大风、干旱、大温差地区高性能混凝土配合比和养护方式现场试验墩研究方案

大风、干旱、大温差地区高性能混凝土配合比和养护方式现场试验墩研究方案兰新铁路新疆高性能混凝土咨询工程部二〇一〇年五月1研究背景新建兰新铁路第二双线(新疆段)全长713.4km，设计时速350km／h以上，由中铁第一勘察设计院集团设计。该段沿线经过天山东脉北山南麓丘陵区，哈密、吐鲁番盆地北缘山前冲、洪积平原区，东天山博格多山南坡低中山区和准噶尔盆地南缘山前冲、洪积平原区等地区。新建兰新铁路第二双线(新疆段)穿越的地区气候环境较为恶劣，主要表现在以下几个方面：(1)线路穿越风区，风期长、风力大线路穿越百里风区、三十里风区等五大风区，区段内风速高，最大风速达60m／s；风期长，局部地段大于8级风的天数已超过200天。(2)沿线严重干旱缺水、蒸发量远大于降水量线路穿越地区严重干旱缺水，线路穿越的四个地区的年降水量均较小，年均降水量最大的准噶尔盆地南缘山前冲、洪积平原区年降水量为271.4mm，而哈密、吐鲁番盆地北缘山前冲、洪积平原区年均降水量仅为16.2mm，但四个地区的年均蒸发量均在2000mm以上，其中天山东脉北山南麓丘陵区年均蒸发量到达3301.6mm。(3)夏季高温、冬季低温、昼夜温差大线路穿越地区夏季极端气温均在30℃以上，最高到达47.7℃，而冬季极端气温又非常低，最低到达－41.5℃。因为夏季高温是由太阳直射造成的，晚上又受大风影响，气温降低较多，因此昼夜温差较大。2现场试验研究的必要性由于新建兰新铁路第二双线(新疆段)穿越区段具有大风、干旱和大温差三大特点，因此该线对高性能混凝土配合比的设计及施工后的养护方法要求较高。假设混凝土结构在施工完成后，不采用合理、有效的养护方式对混凝土进行养护，势必会导致混凝土内部水分大量向外散失，影响水泥和胶凝材料的水化，使混凝土强度增长缓慢。另外，由于大量的水分散失，会导致较大的枯燥收缩，在混凝土外表产生大量的干缩裂缝。裂缝的产生将导致混凝土结构抗冻性、抗渗性、抗化学腐蚀性以及抗风蚀性等耐久性严重降低，使混凝土结构无法满足设计的100年使用期限。传统的养护方式，如洒水养护又因为当地缺水，很难进行，为了防止这种情况的发生兰州交通大学提出了在拆模后的混凝土外表先包裹一层保湿膜，然后再包裹一层保温膜的混凝土双层包裹养护方法。兰州交通大学对所提出的双层包裹的混凝土养护方法的有效性在实验室进行了试验研究，模拟现场环境对混凝土进行了养护，并对其进行了强度和相关耐久性指标的测试。但由于现场环境条件较为复杂，加之又随时在发生变化，因此实验室无法做到精确模拟现场情况，所以选取具有典型气候和环境地区的典型桥墩进行现场试验，并对相关性能进行测试，对于验证和优化高性能混凝土配合比和该种养护方式具有重要意义。通过预埋在现场实际混凝土构件内的测试元件得到的测试数据，可以掌握混凝土在养护期间的温度和应力变化规律，确定该养护方式与混凝土配合比的适应性。另外，通过测试数据可以对配合比和此种养护方式进行优化和改善，在保证按实际配合比浇注的混凝土不产生裂缝的同时尽可能降低养护的经济本钱，对保证兰新铁路第二双线(新疆段)全段后续的混凝土工程质量及推广这种养护方式起到至关重要的作用。3现场试验拟研究的内容和目的3.1通过比照试验，确定配合比和双层养护方式的有效性以及相互的适应性在具有典型恶劣气候或环境的桥梁桥址附近，修建两座比照桥墩作为研究对象。两个比照试验墩分别采用临时配合比和优化后的配合比浇注。用临时配合比浇注的试验墩采用传统的包裹养护方式，即塑料薄膜+棉毡+彩条布。采用优化后的配合比浇注的试验墩采用双层养护方式，即保湿膜+保温膜的方式进行包裹养护。另外，在两种桥墩施工同时预留混凝土强度测试试件和相关耐久性测试试件。通过测试两种养护方式养护的混凝土结构外表裂缝开展情况、裂缝深度、裂缝宽度、强度、抗冻性、抗渗性、抗磨蚀性、抗化学腐蚀性等指标比拟两种养护方式的优劣，从而确定高性能混凝土配合比和双层养护方式的有效性以及相互的适应性。3.2监测混凝土的内外温度以及温度应力的大小变化规律，判断裂缝的产生试验墩混凝土浇筑前，在混凝土内部埋设温度测试元件和埋入式混凝土应变计或钢筋应力计等应力测试元件，测试混凝土浇筑完成后水化过程中及养护期间混凝土内外不同部位的温度变化、混凝土应力变化情况和规律，通过对混凝土内外温度的实时监控，了解混凝土内外温差的大小，判断是否会产生较大温度应力而导致混凝土结构产生温度裂缝。另外，由于混凝土拆模时要求混凝土芯部与表层、表层与环境的温度温差不宜大于15℃，在混凝土内部的温度元件可以提供准确的拆模时机。3.3监测混凝土外表枯燥收缩应力大小及变化规律，优化配合比和双层养护方式导致混凝土产生裂缝的原因较多，而3.2中的措施仅能确定混凝土水化过程中内外温差和养护期间外界温度变化产生的温度应力是否产生温度裂缝。而大风天气和强蒸发也会导致混凝土外表开裂(枯燥收缩裂缝)，为测试大风和强蒸发的影响，监控混凝土外表拉应力和温度的变化规律，由监控数据对高性能混凝土配合比和双层包裹的养护方式进行优化，如调整保温保湿材料厚度等参数，从而使混凝土配合比和双层养护方式更为有效和经济。4现场试验拟研究对象的选取根据新建兰新铁路第二双线(新疆段)穿越区段的气象资料，各方共同协商之后，经指挥部研究决定，现场试验拟选择四个环境条件极为恶劣的混凝土桥墩工程进行研究。(1)DK1451＋335十三间房特大桥十三间房特大桥位于十三间房，桥址处沟槽宽阔，宽约350m，深约20m，在两凸起的山坡之间。由于地处沙漠中，常年无水，加之大风的侵袭，地表覆盖的一层土呈褐色，寸草不生。十三间房附近为兰新铁路第二双线(新疆段)最大的风区，主要是风速高(最大风速可达60m/s)、风期长(据2002年至2007年大风监测系统资料统计，兰新线百里风区大风天数约131天)、季节性强(每年冬春交替季节大风最为集中，占全年大风天数的30%以上，风速也最大)、变化速度快(15～40分钟内风速可由0～5m/s迅速增加到19～20m/s以上)的特点。(2)D1K1567＋248跨X064县道大桥跨X064县道大桥位于鄯善附近，夏季温度很高、蒸发量比拟大的区段，极端最高温45.2℃，最冷月平均气温－10.7℃。(3)DK1735+68020—32M特大桥本桥位于吐鲁番市和乌鲁木齐市达坂城区境内，沿既有兰新铁路南侧向西，全长665延米，距离既有兰新铁路较近。本桥处于三十里风区，风区大风频繁，风力强劲，对铁路的修建影响很大。大风多集中在每年的春秋季节，最大风速大于40m/s，主导风向N100～500W。线路所经之处大风频繁，风力强劲、风速变化剧烈。每年8级以上的风期平均就达156天之多。(4)DK1831＋359跨乌鲁木齐河特大桥跨乌鲁木齐河特大桥位于准噶尔盆地南缘山前冲、洪积平原区，是兰新铁路第二双线(新疆段)冻季温度最低区段，极端最低温度－41.5℃，长达4～5个月的冬季寒冷期。5现场试验测试仪器、测点布置5.1现场试验测试仪器(1)裂缝测试仪器采用DJCK—2裂缝测宽仪读取裂缝宽度；DJCS—05裂缝测深仪读取裂缝深度；采用皮尺量测裂缝长度。(2)混凝土温度和应力测试元件混凝土桥墩内外不同部位的温度采用JMT型温度传感器测试，该传感器技术指标为：测试精度为±0.5℃，测量范围为－20℃～＋125℃，最高可达＋150℃，线性误差为±0.3℃。混凝土内部应力可采用埋入式混凝土应变计或ZX—416AT钢筋应力计测试，技术指标如下：1)量程±300MPa；2)灵敏度0.1MPa；3)使用环境温度－10℃～＋70℃；4)温度测量范围－20℃～＋110℃；5)温度灵敏度0.1℃；6)温度精度±0.5℃。混凝土外表温度和应力采用ZX—2XXX外表应变仪测试，其技术指标如下：1)量程±1200με；2)灵敏度1με或0.1Hz；3)测量标距GLZX—212CT型：128mm4)使用环境温度－10℃～＋70℃；5)温度测量范围－20℃～＋110℃；6)温度灵敏度0.1℃；7)温度精度±0.5℃。5.2测点布置(1)DK1451＋335十三间房特大桥试验墩测点布置十三间房特大桥处于百里风区，设计方对桥墩结构形式尚未确定。经与施工单位协商，该处试验墩采用矩形实体墩的结构形式，截面尺寸2×6m，墩高3～4m。温度测点沿桥墩高度共布置两个截面，一个截面布置在距墩底1.0m处，一个截面位于距墩顶1.0m处。应力测点沿桥墩高度共布置一个截面，位于1／2墩高截面。每一个截面的测试元件布置如图1所示。●混凝土温度和应力测点○混凝土温度测点单位：cm图1矩形试验墩测点布置平面图(2)D1K1567＋248跨X064县道大桥试验墩测点布置●混凝土温度和应力测点○混凝土温度测点单位：cm图2双柱式试验墩测点布置平面图经与施工单位协商，跨X064县道大桥试验墩采用兰乌二线施桥参03—6双线双柱式桥墩的结构形式，墩高3～4m。温度测点沿桥墩高度共布置两个截面，一个截面布置在距墩底1.0m处，一个截面位于距墩顶1.0m处。应力测点沿桥墩高度共布置一个截面，位于1／2墩高截面。每一个截面的测试元件布置如图2所示(外侧测点距混凝土外表5cm)。(3)DK1735+68020—32M特大桥经与施工单位协商，DK1735+68020—32M特大桥试验墩采用通桥2023(4301)圆端形实体墩的结构形式，墩高3～4m。温度测点沿桥墩高度共布置两个截面，一个截面布置在距墩底1.0m处，一个截面位于距墩顶1.0m处。应力测点沿桥墩高度共布置一个截面，位于1／2墩高截面。每一个截面的测试元件布置如图3所示。●混凝土温度和应力测点○混凝土温度测点单位：cm图3实体试验墩测点布置平面图(4)DK1831＋359跨乌鲁木齐河特大桥试验墩测点布置经与施工单位协商，跨乌鲁木齐河特大桥试验墩采用通桥2023(4301)圆端形实体墩的结构形式，墩高3～4m。温度测点沿桥墩高度共布置两个截面，一个截面布置在距墩底1.0m处，一个截面位于距墩顶1.0m处。应力测点沿桥墩高度共布置一个截面，位于1／2墩高截面。每一个截面的测试元件布置如图3所示(外侧测点距混凝土外表5cm)。6温度和应力测试元件的预埋模板安装前，施工单位要通知现场测试人员到场，指导测试元件和连接导线的布置。测试元件应按5.2节中的要求说明，牢固准确的定位。连接导线应合理平顺牢固的引致数据采收装置。在所有测试元件和连接导线布置完毕后，须进行整套设备的检测和调试。在确保所有测试元件都能正常工作的前提下，方可进行下一个工序的施工。7试验墩的施工7.1施工考前须知试验墩的施工过程中，除了要遵守铁道部和兰新铁路新疆公司的有关标准标准和文件外，还应注意以下方面。(1)场地的准备试验墩的场地要选在选定桥梁的桥墩附近，与设计桥墩应有相同的环境条件。因试验墩墩高3～4m，且不受上部荷载，只受自身的重力荷载作用，所以对地基的要求不高，但场地必须平整压实，并保证三通。场地准备好之后，报经现场测试人员查看批准后，方可进行下一工序的施工。(2)模板的安装模板安装前，施工单位要通知现场测试人员到场指导测试元件和连接导线的布置。施工过程中要严格按照模板的施工标准正确安装模板，确保混凝土拆模后的表观质量。(3)混凝土的配制按照选定的桥墩高性能混凝土临时配合比报告单和优化后高性能混凝土配合比准备试验所需的原材料，经现场测试人员检查无误后，由经过验收批准的混凝土搅拌站进行混凝土的拌合。(4)混凝土的运输考虑到运输过程中枯燥、大风、大温差环境的影响，混凝土拌和物运输时间建议应在满足《混凝土结构工程施工及验收标准》〔GB50204—1992〕规定的根底上适当缩短，建议满足表1的规定。从搅拌机中卸出后到浇筑完毕的延续时间，同样应考虑到运输过程中枯燥、大风、大温差环境的影响，建议应在满足《混凝土结构工程施工及验收标准》〔GB50204—1992〕规定的根底上适当缩短，建议不超过表2的规定。表1混凝土拌和物运输时间限值气温T〔℃〕无搅拌运输〔min〕有搅拌运输〔min〕20＜T≤30205010＜T≤2035650＜T≤105080－10＜T≤06595－20＜T≤－1080100表2从搅拌机卸出后到浇筑完毕延续时间混凝土强度等级延续时间－20℃＜气温≤0℃0℃＜气温≤10℃10℃＜气温＞30℃≤C3012011080＞C30908050在高温条件下，尽可能缩短运输时间，减少混凝土失水，宜采用混凝土运输搅拌车运输混凝土，可将运输距离缩短或采用行进速度快的运输工具；运输混凝土过程中宜慢速搅拌混凝土，采用间歇式搅拌，减少搅拌产生的热量，并注意运输过程中的防晒；在低温条件下，在运输过程种要有保温措施以防止混凝土热量散失。(5)混凝土的浇注首先，混凝土入模时要防止对预埋的测试元件的直接冲击和伤害，保证后续试验测试工作的顺利进行。其次，浇注时除了要遵守相关的施工标准外，要合理安排混凝土浇筑时间，以防止在最高气温和最低气温时浇筑混凝土。夏季，由于白天气温高、空气枯燥，因此应防止在白天气温最高时浇筑混凝土；夜间浇筑混凝土受风和温度的影响相对较小，且可在接近日出时终凝，而此时的相对湿度较高，因而早期枯燥和开裂的可能性最小。(6)拆模混凝土拆模的时间是以不影响混凝土质量为前提的，不得为了加快模板周转，提前拆模。混凝土强度到达要求后，且其外表及棱角不因拆模而受损时，方可撤除模板。拆模要按立模顺序逆向进行，不得损伤混凝土。拆模时，应采取逐段拆模、边拆边包裹的拆模工艺，防止混凝土在拆模过程中开裂。混凝土的拆模时间除需考虑拆模时的混凝土强度应满足规定的要求外，还应考虑拆模时混凝土的温度不能过高〔由水泥水化热引起〕，以免混凝土接触空气时降温过快而开裂，更不能在此时浇筑凉水养护。当混凝土强度满足拆模要求，混凝土拆模时，芯部混凝土与表层混凝土之间的温差、表层混凝土与环境之间的温差均不得大于20℃。拆模工作要快速有效，尽量缩短未包裹养护混凝土的裸露时间，并且不得影响或中断混凝土的养护工作。7.2制作混凝土试件数量每一个试验墩预留的混凝土试件数量，应按照所选取的高性能混凝土施工配合比的要求制作，但至少要到达以下数量：(1)150×150×150mm3立方体试件至少制作33块，分别用于测试标准条件养护和同条件养护两种养护方式下28d及56d的强度、28d及56d的电通量和56d的耐磨性；(2)100×100×400mm3棱柱体试件制作6块，分别用于测试标准条件养护和同条件养护两种养护方式下56d的抗冻性；(3)150×150×300mm3棱柱体试件制作12块，分别用于测试标准条件养护和同条件养护两种养护方式下56d的弹性模量；(4)抗渗性试件制作12块，用于测试标准条件养护和同条件养护两种养护方式下的抗渗性。(5)抗裂性试件制作2块，用于比拟标准条件养护和同条件养护两种养护方式下的抗裂性。8保温保湿膜的施工工艺应在混凝土拆模前，将养护所需的保温保湿材料准备妥当。当拆模工作结束后，立即进行保温保湿膜的包裹施工。两个比照试验墩分别采用保湿膜+保温膜和塑料薄膜+棉毡+彩条布的方式进行包裹养护。保湿膜要求产品的质量大于300g/m2，吸水率大于1000g/m2。保温膜要求导热系数小于0.034w/m.k，真空吸水率小于10%〕。其施工工艺如下：(1)模板撤除1小时前，将保湿膜浸水待用；(2)撤除模板后，快速将混凝土结构物外表清理洁净，构件边角部位应用刷子清理干净，清理工作宜在半小时内完成；(3)一个试验墩先用绳子每隔50㎝将浸水1小时以上的保湿膜捆绑固定在混凝土外表，搭接宽度不得小于30㎝，搭接处也要用绳子捆绑固定，包裹保湿膜的工作宜在半小时内完成，撤除模板后的混凝土外表要用保湿膜形成封闭的整体；再用保温膜包裹，保温膜搭接宽度不得小于20㎝，保温膜搭接处先用专用胶粘贴，然后用宽胶带密封并固定，胶带的宽度宜在5㎝以上，每隔50㎝要用宽胶带固定保温膜，包裹保温膜的工作宜在半小时内完成，保温膜要在土工膜外表形成封闭的整体；(4)另一个试验墩先用塑料薄膜包裹，再用棉毡包裹，最后用彩条布包裹，各种包裹材料的搭接宽度不得小于20cm；(5)当环境昼夜平均气温连续3d低于5℃或最低气温低于－3℃时，混凝土施工应按冬期施工考虑，此时除了上述的包裹措施外，还需按蓄热养护的方式进行混凝土养护(6)混凝土终凝后的持续保温保湿养护时间建议参照有关规定执行，但不宜小于2个月。养护期间混凝土的芯部与表层、表层与环境之间的温差不宜超过15℃9数据的收集和整理9.1浇注完桥墩混凝土后的数据收集(1)测试内容测试各桥墩内部混凝土的温度