1、优秀论文、施工技术总结申报表21011题目 高速铁路抗冻混凝土含气量与强度的对立与统一技术研究作者姓名 孔艳艳 曾灵振 张海波工作单位 第二工程有限公司 工程名称 京沪高铁内容提要介绍抗冻混凝土的抗冻机理、引气 剂的作用，所采用的抗 冻 混凝土含气量与强度对应关系研究方法、得出的 结论，以及将 该技术研究成果 应用到京沪高速铁路一标段天津特大桥的情况，技 术研究成果的经济 性分析。 申报单位评审意见及推荐等级文章技术性强，论据充分，资料可靠，解决了施工中起决定性作用的关键工艺，有一定的社会 经济效益，具有广泛的指导作用。推荐一等奖（盖章）2010 年 11 月 9 日集团公司评审意见（盖章）年
2、 月 日高速铁路抗冻混凝土含气量与强度的对立与统一技术研究孔艳艳 曾灵振 张海波摘 要：介绍 抗冻混凝土的抗冻机理、引气剂的作用，所采用的抗冻混凝土含气量与强度对应关系研究方法、得出的结论，以及将该技术研究成果应用到京沪高速 铁路一标段天津特大桥的情况，技术研究成果的经济性分析。 关键词： 抗冻混凝土 含气量 强度 对立 统一1前言现阶段，我国已进入高速铁路建设高峰时期，各条客运专线、城际快速客运线及高速铁路设计均为使用100年的高性能耐久混凝土。混凝土结构耐久性系指由混凝土浇注成型的结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长期维持其应有性能的能力。耐久性能一般包括混凝土的抗裂性、护
3、筋性、耐蚀性、抗冻性等。我国长江以北地区除受到风蚀、化学侵蚀等外界劣化作用外，受影响最大的为冻融破坏侵蚀。特别是处于水位变动区的桥墩混凝土长期受水的冻融侵蚀，极易逐渐表面掉皮，近而整体破坏。抗冻混凝土应用到高速铁路上是越来越广泛。现阶段各线使用的混凝土不同程度的存在以下两方面的问题：（1）满足混凝土的强度要求，但满足不了抗冻性的要求。 （2）满足了混凝土抗冻性的要求，胶凝材料用量就远远高于同标号普通混凝土，增加了混凝土的成本。而我们知道影响混凝土的抗冻性的关键性因素除了水胶比和材料自身的抗冻性能外，最主要的影响因素是含气量。在一定范围内加大含气量不但可以提高混凝土的抗冻性，还能改善混凝土的和易
4、性、流动性、增大混凝土的体积，节约成本。但是含气量的盲目增大肯定是要降低混凝土的强度的，这无疑又造成了浪费。含气量对强度的影响到底有多大，呈什么规律，急需要我们去探索。我们于2008年初成立抗冻混凝土含气量与强度的对立与统一技术研究小组，就是认识到了含气量对于抗冻混凝土的重要性。2抗冻机理混凝土中水泥石内孔隙自由水的存在是混凝土产生冻害的原因，孔隙中的自由水反复冻融，对孔隙壁不断产生胀压力，最终使混凝土胀裂。要提高混凝土的抗冻融能力，需使混凝土内部尽可能密实，这就要求混凝土水比尽可能小，一般认为，非引气混凝土要达到较高的抗冻能力，水胶比应小于0.30。采用这种方式抗冻，不仅不经济，高水泥用量引
5、起的水化温升更不能令人接受。引气混凝土是通过混凝土中彼此互不相通的气泡抵抗冻融破坏，这些微小封闭气泡互不连通、均匀稳定分布在混凝土中。当孔隙内自由水冻结时，气泡被压缩，可减轻冰冻给孔隙壁带来的胀压力，融化时这些气泡可恢复原状，因此孔隙内自由水反复冻融也不致对孔壁产生很大的压力。只要引气量合适，普通强度的混凝土也可以获得非常高的抗冻性能。3引气剂的相关说明引气剂是一种能使混凝土在搅拌过程中产生大量均匀、稳定、封闭的微小气泡,从而改善混凝土和易性,并在硬化后仍然能保留微小气泡以改善混凝土抗冻融耐久性的外加剂。优质引气剂还具有改善混凝土抗渗性,以及有利于降低碱骨料反应产生的危害性膨胀,与减水剂及其他
6、类型的外加剂复合使用,可进一步改善混凝土的性能。在混凝土中掺人引气剂,引入大量均匀、稳定的微小气泡,能够有效改善混凝土的孔结构,是大幅提高混凝土耐久性的技术措施之一。 引气剂一般都是阴离子表面活性剂,它的憎水基是由非极性分子组成长碳链。在水气界面上,憎水基向空气一面定向吸附,在水泥水界面上,水泥或其水化粒子与亲水基相吸附,憎水基背离粒子,形成憎水化吸附层,并力图靠近空气界面。由于这种离子向空气表面靠近和引气剂分子在空气水界面上的吸附作用,将显著降低水的表面张力,使混凝土拌和过程中形成大量微细气泡。这些气泡有定向吸附层,相互排斥且均匀分布,而且阴离子表面活性剂在含钙溶液中,作为钙盐而沉淀,吸附于
7、气泡膜,使气泡更趋稳定。因此,混凝土在拌和时引入的气泡,能以较稳定的形式存在,又能使这些气泡的直径比较小而且均匀。使用引气剂的目的:气泡更容易产生,保证气泡能稳定存在。目前国内的引气剂主要有松香树脂类、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇类、非离子型表面活性剂。要实现含气量与强度的统一性我们必须寻找一种对混凝土流动性提高明显，与减水剂适配性良好，强度降低小的优质引气剂。经过多种对比，发现了属于非离子型表面活性剂的三萜皂甙类引气剂具有引入气泡细小、稳定、结构良好、强度损失小、水溶性非常好、与其他外加剂的复合性能好、有一定的减水和缓凝效果的优点。混凝土中掺入该种引气剂后，引入大量均匀、稳定的微小气泡，在混凝土中
8、起类似滚珠的作用，使混凝土的流动性大为改善，提高了混凝土的和易性，减少泌水和分离。由于和易性改善，可以降低混凝土的单位用水量，在水泥用量不变的情况下，可以弥补部分由于引气而致的强度损失。该类引气剂最为符合我们想实现含气量与强度的统一性的要求，所以我们研究小组采用掺加三萜皂甙类引气剂来控制含气量的大小。4含气量与强度的对应关系技术研究方法首先我们必须承认混凝土的强度和水胶比有着最为密切的联系，还受水泥的强度、矿物外掺料的质量，以及砂石料的含泥量、坚固性、级配等因素的影响。为了排除其他影响因素，我们采用了以下试验方法：采用相同的原材料，选定多种水胶比（矿物掺和料所占比例均相同） ，添加不同掺量的引
9、气剂，每组配合比的状态都调至和易性良好，流动性良好，以满足高性能混凝土的施工性为标准。分别将每组配合比新拌混凝土半小时实测含气量与56天标准养护强度值收集、整理以寻找含气量与强度的关系规律（因出机含气量会有所损失，所以采用搅拌后停放半小时的含气量作为研究对象） 。5含气量与强度的对立与统一技术研究结果5.1第一组试验结果第一组试验：水泥为鹿泉东方鼎新P.O42.5级；粉煤灰为山东聊城粉煤灰，F类，占胶材比例为25%；矿渣粉为唐山隆瀚，S95级，占胶材比例为15%；砂为易县河砂，中砂；碎石为满城碎石，531.5mm，二级配；减水剂为菏泽联强，LQ-2型聚羧酸高性能减水剂，掺量为胶凝材料的1.0%
10、；引气剂为菏泽联强，LQ-EQ型三萜皂甙类引气剂。第一组各水胶比配合比的半小时含气量与56天标准养护强度实测值见表5-1。表5-1 第一组各水胶比配合比的半小时含气量与56天标养强度实测值水胶比 0.30 水胶比 0.32 水胶比 0.34 水胶比 0.36 水胶比 0.38 水胶比 0.40 水胶比 0.42含 气 量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)2.6 47.7 2.4 46.7 2.6 45.2 2.1 45.4 2.6 45.6 2.6 45
11、.4 2.5 43.4 3.1 55.0 3.1 56.4 2.9 48.1 3.1 54.9 3.0 46.9 3.0 47.3 3.9 46.1 3.5 63.3 3.4 58.2 3.1 60.0 3.6 56.1 3.2 52.9 3.6 50.0 4.0 46.5 3.7 64.9 3.6 65.1 3.6 62.4 3.8 58.1 3.3 53.8 4.5 52.7 4.2 48.7 3.8 63.3 4.0 67.6 3.8 62.5 4.1 61.1 3.5 60.0 4.6 51.4 4.5 48.1 4.2 68.1 4.4 68.1 4.7 66.2 4.4 59.7
12、4.7 57.6 4.8 54.3 4.8 51.1 4.6 68.6 4.7 61.9 5.3 56.1 5.1 54.6 5.0 55.0 5.7 49.6 5.0 48.6 5.5 56.3 5.3 55.7 5.7 46.3 6.5 46.7 5.8 48.9 6.2 44.8 6.7 44.6 5.8 48.3 5.7 47.7 6.5 37.1 7.1 43.2 6.8 44.3 7.9 35.2 7.7 39.8 将各数据分别进行统计分析，发现存在一定规律，且最接近二次多项式函数，第一组含气量与强度关系见图1. 5.2第二组试验结果为避免一组材料对试验结果的片面性，我们又进行了不
13、同材料匹配的多组配合比，第二组试验材料：水泥为滨州山水P.O42.5级；粉煤灰为山东聊城粉煤灰，F类，占胶材比例为25%；矿渣粉为天津和国投，S95级，占胶材比例为15%；砂为卢龙河砂，中砂；碎石为蓟县碎石，531.5mm，二级配；减水剂为河北金舵，JD-9型聚羧酸高性能减水剂，掺量为胶凝材料的1.0%；引气剂为河北金舵，RB-10型三萜皂甙类引气剂。第二组各水胶比配合比的半小时含气量与56天标准养护强度实测值见表5-2。35.040.045.050.055.060.065.070.02.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0含 气
14、量 (%)强度(Mpa)水 胶 比 0.30水 胶 比 0.32水 胶 比 0.34水 胶 比 0.36水 胶 比 0.38水 胶 比 0.40水 胶 比 0.42水 胶 比 0.30水 胶 比 0.32水 胶 比 0.34水 胶 比 0.36水 胶 比 0.38水 胶 比 0.40水 胶 比 0.42图5-1 第一组混凝土含气量与强度关系图表5-2 第二组各水胶比配合比的半小时含气量与56天标养强度实测值水胶比 0.30 水胶比 0.32 水胶比 0.34 水胶比 0.36 水胶比 0.38 水胶比 0.40 水胶比 0.42含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强
15、度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)含气量(%)强度(Mpa)2.5 55.8 2.8 53.8 2.5 37.7 2.6 46.0 2.7 42.3 3.0 37.8 2.9 35.3 2.8 57.9 2.9 56.0 3.3 52.7 2.7 48.0 3.4 49.3 4.0 43.7 3.1 37.7 3.1 62.1 3.4 59.1 3.5 57.0 3.0 53.4 3.8 52.8 4.5 49.2 3.8 36.6 3.5 63.3 3.9 59.9 4.7 60.6 3.4 51.1 4.2 55.9 4.6 47.4
16、 4.6 45.8 3.9 63.3 4.0 61.0 5.0 59.0 4.0 52.2 4.3 53.3 4.8 50.3 4.8 44.7 4.1 63.0 4.1 59.4 5.4 55.0 4.3 54.6 4.4 52.7 5.4 51.4 5.2 45.3 4.2 61.8 4.5 57.6 5.8 44.9 4.7 55.8 5.1 48.6 5.7 49.6 5.6 41.8 4.6 58.9 4.6 56.0 6.1 41.6 5.2 49.5 5.5 51.3 5.8 45.2 6.3 39.6 4.9 56.7 4.7 55.8 6.3 38.7 5.5 46.7 5.
17、7 44.4 6.2 44.8 6.6 38.7 5.6 51.8 4.8 53.8 6.5 37.8 5.9 45.7 6.5 39.7 6.6 39.6 6.8 36.4 6.0 47.8 5.5 48.6 6.8 39.3 6.4 40.6 7.3 35.4 7.2 30.8 7.4 31.4 该组数据的含气量与强度的关系见图5-2.虽两组数据受材料影响，强度受含气量影响幅度略有不同，但由以上两组数据及图表我们可以得出以下结论：在一定范围内强度随含气量的增大而增大；达到最佳含气量后，强度随含气量的增大而减小；30.035.040.045.050.055.060.065.070.02.0
18、2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0含 气 量 (%)强度(Mpa)水 胶 比 0.30水 胶 比 0.32水 胶 比 0.34水 胶 比 0.36水 胶 比 0.38水 胶 比 0.40水 胶 比 0.42水 胶 比 0.30水 胶 比 0.32水 胶 比 0.34水 胶 比 0.36水 胶 比 0.38水 胶 比 0.40水 胶 比 0.42图5-2 第二组混凝土含气量与强度关系图越小的水胶比，强度受含气量的影响越明显；越大的水胶比，强度受含气量的影响越不明显；大水胶比的配合比最佳含气量略高于小水胶比的配合比。最佳含气量在3.8%至
19、5.8%之间。我们试验小组还进行了其他材料的交叉组合匹配，试验规律都与以上两组数据接近，就不再一一列举。6研究结果的应用根据我们的试验结果，验证了适宜的含气量不但可以提高混凝土的抗冻性、和易性，对强度不但没有降低还有积极的作用，而且越是水胶比小的混凝土（即高强度混凝土）含气量对强度的影响越明显，我们精确的控制含气量在适宜的范围内不但可以保证混凝土的抗冻性，改善混凝土的和易性，还可以提高混凝土的强度，大大降低混凝土的成本。我们将该研究结果应用在京沪高速铁路土建工程一标段中铁十九局承建范围内所有高性能混凝土配合比选定中。我们将工程上准备匹配使用的材料组合按工程上各部位所需的水胶比（经验水胶比）按以
20、上研究方法做出一整套的配合比，再从关系曲线中找出最符合设计、施工、耐久性要求且最经济的配合比。例如：京沪一标十工区、十一工区承建的天津特大桥2、天津特大桥3、天津南高架车架共需要C30、C35、C40、C45桩基配合比、C35、C40、C45的承台、墩身、垫石配合比。我们就配制0.42至0.32的水胶比（以-0.02为增量，共6个水胶比） ，参考我们得出的最佳含气量范围，将含气量控制在3.5%至6.0%，待56天强度出来后，根据各部位、各标号所需达到的试配强度和要求的含气量（桩基要求含气量为2%5%，抗冻等级为D2的墩身要求的含气量为5%）选取适宜的配合比。依据研究结果选取的配合比，再做抗冻性
21、及其他耐久性试验，没有不合格的情况，满足混凝土的强度、施工性的同时最大限度的控制了混凝土的水胶比，节约了成本，缩短了选定配合比所需的时间（以前我们做高性能混凝土配合比，常常是强度合格了，抗冻性不合格，再重新选定配合比，八、九十天已经过去了） 。而且，由于前期做了大量的工作，发现单独更换矿粉、砂、石料材料时，含气量对强度影响幅度没有太大变化，后期再单独更换矿粉、砂、石料时，利用以前的关系曲线图，可节约选定高性能配合比的大量工作和时间。在奥运会召开期间，北京、天津附近的砂、石料供应紧张，正是我们小组利用了该研究成果，快速选定配合比，使得更换砂、石材料没有影响到中铁十九局管段的京沪高铁的施工进度。铁
22、道部于 2009 年 8 月发布的“关于印发铁路混凝土工程施工质量验收补充标准混凝土分项工程原材料标准局部修订条文的通知”中，对减水剂的含气量要求改为小于等于 3%，即减水剂中不得再掺有大量引气成份。混凝土含气量的控制权由减水剂生产厂家变更为我们施工单位，我们生产混凝土时可以根据结构部位所需的不同含气量要求依配合比添加相应掺量的引气剂。使得我们可以更精确、更便利地控制混凝土的含气量，为我们以控制含气量来达到提高混凝土的抗冻性、节约混凝土的成本创造了有利条件。7经济性分析中铁十九局承建的京沪高速铁路土建工程一标段的天津特大桥 2、3、天津南高架车站，线路总长 30.066 公里。承台、墩身、预制
23、梁、现浇梁等有抗冻要求的混凝土 89.8 万方，含气量的控制至关重要。应用该研究成果平均每方能节约胶凝材料 38kg,节约成本 14.13 元。89.8 万方抗冻混凝土节约成本 1269 万元；桩基混凝土 57.9 万方，桩基混凝土虽没有抗冻要求但也可以利用该成果节约成本，平均每方可节约胶凝材料 45kg,节约成本 16.73 元。57.9 万方桩基混凝土共节约成本 969 万元。我国现已掀起高速铁路建设高潮，每年生产的混凝土达 25 亿方，若每项大规模的混凝土工程都能建立所用材料的含气量与强度的对应关系曲线，精确的控制混凝土的含气量，尽可能的消除含气量与强度的对立关系，建立含气量与强度的统一关系，对提高混凝土的抗冻性、耐久性、节约混凝土的成本有着不可估量的价值。参考文献1 浅析引气剂分类及其作用张保红
