铁路客运专线高性能混凝土用水量的控制方法c

1、铁路客运专线高性能混凝土施工用水量的控制方法宿 万1 另本春2（中铁四局试验检测中心，安徽合肥，230023） 摘要：分析了混凝土生产中单位用水量波动原因，提出应通过对单位用水量的试验推断，实施对混凝土生产过程单位用水量的判定和监控；在单位用水量试验推断方法的选择上，推荐采用更加适合客运专线高性能混凝土质量控制特点和要求的单位称重法，同时对单位称重法的基本原理、试验步骤、结果判定方法、测试误差的影响因素以及在客运专线高性能混凝土施工现场的实测运用情况进行了介绍。关键词： 铁路、客运专线、高性能混凝土、单位用水量、单位称重法 1、前 言铁路客运专线混凝土工程采用耐久性设计，重要混凝土结构物要求保

2、证100年的使用寿命。因此客运专线混凝土施工必须采用高性能混凝土技术。首先，在配合比优化设计中，应以四性（耐久性、力学性、工作性、经济性）为目标，遵循四大法则（灰水比法则、混凝土密实体积法则、最小单位用水量、最小水泥和胶凝材料用量法则），选择最佳三比参数（水胶比、浆集比、砂石比），根据工程实际和设计要求，优化配合比设计。其次，混凝土必须采用自动化搅拌站集中拌和方式进行施工。每盘原材料称量偏差必须控制在允许范围内，同时必须对混凝土拌合物性能（包括坍落度、含气量和水胶比）进行检验。铁路工程施工以前只是少数规模较大的工地采用工业微处理机进行计量和配方的搅拌楼（站），大多数中仍然采用简易搅拌机甚至人工

3、铲拌的作业模式生产混凝土。近年来，虽然在客运专线工程施工中搅拌楼（站）的现代化的步子加快，但在工程实际中，还是普遍存在着混凝土质量波动大，甚至出现不能满足设计要求的现象，究其原因主要是搅拌楼（站）的混凝土生产监控乏力，特别是在混凝土用水量的控制方面。由于原材料波动、气候和运距等原因，混凝土的工作性需要调整，有时调整的幅度较大，但许多单位往往采用的是调控水量的办法，面对调控水量10 、20 乃至30kg 的变动，配合比的水灰比、灰浆量、砂浆量等都大幅度改变，导致整个混凝土内在配比关系发生严重扭曲变形。客运专线高性能混凝土的施工工艺与普通混凝土没有本质的区别，但高性能混凝土中粉煤灰用量较大，且掺有

4、高性能外加剂，大多工程掺用聚羧酸高效减水剂，由于混凝土的减水率较大，因此其对用水量的非常敏感，尤其混凝土坍落度对用水量的敏感性较强。因此在客运专线高性能混凝土的施工，对混凝土用水量的控制必须更加严格。总之，单位用水量是控制混凝土耐久性质量的一个关键性重要参数，它是混凝土配比框架的主要支柱。对混凝土生产中单位用水量进行严格监控，确保加水量准确，是确保混凝土的综合性能和实体质量的前提。 基于上述原因，根据在铁路客运专线混凝土工程施工的实践，本文在分析了混凝土生产中单位用水量波动原因的基础上，提出通过对混凝土拌合物单位用水量的试验推断，实施对混凝土生产过程单位用水量的判定和监控。在用水量试验推断方法

5、的选择上，根据客运专线高性能混凝土质量控制特点和要求，推荐采用单位称重法。2、单位用水量波动原因分析分析施工现场实际情况，影响混凝土所需单位用水量波动的原因主要有以下几个方面：（1）搅拌站计量设备不按规定进行标定或生产过程不定期校验，造成单位用水量计量不准确。（2）原材料质量变化，而混凝土配合比未随之调整，带来混凝土工作性能的波动。比如说砂率增减1 %、超塑化剂用量增减01 %（对胶凝材料总量的比率）都会增减约2cm 的坍落度；另外水泥和粉煤灰或矿粉细度与需水量发生变化、水泥的矿物化学成分改变、粗细集料吸水率与级配及泥含量波动、减水剂的掺量及其减水效果的变动等对混凝土拌合物所需单位用水量的变化

6、带来直接影响。（3）实际上，另人堪忧的还有存在的施工贪图省力，希望混凝土能接近“自流平”的过分要求的驱使，在施工中随意额外加水（许多搅拌楼调控水量的波动幅度都达到或超过20kg/ m3，最高的甚至超过30kg/ m3）的现象。（4）现场没有根据实际情况变化及时准确调整施工配合比，如雨雪天气候条件下或气候突然发生变化（包括温度），粗细骨料含水率波动很大，含水率的测定不及时或测定不准确，不能实现实时监测，不能及时调整用水量，造成单位用水量的波动。综上分析，（1）（3）原因都属于非正常因素，可以通过生产管理和技术管理的手段和办法加以消除，然而，第（4）条影响因素由于发生突然，偶然性强，变化快，无法预

7、测，同时受材料堆放条件、测试人员不足和测试仪器等条件的限制，无法保证和实施骨料含水率（特别是细骨料）的实时的准确的测定。3、单位用水量受试验推定方法31试验方法介绍通过前面分析可以了解，由于施工中存在着许多会对混凝土质量带来不利影响而无法预测的不确定因素，如不严格控制，劣质的混凝土拌合物或单位用水量严重偏离设计参数的混凝土，很有可能被直接用到混凝土结构物上，给工程质量带来了重大隐患。混凝土生产结束之后，在用于混凝土结构之前，无法预知新拌混凝土的质量是否与配合比组分相一致，成为许多工程诸多搅拌站混凝土质量控制环节的一个“瓶颈”。因此，如何对新拌混凝土工作性能进行即时测试，及时掌控新拌混凝土实际单

8、位用水量，实现对混凝土生产过程单位用水量的判定和实时监控，已成为混凝土生产质量监控的一个重要课题。目前国内外对新拌混凝土水灰比分析或单位用水量进行实时测试的方法有：（1）普通混凝土拌合物性能试验方法标准（GB/T50080-2002）中配合比分析试验。该方法用水洗分析法测定普通混凝土拌合物中四大组分（水泥、水、砂、石）的含量。杨华舒等人2001年一种快速监测混凝土质量的简便方法一文中也详细对试验方法和过程作了说明。该种方法也是目前国内标准规范所指定的混凝土拌合物性能测试方法，在对混凝土质量有严格要求的情况下进行采用，但此方法试验过程较为繁琐。（2）刘俊岩等人2002年9月采用英国Colebra

9、ng公司生产的FCT101新拌混凝土测试仪进行了相关试验，该方法是利用FCT101新拌混凝土测试仪上一个由主电机带动的可旋转探头，启动后将此旋转的探头插入新拌混凝土中，通过测试其探头扭矩得到一个相应的FCT（fresh concrete tast）值，同一批混凝土只要测试10个点便可以得出一个FCT平均值，FCT平均值再与通过预先输入的相关室内数据比较、分析，进行判定。该方法可以快速推断混凝土的水灰比和28天强度。（3）日本大约有以下几种测定混凝土中单位水量的方法。包括：1）干燥方法：烘干混凝土或砂浆来测定混凝土中的水含量。包括有干燥炉法、减压式干燥法、高频加热法、高频加热法。2）单位称重法：

10、测定单位体积混凝土的重量来计算混凝土中水的含量。包括含气量测定的高精度法和简易法、水中质量法。3）试剂浓度的方法：测定试剂在混凝土的水中的浓度变化的方法；4）中子方法：测定混凝土中水的氢的含量的方法；5）电容方法：测定混凝土中砂浆的电容，因为电容与混凝土中水的含量有关联；6）气旋分离法：测定从混凝土中分离出的水量。上述方法已得到日本混凝土协会委员会的认可.这些测定方法的特点见表1。测定混凝土中水含量判定标准包括以下几点(见图1)：1）如果单位体积新拌混凝土的测定水含量和设计的水含量之间的差距低于10kg/m3，这一预拌混凝土的质量可以接受；2）如果单位体积新拌混凝土的测定水含量和设计的水含量之

11、间的差距在1015kg/m3之间，这一预拌混凝土的质量也可以接受，但是配制混凝土的人员必须要查清楚导致水含量变化的原因；3）如果单位体积新拌混凝土的测定含水量和设计的水含量之间的差距大于15kg/m3，这样的预拌混凝土是不可以接受的。表1 测定混凝土中水含量的各种方法的特点方法试样试样数量测定时间(min)准确度干燥方法混凝土0.8L3097101%砂浆400g30-44 kg/m3砂浆400g15-5-0.5%混凝土0.5L3097101%单位称重法混凝土7L5-1010 kg/m3混凝土1L15-66 kg/m3中子方法混凝土1bucket72.73.2 kg/m3电容方法砂浆0.33L8

12、-3.43.4 kg/m3气旋分离法混凝土1L20-试剂浓度法混凝土1L2095105%Cl混凝土2L2097103%图1 新拌混凝土现场测试时水含量可以接受的标准32单位称重法基本原理和试验步骤由于混凝土生产过程的原材料计量中，各材料的计量值与设计定值存在着误差,混凝土的单位容重也随之产生变动。单位称重法是根据新拌混凝土单位容重的设计值与实测的容重的差值，求得混凝土的单位水量的变化量值。而单位容量质量变动与混凝土中的含气量相关，求得混凝土的单位水量的变化量值需要正确求得含气量对单位水量的影响。单位容重和含气量测定都与含气量测定有关，因此上面所述测试新拌混凝土的含水量方法单位称重法，又称含气量

13、测定法。 正常情况下，在混凝土生产过程的材料计量中,细骨料中的表面含水率的波动被认为是材料的计量误差主要方面。单位称重法测定新拌混凝土的含水量的前提条件是：混凝土生产时的水泥、粗骨料的计量基本正确；粗骨材表面水率测定基本正确；含气量测定时所用的新拌混凝土试料,必须出自同样配合比，具有代表性；单位水量的增减,主要源于细骨料表面水率的设定值和实测值的差异；使用材料的密度是已知的。我国客运专线铁路建设要求性能混凝土要求具有一定范围内的空气含量，而且是施工过程控制的必检项目，因此在进行空气含量检测的同时，正好可以采用单位称重法来进行新拌混凝土含水量的推定，无需另外附加工作量，加之该方法测试速度很快，在

14、5分钟内即可测定新拌混凝土的含水量。因此在客运专线铁路混凝土施工推行该测试方法，实现对混凝土生产过程单位用水量的判定和实时监控，既是可行、易行，也是非常必要的，这对混凝土施工过程中的质量控制势必具有重要的实际意义。（2）测定仪器含气量测定仪：由容器及盖体两部分组成。容器应由硬质不易被水泥浆腐蚀的金属制成，内径应与深度相等，容积为7L。压力表的量程为00.25MPa，精度为0.01MPa。振动台：应符合混凝土试验室用振动台JG/T 3020中技术要求的规定； 台秤：称量50kg，感量50g； 台秤：称量25kg，感量5g；橡皮锤：应带有质量约250g的橡皮锤头。（3） 混凝土含气量的测定：测试方

15、法执行GB/T 50080-2002 。混凝土含气量的测定值精确至0.1%。（4）单位含水量推断公式 单位体积质量含气量测定法是通过比较配合比表的单位容积质量r1和试验得出的单位容积质量r2来推断单位含水量。单位容积质量r1是除去空气之后计算出来的。 （1）其中：r1除去配合比表上的空气量（设计值）的单位容积质量；Mc配合比表上的混凝土1m3的质量；Air配合比表上空气含量（设计值）(%)；水泥浸水后的容积减少量（水泥粒子水湿润系数）（%）。每100/m3单位水泥量为0.1%,。 （2）式中：r2除去实验得出的空气量的单位容积质量；M2实测试料的质量（g）；V2试料的体积(升)。注水法V2=（

16、容器的体积注入的水体积）；无注水法V2=V3。V3填塞試料下容器的容量；Air试料实验得出的空气量（）。Air=测定空气含量骨料修正系数单位含水量的推定公式（严密公式）式（1）所示配合比表的上混凝土是含水的，实际单位容积质量r2如式（3）所示 (3)式中W是单位水量的误差（/m3）式（3）中的W，： (4)因此能够求出单位水量W，如下式（5）所示：(5)W推定的单位水量（/m3）；W配合比表上的单位水量（/m3）。单位水量计算式（简易公式）假定在現場推定單位用水量的事的話，推定式最好是盡可能簡略化。因此，使用（1）、（2）得出的r1、 r2。用式（6）所示的简便式来计算单位水量：W=W1+(

17、r1- r2)×:换算系数（=0.7） (6)4、单位用水量判定实例结合工程项目实际下面举例分析说明，该方法判定的先决条件是混凝土配合比需按照体积法进行设计，同时考虑混凝土的空气含量，具体如下：（1）无注水法测定混凝土含气量情况时：每(1m3)混凝土的配合表骨料修正系数()水(kg)水泥(kg)细骨料(kg)粗骨料(kg)含气量 ()1604007859864.50.3每1m3混凝土的质量(kg) 2331除去了空气量的容量(m3) 1.0(×0.001)×0.010.951配合比的単位容积质量(kg/m3) ÷2451含气量仪容器容量 (cc)6912

18、包含了盖子的含气量仪全部质量(g)6204测定质量(含容器) (g)22542测定量空气量()3.6试料中的空气量() 3.3试料的质量(g) 16338试料的空气量的容量 ×(1.0×0.01)6684试料的单位容量质量(kg/m3) （÷）×1,0002444单位水量的推定误差(kg/m3) ()×0.7 5推定単位水量(kg/m3) ()×0.7165判定:差值5.0（/m3）（规格范围±10/m3）,混凝土拌合物单位用水量判定为合格。注：水泥包括混合材，水量中包含外加剂剂量。（2）注水法测定混凝土含气量情况时：每(1

19、m3)混凝土的配合表骨料修正系数()水(kg)水泥(kg)细骨料(kg)粗骨料(kg)含气量 ()1606406958664.50.3每1m3混凝土的质量(kg) 2361除去了空气量的容量(m3) 1.0(×0.001)×0.010.9486配合比的単位容积质量(kg/m3) ÷2489含气量仪容器容量 (cc)6964包含了盖子的含气量仪全部容积(cc)7079包含了盖子的含气量仪全部质量(g)6230注水前的测定质量(容器包含) (g) 23156注水后的测定质量(容器包含) (g) 23255测定的含气量（%）3.3试料中的空气量() 3.0试料的质量(g

20、) 16926试料的容量 (cc) ()6980除去试料的空气量的容量(cc) ××0.01 6771试料单位容积质量(kg/m3) （÷）×1,0002500单位水量的推定误差(kg/m3) ()×0.7-8推定単位水量(kg/m3) ()×0.7152判定:差值=-8.0（/m3）（规格范围±10/m3）,混凝土拌合物单位用水量判定为合格。注：水泥包括混合材，水量中包含外加剂剂量。5、单位水量测定结果的主要影响因素（1）秤的最小称量和空气量的测定精度的影响试验研究表明，单位水量的测定精度受到称量秤的最小称量和空气量的测量

21、精度的影响。以下是试验实例：混凝土水灰比55.0,砂率43.0,单位水量155kg/m3,水泥的密度3.16g/ cm3,细骨料的表干密度2.59 g/ cm3,粗骨料的表干密度2.66 g/cm3。试验测试结果见表图2。误差因素单位水量的测定的测定误差试样重量测定+1g -0.1kg/ m3试样体积测定+1cc -0.3kg/ m3含气量的测定+0.1% -1.6kg/ m3图表2 称量秤的最小称量和空气量的测量精度的影响从图表2表结果可见,试料的体积误差对单位水量的误差影响,根据仅仅1cc 的误差,单位水量只有0.3kg/m3变动；如果空气量的测量精度0.1,最小感量为1g的秤,理论上混凝

22、土的单位水量测定精度在±2kg/m3以内。（2）材料的密度及计量误差的影响试验研究表明，由于水及粗骨材的密度的变动的影响很大,0.01g/cm3单位水量变化的测量结果产生约2.4kg/m3误差的（见图表）。如果单位水量的误差起因于在混凝土的生产阶段各材料的计量误差。被各材料计量误差在规定的容许范围内,单位水量的测量误差约在±2kg/m3范围内里。图表显示单位水量和各种主要因素的变动后测算的单位水量的关系，单位水量测算计量误差的影响约±5kg/m3；由于各材料密度的误差的影响，单位水量最大约有能产生±12kg/m3 的误差的可能性。误差因素单位水量的测定的

23、测定误差密度水+0.01g/m3 -2.4 g/m3水泥+0.01g/m3 -0.4 g/m3细骨料+0.01g/m3 -1.9 g/m3粗骨料+0.01g/m3 -2.4 g/m3称重值水+1% +1.5 g/m3水泥+1% -0.4 g/m3细骨料+3% -1.1 g/m3粗骨料+3% -1.9 g/m3图中：-密度测定误差 称重误差 图表3单位水量和各种主要因素的变动后测算的单位水量的关系6、现场实测以下是单位称重法测定单位水量在铁路客运专线无碴轨道板现场应用情况。6.1无碴轨道板混凝土设计要求 混凝土设计基准强度(Fck)：40Mpa（日本标准试块、龄期28天）；60Mpa（中国标准试

24、块、龄期28天）。 脱模强度(Fcd)：30Mpa（日本标准试块、龄期15h） 40Mpa（中国标准试块、龄期15h）。 混凝土拌和物要求:拌合物工作性良好，坍落度: 6±1.5cm，含气量3±1.0%。 混凝土耐久性要求：耐久性指标电通量小于1500库仑。6.2无碴轨道板混凝土原材料 水泥： P.52.5R；比重：3.15； 碎石：碎石525mm，采用 510mm及1025mm两种级配掺配（510mm：1025mm =2：8）；比重：2.61； 砂：河砂，细度模数2.8；比重：2.60； 水：拌和用水（可饮用水）； 外加剂 聚羧酸高效减水剂，比重：1.07。6.3无碴轨道

25、板混凝土配合比设计 选取强度变异系数为1.1，既有：设计强度：44.0（MPa）（日本标准试块）66.0（MPa）（中国标准试块）；脱模强度：33.0（MPa）（日本标准试块）45.0（MPa）（中国标准试块）。 根据强度灰水比关系式反推选定强度时所需水灰比为0.345，选定最终水灰比0.34。 用体积法计算基准配合比各原材组分用量mc=mw/（w/c） mc/c+ mw/w +ms/s +mg/g+0.01×=1ms/( ms +mg)×100= s，取=3.0，经计算得：mc =418kg mw=142kg mg =614kg ms =1198kg 选定的配合比经试验室

26、试拌和搅拌站试拌，确定理论配合比(见表4)表4 初选配合比试验日期年×月×日天气：；设计坍度.cm±.；设计含气量±混凝土配合比（每）：配合比编号W/CS/aSP/C单位量(Kg/m3)混凝土质量（Kg)单位容积质量（Kg)WCSGG2SP34341.0 1424186152409584.1823732446 现场配合比（每0.04）实测混凝土的质量（Kg)34341.0 5.68 16.72 24.6 9.60 38.32 0.167 2448 现场测试实例（选取其中4次抽检为例）试验日期年×月×日天气：；设计坍度.cm±

27、.；设计含气量±混凝土配合比（每）：配合比编号W/CS/aSP/C单位量(Kg/m3)混凝土质量（Kg)单位容积质量（Kg)WCSGG2SP34340.95 1424186152409583.9723732446 现场配合比（每0.04）实测混凝土的质量（Kg)34340.95 5.68 16.72 24.6 9.60 38.32 0.159 2445试验日期年×月×日天气：；设计坍度.cm±.；设计含气量±混凝土配合比（每）：配合比编号W/CS/aSP/C单位量(Kg/m3)混凝土质量（Kg)单位容积质量（Kg)WCSGG2SP34341.0

28、5 1424186152409584.3923732446 现场配合比（每0.04）实测混凝土的质量（Kg)34341.05 5.68 16.72 24.6 9.60 38.32 0.176 2445试验日期年×月×日天气：；设计坍度.cm±.；设计含气量±混凝土配合比（每）：配合比编号W/CS/aSP/C单位量(Kg/m3)混凝土质量（Kg)单位容积质量（Kg)WCSGG2SP34341.10 1424186152409584.6023732446 现场配合比（每0.04）配合比编号W/CS/aSP/C单位量(Kg/0.04m3)实测混凝土的质量（Kg)WCSGG2SP34341.10 5.68 16.72 24.6 9.60 38.32 0.184 2449接上表：结果分析：配合比编号W/CS/aSP/C实测单位容积质量（）推算单位水量（）差（）34340.95 2445143 -1 34341.00 2448141 1