强度等级 | 电通量设计值（C） | 电通量实测值（C） | 渗透能力等级 |
1 | C40 | ＜1500 | 715 | 渗透能力很低 |
2 | C50(箱梁砼) | ＜1000 | 530 | 渗透能力很低 |
8 混凝土的抗冻性能
混凝土抗冻性是混凝土耐久性的主要指标之一。在配合比设计试验阶段，通过降低水胶比、掺用引气剂、掺用优质矿物掺和料、降低用水量等措施来提高混凝土的抗冻性。选用的聚羧酸高效减水剂，减低了用水量，二是具有引气功能，可以引入结构合理的微细气泡，来保证混凝土的抗冻性。掺用矿物掺和料，改善了混凝土工作性及混凝土的孔结构。从混凝土抗冻试验结果看（见表15），试件经过250次冻融循环后，其相对动弹性模量和重量损失率还有一定的富余值，由此可见铁路箱梁混凝土具有较高抗冻性能。
表15 混凝土抗冻性能试验结果
项目 | 冻融次数（次） | 相对动弹性模量（%） | 重量损失率（%） |
标准要求 | ≥200 | ≥60 | ≤5 |
试验结果 | 250 | 69.4 | 3.5 |
9 结论
通过对铁路箱梁高性能混凝土的耐久性研究，总结出以下几个方面的技术要点：
（1）、在对原材料进行优选方面，采用二级级配的碎石粗骨料，严格控制粗细骨料的含泥量和泥块含量，使用具有引气功能的聚羧酸类高效减水剂、优质粉煤灰，从而降低了水胶比、减少了胶凝材料用量。
（2）、在对配合比进行优化方面，尽可能降低用水量，减少水泥用量，从而降低混凝土绝热温升。掺入适量的矿物掺合料大大改善了混凝土的工作性及混凝土内部孔结构。
（3）、通过限制原材料碱含量和氯离子含量，确保混凝土总碱量和氯离子总含量满足设计要求，防止混凝土发生碱骨料反应和钢筋锈蚀。
通过以上几方面技术措施应用，有效提高了混凝土的抗碱骨料反应、预防钢筋锈蚀、抗裂性、抗氯离子渗透性和抗冻等性能，从而确保了铁路箱梁高性能混凝土的耐久性。
参考文献：
[1] GB/T37439-2019 《高速铁路预制后张法预应力混凝土简支梁》
[2] TB/T3275-2018 《铁路混凝土》
[3] TB10005-2010 《铁路混凝土结构耐久性设计规范》
[4] GB/T50082-2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》
作者简介：方磊，男，本科，助理工程师。
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