客运专线铁路桥墩流砂主要原因与防治措施
摘要:流砂是混凝土外观质量主要通病之一,最易出现在墩身等结构物表面,影响因素多,比较难以根治。结合客运专线成功处理桥梁墩身流砂的实践经验,主要介绍流砂形成原因与防治措施,为今后桥梁墩身流砂的防治提供借鉴。
关键词:客运专线;桥墩;流砂;泌水;防治措施
0引言
墩身由于横截面积较小且高度普遍偏高等结构特殊性,浇筑的混凝土轻微泌水都很容易造成表面流砂,外观质量相对难以控制。流砂作为混凝土外观质量常见通病,确实影响墩身美观也损害其内在质量,对混凝土的耐久性影响更不容忽视。目前,随着铁路客运专线建设的到来,主要结构物的设计使用年限达100年之久,如此之长的使用年限使混凝土耐久性问题已成为混凝土配合比设计的主要研究课题之一。由于混凝土耐久性对混凝土结构物内外质量提出了更高的要求,诸如混凝土结构物表面的流砂、裂缝等主要质量通病,更是必须根治的对象。从目前已开工建设的武广客运专线和合武客运专线所施工的桥梁墩身外观来看,流砂问题在很多施工标段广泛出现,防治相当困难,确实成为挡在广大试验技术人员面前的一个棘手难题。从分析问题入手,详细介绍笔者在武广客运专线I标、合武客运专线聂口段成功处理桥梁墩身混凝土表面流砂难题的实践经验,供大家参考。
1流砂墩身外观概述
从武广客运专线I标和合武客运专线聂口段桥墩表面流砂情况来看,墩身流砂严重时会造成表面大面积砂子外露或局部呈较宽长条状发育,手感粗糙,细砂一摸易掉;较轻时局部表面有虫蚀状条痕出没,呈小型块状或条带状发展,时多时少,整个墩身均有分布。另外,不流砂的墩身部分或部分不流砂的墩身,混凝土也常外露出一种水泥浆不足的状况,表面不具有固有光泽,少数流砂墩身还常伴有混凝土表面颜色不均(混凝土表面色斑)问题,与光滑如境的正常混凝土相比,是一种典型的病态混凝土。
2流砂主要原因
根据水分在混凝土中的存在状态,水分可以分为结合水、湿润水和自由水。在三种水中,只有自由水与固体材料的联系很少,这部分水也可称为可泌水分。从混凝土泌水机理来看,可泌水分泌出常见有三种形式:一种是粗细骨料的粒径过于悬殊,造成了石子沉底、浆体上浮;另一类是水泥浆与粗细骨料之间的离析,浆体沉底,水泥浆从拌合物中大量淌出,砂石裸落、松散,拌合物无黏聚性;第三种则是混凝土内部各组分密度不同导致的沉降与上浮,使得密度小的可泌水分最终逸出形成泌水。客运专线墩身混凝土为C30,水泥用量在360~400 kg/m3之间;I级粉煤灰掺量为水泥重量的30%;聚羧酸高性能减水剂掺量为水泥重量的0.8%;碎石为5~31.5 mm连续级配(5~16 mm占40%,16~31.5 mm占60%);砂为河砂,细度模数2.6~2.8,级配良好,砂率为36%~38%。工地墩身混凝土从性能上分,通常有两种类型:
(1)普通混凝土。坍落度一般小于80 mm,掺I级粉煤灰和聚羧酸高性能减水剂。常采用混凝土罐车运输,吊车吊装施工。
(2)泵送混凝土。坍落度大,一般在120 mm以上,掺I级粉煤灰和聚羧酸高性能减水剂,采用混凝土罐车运输,泵送施工。两种类型C30混凝土和易性都良好,初时保水性、黏聚性等条件符合要求,但在混凝土搅拌完后,静置半小时左右,就会出现慢性泌水,水量越来越大,从泌水快慢来看它是一种相当典型的滞后泌水。工地用此种混凝土施工墩身,开始施工没有明显泌水,慢慢边施工边泌水,水会不断从混凝土下部涌出,必须边舀边浇筑,否则,混凝土浇筑面会出现很深的清澈积水,影响混凝土的正常浇筑,严重时施工单位有时连人工舀水都来不及,只得采用抽水机抽水或在模板上钻眼放水,如此情况使施工单位很是困扰。通过实地调查认为客运专线桥墩流砂的焦点其实就是墩身混凝土泌水所致。
3泌水影响因素的确定
从客运专线混凝土用原材料来看,砂和碎石由于粒径、级配、含泥量等其他指标均符合标准要求,质量良好,绝对不存在质量问题,根本不具备引起混凝土泌水的基本条件,在确定影响因素时已排除在外。我们只重点考虑混凝土坍落度大小即单位用水量大小对泌水的影响,另外聚羧酸高性能减水剂、I级粉煤灰、水泥三种原材料,也是主要研究对象。为最终确定何种因素是混凝土泌水的关键,研究时我们对引起泌水的影响因素采用了逐一排除法。
3.1混凝土坍落度
由于两个施工单位当前都采用泵送混凝土施工,混凝土坍落度都基本维持在140 mm左右,为了鉴别单位用水量大小对混凝土泌水的影响,我们建议施工单位采用小坍落度施工墩身,以检查外观效果。施工时采用坍落度小于80 mm,混凝土罐车运输,吊车吊装施工工艺。施工时发现混凝土仍存在滞后泌水现象,但混凝土浇筑过程中确实泌水要比以前大坍落度好,舀水频率和涌水量,明显偏少,3 d后拆模,墩身表面大长条或大块状流砂基本得到控制,但虫蚀状条痕在墩身上下仍大量出没,出现了远看墩身效果不错,近看效果却很差的情形,由此说明,降低混凝土坍落度不是解决问题的主要原因。
3.2聚羧酸高性能减水剂
工地使用的聚羧酸高性能减水剂是一种高分子材料,各项指标经型式检验都符合标准要求,减水率在20%~25%之间,在混凝土中的掺量为水泥质量的0.8%,为减少混凝土泌水,我们采用了如下3种办法,检验对混凝土泌水的影响:
(1)降低掺量试验。这主要目的是降低外加剂的缓凝效果,缩短混凝土缓凝时间,以检验掺量大小对混凝土泌水的影响。
(2)外掺保水剂试验。通过外掺保水剂来调节和增强现有外加剂的增塑保水性能。
(3)更换外加剂。采用其它厂家相同类型外加剂进行试验。
以上3种方法,我们没有采用施工墩身试验,仅通过室内搅拌混凝土,拌合物在容器内静置数小时,观察其泌水情况,采用对比方法进行验证,发现依旧没有明显效果,外掺保水剂虽有一定轻微效果,但混凝土泌水仍很难遏制,可见从改良或更换聚羧酸高性能减水剂来达到控制混凝土泌水目的,是不现实的。
3.3 I级粉煤灰
I级粉煤灰作为一种外掺料,在很多文献中发现有引起混凝土泌水的记载,为此我们在对待粉煤灰的问题上,提出了以下方案:
(1)减少掺量。将粉煤灰掺量由水泥质量的30%下调至20%。
(2)用II级粉煤灰替代I级粉煤灰。
对于第一种方案,我们打了一根墩身,效果无明显好转。但第二种方案由于用II级粉煤灰替代I级粉煤灰,两种粉煤灰颜色差异较大,其中工地使用的I级粉煤灰颜色灰白,而II级粉煤灰呈深灰色,为确保用II级粉煤灰打出来的墩身不影响与其它墩身颜色的整体协调性,此次我们在拌和站旁空地上打了一根3 m高的小墩身。从打出的墩身外观效果来看,也没有很好解决流砂问题,同样排除了I级粉煤灰这一可能的影响因素。
3.4水泥
水泥为业主指定厂家的低碱水泥,所做各项指标合格。其中:武广客运专线I标为湖北阳新产华新普通硅酸盐32.5级水泥,合武客运专线聂口段为武汉亚东普通硅酸盐32.5级洋房牌水泥,两种水泥都是当地很有知名度的大厂水泥。由于前面几个因素都已排除,只有水泥有待验证,此次我们仍旧采用了多个方案来确定水泥对混凝土泌水影响的大小:
(1)加大每立方米混凝土水泥用量。将水泥用量每立方米增加30 kg。
(2)改普通硅酸盐32.5级水泥为同厂普通硅酸盐42.5级水泥。
(3)改用其它厂家的32.5级普通硅酸盐水泥。
由于两个工地基本同时出现流砂问题,我们制定的方案为尽量试验不重复,一个工地先试验一种,如有效,则同时再试验,到最终确定。在分别试验第一种和第二种方案时,发现混凝土泌水仍旧存在,拆模后的墩身外观也与以前一样,不理想。为此在改换水泥上,我们把它作为重点,其中:武广客运专线I标将湖北阳新产华新普通硅酸盐32.5级水泥,换为咸宁产中南牌普通硅酸盐32.5级水泥,合武客运专线聂口段为武汉亚东普通硅酸盐32.5级洋房牌水泥改为湖北武汉产华新普通硅酸盐
32.5级水泥,其它条件都和原来施工一致,不特意改变施工参数与工艺,经过为期4 d的试验,终于打出了光滑如镜的墩身,事实证明混凝土流砂问题出现在水泥本身,是墩身施工过程中使用了容易泌水的水泥。而第二种方案将普通硅酸盐32.5级水泥改为普通硅酸盐42.5级水泥,没有成功的主要原因是同厂家生产的水泥由于熟料相同,各项条件相互性能差异性小,只是强度增高而质量并没有根本性改变。
4水泥泌水的原因
水泥作为混凝土中一种重要的胶凝材料,客运专线业主确实相当重视,指定大厂优质水泥,再加上工地试验室对水泥的各项常规指标检测又都合格,从而很少有人怀疑它存在什么问题,事实证明它又确实与混凝土泌水性能密切相关。从水泥性能来看,水泥的凝结时间、比表面积或细度、颗粒分布都会影响混凝土的泌水性能。水泥凝结时间越长,水泥颗粒的沉降时间也越长,混凝土也就越容易泌水;水泥细度越大也即比表面积越小时,特别是当颗粒分布中(<5!m)含量的颗粒越少时,使得早期水泥的水化量少,越少的水化产物不足以封堵混凝土中的毛细孔,使混凝土中自由水很容易从下而上泌出。
客运专线混凝土用水泥,都是当地大厂生产的知名水泥,水泥质量相对有保障,但主要由于工地需求量很大,供不应求,有些厂家只好提高生产效率,引进带有高效选粉机的大磨,效率虽大幅增高,但由于选粉效率越高,引起水泥中细颗粒(<5"m含量的颗粒)减少,使得水泥易出现颗粒级配不良等问题。另一方面,也可能是来自厂家对水泥质量监控不严。通常水泥厂为了得到品质优良的水泥,对水泥原材料要进行严格把关,另外对CaO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等化学成分以及掺合料在水泥中的含量范围也要进行严格控制。但由于水泥用原材料出现紧张,质量参差不齐,再加上水泥的检测及质保体系又跟不上,水泥中矿物组分比例容易失调,易导致水泥细度、颗粒组成差异明显,从而最终影响了水泥的质量。
5确定水泥泌水的关键
施工时判断混凝土流砂是否是水泥引起的关键是:
(1)从黏性判别
如水泥拌制的普通混凝土松散、石子易裸露,同条件下用水量多,坍落度小,泵送混凝土和易性差易离析,如其它材料或配合比没有明显的质量问题,这就要考虑水泥的影响。但有时混凝土都掺有粉煤灰,和易性相对有所改进,经验不足者对混凝土质量判断会有一定的难度,这需要试验技术人员在发现问题时不断总结经验。
(2)从质量稳定性判别
一段时间内每批水泥性能差异大。检验时水泥物理性能和力学性能剧烈波动,有时合格,有时不合格,生产质量很不稳定。这就是工地上为什么采用同一厂家生产的相同品种水泥,使用同种配合比同样的坍落度浇筑的混凝土墩身,墩身表面有时无流砂或流砂很少,而有时又大面积流砂的原因。所有这些主要是由于厂家生产的水泥,生产工艺受限,很难保证水泥质量的长期稳定;另外有些由于原材料来源不同、质量差异等也易造成水泥质量不稳定。
(3)从墩身流砂外观判别
凡水泥质量问题引起的流砂都有一个明显的特征,就是无论坍落度大小,都有流砂,更为突出的是流砂出现的位置与其它原因引起的流砂很不一样。水泥问题引起的流砂会出现在墩身的任何位置,就是在墩身的下部,也会出现,并常伴有局部色斑,这与其它因素引起的流砂有本质的区别。
6结束语
(1)混凝土表面流砂,尽管原因复杂,影响因素多,但万变不离其宗,主要问题来自混凝土泌水,这一观点一定要树立。特别是且不要认为混凝土坍落度小或混凝土掺有粉煤灰,混凝土就不会泌水,没有必要去关注混凝土本身质量问题,导致出现流砂时却去怀疑混凝土振捣过度等次要因素,抓不住主要矛盾。
(2)影响混凝土泌水方面,水泥、砂率、粗骨料级配等任何一方面质量出现问题都可能导致混凝土泌水,尤以水泥质量影响最为显著。在解决此类问题时,要逐个分析,不要顾此失彼,以致影响整治效果。
(3)一些单位通过在混凝土中掺加矿粉、加大水泥和外加剂的掺量来减少单位用水量,以遏制流砂的办法,不但增大施工成本,更加大了施工难度,是一种典型的不经济且不实际的办法。
(4)在混凝土流砂问题的防治上,应深入现场进行认真调查分析,从混凝土配合比入手,检查配合比有无问题或错误,另外要加强对水泥等原材料的监测,出现问题逐步调整,直至问题解决。
实践证明,我们对客运专线桥梁墩身流砂的原因分析全面、实际,解决方法切实可行,值得同行借鉴。
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