水工混凝土与高速铁路高性能混凝土释义

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摘要：做为拥有半个多世纪水电建设雄厚积淀的专业团队，面对国内高速铁路建设大规模发展的市

场，积极创建和积累适应建筑市场变化的能力，熟识水工混凝土和高速铁路高性能混凝土各自的特性显得尤为重要。本文通过对水工混凝土与高速铁路高性能混凝土特点、原材料及配合比三个方面将两种服务不同领域的混凝土加以简要的介绍

关键词：水工混凝土； 高速铁路；高性能混凝土；释义

Abstract: This paper introduced the hydraulic concrete and high performance concrete for high-speed railway, the characteristics of raw material and mixture ratio of three to two services in different areas of the concrete.

Key words: concrete; high speed railway; high performance concrete; interpretation

中图分类号：[TU528.36]文献标识码：A文章编号：

0 前言

水工混凝土是服务于用来挡水、泄洪、输水、排沙、泵站等水工建筑物的重要手段；为了达到防洪、灌溉、发电、供水、航运等目的，它除强度要求外，还要根据其所处部位和工作条件，分别满足抗渗、抗冻、抗裂（抗拉）、抗冲耐磨、抗风化和抗侵蚀等要求。高速铁路高性能混凝土是应用于时速≥250km/h新建铁路工程中桥涵、隧道和无砟轨道，是实现高速铁路工程高平顺、高稳定性、高耐久性及主体结构服役100年的重要保障。

1 水工混凝土、高速铁路高性能混凝土特性

1.1 水工混凝土的特性

1.1.1 工程量大、工期长

大中型水利水电工程的混凝土工程量通常都有几十万、几百万及上千万立方，从浇筑基础混凝土开始到工程基本建成蓄水（或第一台机组投产），一般需要经历3～5年或更多时间。为了保证混凝土质量和加快施工速度，必须采用机械化施工手段，选择技术先进、经济合理的施工方案。

1.1.2 高峡出平湖

水工混凝土施工多为大范围、露天高空作业，其工程多位于高山峡谷地区、偏远山区河道上；远离经济发达的城市，交通不变，施工运输和施工机械布置受到地形地质、水文气象等自然条件的限制，施工条件比较困难。

1.1.3 施工季节性强

水工混凝土施工，往往由于气温、降水、施工导流和拦洪渡汛等因素的制约，不能连续均衡施工。有时为了使建筑物能挡水拦洪或安全渡汛，汛前必须达到一定的工程形象面貌，因而使得施工的季节性强，施工强度高。

1.1.4 温度控制要求严格

水工混凝土多属大体积混凝土，通常需要采用分缝分块进行浇筑。为了防止混凝土（特别是基础约束部位的混凝土）温度裂缝，保证建筑物的整体性，必须根据当地的气温条件，对混凝土采取严格的温度控制、表面保护和接缝灌浆等技术措施。

1.1.5 施工技术复杂

水工建筑物因其用途和工作条件不同，一般体型复杂多样，常采用多种强度等级的混凝土。另外，混凝土浇筑又常与地基开挖、处理及一部分安装工程发生交叉作业，且由于工种工序繁多，相互干扰，矛盾很大。因此在设计和实施中，要很好分析研究各工序的衔接配合关系，分清主次，合理进行组织安排。

1.2 高速铁路高性能混凝土的特性

带状结构的高速铁路建筑物，往往要穿越不同区域，沿线温度、湿度、气候等条件变化较大；同时高速铁路一般修建在经济比较发达的地区，土地的大量开发及环境污染均对高速铁路高性能混凝土带来了挑战。作为实现高速铁路使用100年的主要承载者高性能混凝土所呈现特性如下。

1.2.1 高工作性

高速铁路高性能混凝土主要分为桥（钻孔桩、承台、墩身、梁体、桥面系）、涵洞、隧道（仰拱、侧墙、顶拱）、路基支承层、轨道板等，不同结构部位的高性能混凝土采用不同的入仓手段；所以不同性质的高性能混凝土的流动性、和易性、经时损失、泌水性、可泵性、凝结时间、粘性均应满足高工作性的要求。

1.2.2 体积稳定性

高速铁路高速度、高平顺的特点，必须依靠高性能混凝土高体积稳定性来实现。体积稳定性是高性能混凝土抵抗收缩（塑性收缩、自收塑、干燥收缩、冷收塑、化学收缩）等物理化学作用下产生的变形能力。

1.2.3 高耐久性

高速铁路跨线长，沿线受不同环境作用；要求高性能混凝土势必具备抗碳化、氯离子渗透、钢筋锈蚀、碱集料反应、冻融破坏、化学侵蚀、抗裂等耐久性能。要实现这些高性能混凝土耐久性除选用品质优良原材料外，应掺用矿物掺合料(粉煤灰、矿粉、硅粉)，充分发挥矿物掺合料的微珠效应、火山灰效应和填充效应，同时添加高性能外加剂等技术措施。

2 原材料

2.1 水泥

水工混凝土常用水泥有普通硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复核硅酸盐水泥等，抗冲磨防空蚀混凝土宜选用≥42.5强度等级的中热硅酸盐水泥、硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥；环境水对混凝土侵蚀时，应根据侵蚀的类型和程度选用高抗硫酸盐水泥、中抗硫酸盐水泥、硅酸盐水泥掺30%以上的Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰和矿渣；厂房结构部位的混凝土采用普通硅酸盐R型水泥。其品质均应满足GB175-2007《通用硅酸盐水泥》。

高速铁路高性能混凝土宜选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，不宜使用早强水泥。C30以下混凝土，可采用矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复核硅酸盐水泥。选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥因为两种水泥没有或含有少量的混合材，且碱含量均较低；对有效抑制碱-骨料反应有利，对于硫酸盐侵蚀环境能发挥积极作用；由于外加剂有较好的相容性对提高工作性创造良好条件等混凝土耐久性能都有较大的贡献。高性能混凝土所选用的硅酸盐、普通硅酸盐水泥品质除应满足GB175-2007《通用硅酸盐水泥》技术指标外还应符合表1中的要求。

表1 高性能混凝土对水泥的技术要求

2.2 掺合料（矿物掺合料）

水工混凝土常用的掺合料有粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉、磷渣粉、硅粉、岩粉和沸石粉等，其掺入混凝土中能改善新拌混凝土和硬化混凝土性能的粉体结构，从而达到改善新拌混凝土和硬化混凝土性能，提高混凝土工程质量、延长结构物使用寿命和节约成本的目的，同时有利于工程建设的可持续发展和环境保护。

在高性能混凝土中单纯使用水泥，不掺加粉煤灰、矿渣粉、硅粉和沸石粉等掺合料，则不具备高性能混凝土的品质。单纯的水泥水化反应生成物有水化硅酸钙、水化铁(铝)酸钙、氢氧化钙和水化硫铝酸钙等，其中的氢氧化钙和水化铝酸钙是导致混凝土耐久性差的根源，特别是氢氧化钙大片状结晶，在有水渗透的条件

下，被软水溶出（出现泛碱现象），造成软水侵蚀，同时导致混凝土孔隙率增大，抗渗性能、耐久性能及抗氯盐渗透性变差，更容易产生冰冻、盐冻、碱-骨料反应和钢筋锈蚀等破坏。设法减少或消除有损混凝土强度和耐久性的氢氧化钙大结晶体，是配制高耐久性高性能混凝土的关键。掺合料具有与水泥水化生成的氢氧化钙反应的特性；由于活性掺合料与氢氧化钙发生的反应比水泥滞后，称作二次反应，二次反应的生成物是水化硅酸钙和水化铝酸钙凝胶体，这种凝胶体不仅是提高混凝土强度主要矿物来源，而且是提高混凝土耐久性的重要载体。水工混凝土和高速铁路高性能混凝土常用的掺合料（粉煤灰、矿渣粉）其技术要求的对比分别见表2、表3。

表2 水工混凝土、高速铁路高性能混凝土用粉煤灰技术要求对比表

表3水工混凝土、高速铁路高性能混凝土用矿渣粉技术要求对比表

2.3 骨料

2.3.1 细骨料（砂）

配制混凝土所选用砂应为级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、孔隙率小的天然砂和人工砂，不宜使用山砂，禁止使用海砂。水工混凝土使用天然砂时细度模数宜控制在2.2~3.0范围内，使用人工砂时细度模数宜控制在2.4~2.8范围内。高速铁路高性能混凝土使用天然砂和人工砂其细度模数宜控制在2.3~3.0范围内，用于预制梁的预应力混凝土时，砂的细度模数宜控制在2.6~3.0范围内。水工混凝土和高速铁路高性能混凝土用砂的技术要求对比见表4。

表4 水工混凝土和高速铁路高性能混凝土用砂的技术要求对比

2.3.1 粗骨料（石）

水工混凝土使用的粗骨料应根据优质、经济、就地取材的原则进行选择。可选用天然骨、人工

骨料，或两者互相补充。选用人工骨料时，有条

件的地方宜选用石灰岩质的料源。成品骨料应分类堆放，防止污染；尽量减少转运次数；卸料时，为防止高差引起破碎，应控制料堆的高度。水工混凝土所用的粗骨料颗粒级配（圆孔筛）分：

5~20mm、20~40mm、40~80mm、80~120（150）mm四个粒径级。

高速铁路高性能混凝土使用的粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地坚固、线胀系数小的洁净人工碎石，无抗拉和抗疲劳要求的C40以下强度等级混凝土也可采用符合要求的卵石。应采用二级或多级级配骨料混配而成，分级采购、运输、堆放和计量。高速铁路高性能混凝土所用的粗骨料颗粒级配（方孔筛）一般分：5~10mm、10~16mm、16~31.5mm三个粒径级。水工混凝土和高速铁路高性能混凝土用石的技术要求对比见表5。

表5水工混凝土和高速铁路高性能混凝土用石的技术要求对比

2.4 外加剂

水工混凝土拌制需掺入少量（掺量一般不超过胶材用量的5%）的外加剂，以改善混凝土拌合物性能，提高硬化混凝土强度、耐久性性能和提高混凝土体积稳定性。水工混凝土常用外加剂有木质素磺酸盐类、糖蜜类、萘系和聚羧酸系减水剂，配制抗冻混凝土时应添加引气剂。水工混凝土所掺用的各类外加剂其品质均应符合现行的国家和有关行业标准。

高速铁路高性能混凝土应选用减水率高、坍落度损失小，能明显提高混凝土耐久性且质量稳定的产品，外加剂与水泥及矿物掺合料之间应具有良好的相容性，当将不同功能的多种外加剂复合使用时，外加剂之间以及外加剂与

水泥之间均应有良好的适应性。高速铁路高性能混凝土主要使用的外加剂有聚羧酸系减水剂和引气剂，其中聚羧酸系高性能减水剂技术要求见表6。

2.5 水

水工混凝土的拌和用水和养护用水，应符合国家饮用水的标准及现行的有关标准。地表水、地下水和其它类型的水在首次用于混凝土拌和养护时，应经检验合格后方可使用。未经处理的工业污水和生活污水不得用于混凝土的拌合和养护。

高速铁路高性能混凝土拌和用水应符合饮用水的标准，养护用水除不溶物、可溶物不作规定要求外，其他指标应符合饮用水的规定。养护用水不得采用海水。回收重复利用水的PH值、氯化物含量、硫酸盐含量和碱含量均应符合规定。水工混凝土拌和、养护用水和高速铁路高性能混凝土拌合用水技术要求对比见表7。

表6高性能混凝土用聚羧酸系高性能减水剂技术要求

表7水工混凝土拌合、养护用水和高速铁路高性能混凝土拌合用水技术要求对比

备注 高性能混凝土当处于氯盐环境下：氯化物含量＜200mg/L

3 配合比

3.1 水工混凝土配合比

水工混凝土配合比应满足强度、抗渗、抗冻、抗侵蚀、抗裂（抗拉）、硬化时体积变形小和浇

筑时良好和易性等性能要求。泄洪消能等高速水流部位的混凝土还应有抗冲耐磨的要求。由于水工建筑物工程量大，结构体积大，长期与环境水接触，坝体上游面水位变化幅度大，受干湿循环、冻融循环的破坏作用，过流面受悬移质、推移质及高速水流的冲刷磨蚀、气蚀，因而水工混凝土与其它行业混凝土在性能要求上有较大区别，水工混凝土配合比设计时除考虑混凝土所需的强度外，还需考虑低热性、耐久性、施工性能和料场骨料平衡等问题。

水工混凝土配合比设计原则是在满足设计要求的强度、密度、抗裂性、耐久性和施工和易性要求的条件下，经济合理地选出混凝土单位体积中各种组成材料的用量。水工混凝土配合比设计方法按《水工混凝土试验规程》SD105-1982中的规定进行。大体积的四级配（粗骨料最大粒径150mm）水工混凝土，因有高效减水剂和优质粉煤灰的贡献，最低胶材用量只有140kg/m3。

3.2 高速铁路高性能混凝土

高速铁路高性能混凝土配合比设计依据工程结构形式、环境作用条件和施工要求的工作性、混凝土强度等级和耐久性的要求，通过计算、试配、调整等步骤，确定出单位体积混凝土中水泥、矿物掺合料、粗细骨料、外加剂和单位用水量等个组成材料的质量比例。

选定高性能混凝土配合比应遵循的基本规定：⑴C30及以下混凝土的胶凝材料总量不宜高于400 kg/m3，C35~C40混凝土不宜高于450 kg/m3，C50及以上混凝土不宜高于500 kg/m3。（2）为提高混凝土的耐久性，改善混凝土的施工性能和抗裂性能，混凝土宜适量掺加优质的粉煤灰、矿渣粉或硅粉等矿物掺合料。不同的矿物掺合料的掺量应根据混凝土的性能通过试验确定。不同环境下混凝土中矿物掺合料的掺量宜满足TB10005-2010表8中的规定。

表8 不同环境下混凝土中矿物掺合料的掺量范围

备注 1、表中规定的掺量是指单掺一种掺合料的适宜掺量范围，复合掺用时应通过适宜确定。

2、预应力混凝土结构，粉煤灰的掺量不宜超过30%。3、严重氯盐、化学侵蚀环境下，粉煤灰的掺量应大于30%，或磨细矿渣粉的掺量大于50%。

4 结语

水电施工专业企业，除继续巩固水电建筑主营业务核心地位的同时，应大力拓展非水电建筑

业务。充分理解掌握水工混凝土与高速铁路混凝土二者的诠释，是适应市场变化，打入高速铁路建筑市场和取得一定竞争力的必要条件。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。