楊智翔YANG Zhi-xiang

（京沈客專(zhuān)遼寧公司（哈大客專(zhuān)公司），沈陽(yáng) 110000）

0 引言

嚴(yán)寒地區(qū)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的凍融破壞引起表層的砂漿“機(jī)理”性破壞。由于混凝土劣化機(jī)理與研究較為分散，而由于高速鐵路的特殊需求，不允許混凝土表層“粉化”機(jī)理性破壞后，形成骨料結(jié)構(gòu)疏散風(fēng)險(xiǎn)，后受“風(fēng)動(dòng)”通道環(huán)境擊打高鐵動(dòng)的安全問(wèn)題。

1 嚴(yán)寒地區(qū)鐵路露天結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)要求

露天結(jié)構(gòu)是保證結(jié)構(gòu)鋼筋保護(hù)層的耐久性，其成為各種的重要發(fā)展需求方向。在《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的定義為：在預(yù)定作用和預(yù)期使用與維護(hù)條件下，結(jié)構(gòu)及其部件能在預(yù)定期限內(nèi)維持其所需最低性能要求的能力。需要指出的是，混凝土劣化程度和其環(huán)境作用下混凝土的性能關(guān)系密切。環(huán)境作用級(jí)別，前提是不同環(huán)境情況下需滿(mǎn)足某種特定組分要求的混凝土。由此，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素是優(yōu)質(zhì)的原材料、可靠的施工過(guò)程質(zhì)量控制、合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和混凝土配合比、以及定期養(yǎng)護(hù)、檢測(cè)與維修，它們也是混凝土結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)使用年限設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容。

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中混凝土抗凍性能指標(biāo)是抗凍等級(jí)或抗凍標(biāo)號(hào)。在公路、水工等規(guī)范中，混凝土抗凍等級(jí)的含義為快速凍融試驗(yàn)中質(zhì)量損失達(dá)到5%或者動(dòng)彈模降到初始值的60%（兩種條件只需滿(mǎn)足其一時(shí)）的循環(huán)次數(shù)。

從《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10005-2010）中得出，凍融破壞作用主要和環(huán)境最低溫度、凍融反復(fù)循環(huán)次數(shù)及混凝土的含水率相關(guān)。在相同條件下，凍融破壞作用更大的是含氯鹽水體。依據(jù)含水率狀況、現(xiàn)場(chǎng)最冷月份統(tǒng)計(jì)得到的平均氣溫和水中是否含鹽來(lái)劃分等級(jí)，具體定義是根據(jù)其最冷月的平均氣溫劃分嚴(yán)寒地區(qū)（t≤-8℃）、寒冷地區(qū)（-8℃＜t＜-3℃）、微凍地區(qū)（-3℃≤t≤2.5℃）。東北地區(qū)鐵路混凝土耐久性設(shè)計(jì)大多為D2、D3、D4等級(jí)。鐵路工程具有露天服役環(huán)境和條狀結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，因此造成其混凝土結(jié)構(gòu)承受外部環(huán)境和所接觸水體與土體的腐蝕作用，不同鐵路工程都有獨(dú)特的特點(diǎn)，相應(yīng)規(guī)范給出通用要求，無(wú)法確保所有工程項(xiàng)目的安全性與耐久性。

2 高速鐵路線(xiàn)間大面積保護(hù)層特點(diǎn)

由于線(xiàn)間防水層的保護(hù)層處于高鐵動(dòng)車(chē)特別是會(huì)車(chē)時(shí)發(fā)生的“風(fēng)動(dòng)”效應(yīng)的工況下，東北地區(qū)的高速鐵路橋面線(xiàn)間防水層常規(guī)采用C40細(xì)石纖維混凝土+防水卷材保護(hù)層，尤其在保護(hù)層混凝土劣化后，易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展延長(zhǎng)，卷材與保護(hù)層的粘結(jié)降低、混凝土表面粉化后碎石擊打動(dòng)車(chē)。見(jiàn)圖1。

圖1 保護(hù)層混凝土粉化

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研制的低收縮、高抗裂、高抗凍的高鋯耐堿纖維混凝土，其中配合比采用“用水量少、膠凝用量少、坍落度低、含氣量高”的“兩少一低一高”方法配制混凝土，降低早期強(qiáng)度，有效避免開(kāi)裂。

大面積超薄玻璃纖維防水混凝土澆筑采用自主研發(fā)的震動(dòng)平臺(tái)，保證了施作排水坡一次成型，有效預(yù)防工后開(kāi)裂現(xiàn)象。

采用C40細(xì)石纖維混凝土+防水卷材的復(fù)合形式做為結(jié)構(gòu)的防水封閉層，可大大提高混凝土抗凍性與抗裂性。

3 工藝原理

嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路橋面大面積保護(hù)層施工主要包括防護(hù)墻外側(cè)電纜槽防水和線(xiàn)間防水體系兩部分，防護(hù)墻墻外側(cè)電纜槽防水采取涂刷聚氨酯防水涂料+高纖維混凝土保護(hù)層方案，線(xiàn)間防水采取鋪設(shè)高聚物改性瀝青防水卷材+纖維混凝土保護(hù)層方案，結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 線(xiàn)間防水結(jié)構(gòu)示意圖

橋面線(xiàn)間防水的方式是柔性防水+剛性防水，柔性層防水具有高延展性，可以用來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)變形和溫差，剛性防水層具有高強(qiáng)度，可以用來(lái)作為保護(hù)層，柔性防水的抗老化能力用剛性防水材料的高耐候性來(lái)提高。卷材鋪設(shè)機(jī)可以用來(lái)卷材鋪設(shè)，人工烘烤粘結(jié)，卷材鋪設(shè)由梁體一端開(kāi)始，橫向橋面按照從低到高的順序進(jìn)行，混凝土使用“用水量少、膠凝用量少、坍落度低、含氣量高”配合比，降低早期強(qiáng)度，有效避免開(kāi)裂。澆筑采用料斗吊運(yùn)分點(diǎn)布料的方式，C40細(xì)石纖維混凝土作為剛性防水材料，可提高混凝土密實(shí)性與抗裂性，使用節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜保濕養(yǎng)護(hù)混凝土，保證其養(yǎng)護(hù)期不失水。

4 試驗(yàn)研究

4.1 原材料選定

水泥：水泥采用P.O42.5低堿水泥。

粉煤灰：粉煤灰采用F類(lèi)I級(jí)粉煤灰。

細(xì)骨料：細(xì)骨料中砂，細(xì)度模數(shù)在2.5左右。

粗骨料：粗骨料采用碎石（5～10mm），碎石經(jīng)過(guò)整形機(jī)整形，空隙率不大于38%。

4.2 配合比確定

根據(jù)高寒地區(qū)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)鐵路防水的特點(diǎn)，線(xiàn)間防水封閉層采用鐵科院研發(fā)的C40細(xì)石纖維混凝土，這種混凝土優(yōu)點(diǎn)是抗裂性和抗凍性高、收縮性低。在高鐵施工過(guò)程中對(duì)這種細(xì)石纖維混凝土的材料和施工開(kāi)展了優(yōu)化。

為了達(dá)到有效降低玻璃纖維混凝土的孔隙率的效果，若集料中針狀顆粒比例較高，使用專(zhuān)門(mén)儀器對(duì)粗集料進(jìn)行分級(jí)成型。經(jīng)過(guò)集料成型和優(yōu)化級(jí)配，孔隙率下降約5%~8%，在保證混凝土工作性不變的條件下，膠凝材料消耗量可節(jié)省大約30kg/m3。使用細(xì)度參數(shù)不同的細(xì)集料組合的多級(jí)配細(xì)集料來(lái)解決細(xì)集料的顆粒級(jí)配不滿(mǎn)足要求的情況。使用專(zhuān)門(mén)儀器清洗細(xì)集料時(shí)，必須采取有效方法應(yīng)對(duì)細(xì)顆粒的損失。

為了減少用水量，可采用高性能耐堿玻璃纖維替代聚丙烯腈纖維，要求這種耐堿玻璃纖維中鋯含量至少16%。由于與聚丙烯腈纖維相比這種耐堿玻璃纖維的用水量小很多，所以不會(huì)出現(xiàn)混凝土耗水量的顯著增加及性能的顯著降低的問(wèn)題，能明顯增強(qiáng)混凝土的抗凍性能。

高性能減水劑具有防泌水、保坍、增稠、防離析、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，3天抗壓強(qiáng)度比不大于140%。攪拌現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)額外摻入一種外加劑增加引氣效果，用來(lái)穩(wěn)定保證混凝土的含氣量。這種引氣劑不能在外加劑廠(chǎng)跟減水劑一起摻加。

調(diào)整優(yōu)化C40細(xì)石纖維混凝土的配合比目的在于減小甚至消滅裂縫，保證混凝土的密實(shí)度和耐久性，另外解決普通聚丙烯晴纖維混凝土存在的問(wèn)題，比如易開(kāi)裂、膠凝材料用量大，耗水量大、坍落度高（16~18cm）、含砂率高（高于40%）。配合比調(diào)整優(yōu)化后的C40細(xì)石纖維混凝土早期強(qiáng)度低，達(dá)到了“膠凝用量少、耗水量小、坍落度低、含氣量高”的目標(biāo)，能夠減小甚至消滅混凝土裂縫。見(jiàn)表1。

表1 C40細(xì)石玻璃纖維混凝土配合比

通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整優(yōu)化C40細(xì)石纖維混凝土的配合比，顯著地提高了混凝土抵抗裂縫和耐嚴(yán)寒的性能。

從圖3、圖4可看出，抗凍融循環(huán)能力取得了顯著的提高，凍融破壞經(jīng)歷循環(huán)次數(shù)從500次提高到1100次，抗干燥收縮性能與普通纖維混凝土相比提高了20%左右。

圖3 抗凍性試驗(yàn)結(jié)果

圖4 抗裂性試驗(yàn)結(jié)果

4.3 混凝土現(xiàn)場(chǎng)拌制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土拌制試驗(yàn)研究得到的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)運(yùn)用機(jī)械強(qiáng)制式攪拌機(jī)現(xiàn)場(chǎng)攪拌C40細(xì)石纖維混凝土。根據(jù)纖維混凝土的特性，在拌合過(guò)程中依次投放骨料、粉料、施工用水、外加劑、玻璃纖維，然后進(jìn)行攪拌作業(yè)。在投放玻璃纖維時(shí)注意按照先集束纖維后分散纖維的順序投放。C40纖維凝土強(qiáng)制攪拌時(shí)間要求如下：骨料、粉料、外加劑和分散型纖維先攪拌，時(shí)間不少于2分鐘，然后投放集束型纖維，再攪拌，時(shí)間不少于1分鐘；C40細(xì)石纖維混凝土與普通混凝土不一樣，在攪拌過(guò)程中需要充分的攪拌，才能滿(mǎn)足混凝土性能要求，攪拌所用時(shí)間總數(shù)不得少于4分鐘。注意攪拌不僅要時(shí)間充分，也要均勻，并保證投放纖維的品質(zhì)。

4.4 混凝土運(yùn)輸

C40細(xì)石纖維混凝土運(yùn)輸方法如下：首先采用混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)橋下，然后運(yùn)用吊車(chē)與吊斗一起來(lái)進(jìn)行垂直運(yùn)輸（由于纖維混凝土坍落度不大于14cm，因此無(wú)法采用泵送運(yùn)輸）。在運(yùn)輸過(guò)程中要時(shí)刻注意觀(guān)察C40細(xì)石纖維混凝土的狀態(tài)，避免出現(xiàn)混凝土離析的問(wèn)題。在放入布料平臺(tái)之前，要對(duì)混凝土性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)后，方可進(jìn)行布料施工。

4.5 混凝土澆筑

混凝土澆筑施工一般安排在前日下午4:00至次日早晨08:00之間，用來(lái)達(dá)到避免夏季高溫施工的目的。待澆筑的梁面提前用棉被覆蓋，已確保澆筑的纖維混凝土溫度與介質(zhì)溫差不大于15℃。防止溫度對(duì)超薄纖維混凝土的影響，造成早期開(kāi)裂的狀況。

混凝土澆筑時(shí)在線(xiàn)間布料平臺(tái)上設(shè)置料斗，人工推動(dòng)料斗，按照每個(gè)布料點(diǎn)澆筑0.3～0.4m3混凝土布置。在布料時(shí)候應(yīng)加強(qiáng)布料間距控制，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)布料點(diǎn)之間的間距一般采用1.5m。

圖5 混凝土布料

由于C40細(xì)石纖維混凝土保護(hù)層厚度太薄的原因，無(wú)法采用振搗棒直接振搗的方式進(jìn)行施工，所以采用自主研發(fā)的布料機(jī)進(jìn)行布料，通過(guò)研發(fā)的振搗平臺(tái)工裝對(duì)超薄玻璃纖維混凝土進(jìn)行振搗施工，通過(guò)施工試驗(yàn)段發(fā)現(xiàn)，一次振搗并不能有效密實(shí)超薄玻璃纖維混凝土，采用兩次振搗平臺(tái)振搗+一次人工小型壓邊振搗的方式。

超薄纖維混凝土施工采用自主研發(fā)的振搗平臺(tái)進(jìn)行混凝土振搗施工，振搗遍數(shù)為三遍，首先采用振搗平臺(tái)將排水坡一次振搗成型，振搗過(guò)程中保持水平勻速，因坍落度低，攤鋪厚度過(guò)薄，之后采用平板振搗器對(duì)振搗不到位的地方集中振搗，最后用小型平板振搗器振搗邊角或露石地帶，保證超薄纖維混凝土的整體密實(shí)。針對(duì)混凝土塑性階段易產(chǎn)生龜裂紋病害，實(shí)踐證明采取抹面處理是有效的。抹面次數(shù)不能太少，也不能太多，實(shí)踐證明抹面4輪效果比較好。四輪抹面的時(shí)間和方法如下：振搗混凝土后立即采用塑料抹子修整排水坡，這是第一輪抹面，抹面后及時(shí)采用遮陽(yáng)竹膠板遮蓋；第一輪抹面后間隔60分鐘后采用塑料抹子開(kāi)展第二輪抹面工作；第二輪抹面后間隔40分鐘后用塑料抹子開(kāi)展第三輪抹面工作；第三輪抹面后間隔20分后用鐵抹子開(kāi)展第四輪抹面工作。抹面作業(yè)時(shí)需要注意的是禁止?jié)娝?/p>

4.6 混凝土養(yǎng)護(hù)

完成保護(hù)層混凝土灌注后應(yīng)第一時(shí)間采取養(yǎng)護(hù)措施，采用防風(fēng)節(jié)水保濕型養(yǎng)護(hù)膜養(yǎng)護(hù)法。此方法首先在混凝土表面灑水至完全濕潤(rùn)狀態(tài)，然后在混凝土表面遮蓋養(yǎng)護(hù)膜和遮陽(yáng)板，遮蓋保濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28天。相比傳統(tǒng)的土工布+塑料薄膜養(yǎng)護(hù)，防風(fēng)節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜采用三層結(jié)構(gòu)，在防風(fēng)的外膜內(nèi)部有芯膜和樹(shù)脂狀的核心材料，防風(fēng)節(jié)水養(yǎng)護(hù)膜可一次飽和澆水實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效保濕養(yǎng)護(hù)的效果，能保證28天養(yǎng)護(hù)期內(nèi)的超薄纖維混凝土的養(yǎng)護(hù)要求。成型保護(hù)見(jiàn)圖6。

圖6 高鋯耐堿纖維混凝土保護(hù)層

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)混凝土配合比及施工措施的改進(jìn)提高了混凝土的抗裂性、抗凍性和密實(shí)性。大面積保護(hù)層混凝土澆筑采用的震動(dòng)平臺(tái)，保證了施作排水坡一次成型，有效預(yù)防工后開(kāi)裂現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了在嚴(yán)寒地區(qū)防水混凝土不開(kāi)裂、不粉化，卷材不起鼓等，為今后嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路結(jié)構(gòu)保護(hù)層混凝土的技術(shù)改良積累了技術(shù)儲(chǔ)備和施工經(jīng)驗(yàn)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。