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天津地铁掺加HE-P型抗裂防水剂混凝土 的抗渗性能研究
admin在2019-07-09发布 频道:行业资讯 标签:
     
摘要:一直以来,混凝土结构以其节能、经济、用途极为广泛等优点被广泛应用于现代建筑工程当中,但很多混凝土结构建筑却因耐久性不好的原因,使其在后期的使用过程中产生了诸多问题,增加了在服役期间的维修费用。所以应该重视研究服役结构的损伤评估方法,并根据服役结构在服役期间所提供大量宝贵的反馈信息,反过来促进设计理论的进步,使设计、施工和使用维护更趋于合理。
  提高混凝土的耐久性,不仅能够节约资源,避免后期带来的高额维修费用问题,同时,也有利于提高建筑结构的安全性。对于处在饱水地层和大城市复杂环境下的地铁建筑,长期受到严重地下水的影响,为了保证地铁的正常工作,必须采取防水措施。
  本文结合天津地铁1号线西站工程的实验研究,从国内外混凝土耐久性的现状入手,指出了目前国内外混凝土耐久性存在的问题,并分类介绍了地铁中的箱体混凝土的腐蚀类型,即:碳化腐蚀、氯离子的腐蚀、渗透腐蚀以及杂化电流腐蚀等。接着对混凝土耐久性检测及评估等知识进行介绍并指出提高混凝土耐久性的措施,并注重阐述了 HE-P抗裂型混凝土的抗渗机理。最终运用实验,论证了 HE-P混凝土在工程应用方面的可行性。

1 掺加HE-P型抗裂防水剂的混凝土抗渗性能试验研究
1.1  抗渗性能试验设计
  试验原材料的选择
  1.水泥
  选用P•O42.5普通硅酸盐水泥,由天津水泥厂生产。表1列举了水泥的各项性能指标:

表1 试验所用普通硅酸盐水泥性能
种类名称 混凝土强度等级及要求 试验条件
P•O水泥 4 2.5 室温() 2 1
试验项目 标准要求 试验结果
凝结时间 初凝 〉45min 155min
终凝 210min
安定性(沸煮法) 必须合格 合格
胶砂强度(MPa) 龄期 3d 28d 3d 2 8d
抗折   3.5 6.5 6.2 9.1
抗压   16.0 4 2.5 33.2 44.3
细度:80μm方孔筛余(%) 10 2.4
碱含量 Na2+0.6582 (%) <0. 6 0.4
  2.细集料
  细集料品种:选用河砂产地秦皇岛,||区中砂,筛余检测记录见表2:
表2 试验所用细集料性能
尺寸(mm) 10.0 5. 0 2. 5 1.25 0. 63 0. 315 0.16 细度 粗细程度
标准范围(%) 0 10〜0 25〜0 50〜0 70 〜41 92 〜70 100 〜90 2.54
实际累计筛余(%) 0 6. 2 14. 6 23. 6 52.2 83. 6 95 级配区 ||
试验项目 标准要求 试验结果
含泥量(%) 3 1.8
泥块含量(%) 1 0
  3.粗集料
  选取碎石作为粗集料,产地天津蓟县,5〜25mm连续级配,具体如表3
表3 试验所用粗集料性能
筛孔尺寸(mm) 25.0 20.0 16.0 10.0 5.0 2.5
标准要求(%) 0〜5 --  30 〜70 --  90 〜100 95 〜100
累计筛余(%) 4. 9 26. 1 62. 3 95. 8 98. 9 99. 3
检测项目 标准要求 检测结果
含泥量(%) 1 0.6
泥块含量(%) 0. 5 0
针片状颗粒含量(%) 15 6.8
压碎指标值(%) 16 7.3
  4.粉煤灰
  
粉煤灰,产地大港电厂,规格U级,性能见表4:
表4 试验所用粉煤灰性能
检测项目 技术要求 实测值 结论
细度(0.045mm筛)(%) 20 4 合格
需水量比(%) 105 86 合格
量 (%) 8 1 合格
(%) 3 1 合格
含水量 (%) 1 0 合格
  5.防水剂
  HE-P抗裂型防水剂,生产厂家:江西萍乡市特种建筑材料有限公司,其性能见表5
表5 试验所用防水剂性能
检测项目 标准要求 检测结果 单项结论
减水率(%)  -- 18.7 -- 
抗 度比 (%) 3d 90 151 合格
28d 90 137 合格
渗透高度比(%) 40 18 合格
含量 (%)  -- 195  --
限制膨胀率(%) --  0.037  --
1.2试验配合比的设计、试配与确定
  1.设计要求 在主体结构部位中:
  (1)加强结构自防水,采用防水混凝土,其抗渗等级不低于P8;
  (2)为提高混凝土的抗裂性能,增加其耐久性,在混凝土中掺入HE型抗裂防水剂;
  (3)主要应用部位主体结构顶板、边墙、底板、堵头墙以及顶纵梁、底纵梁。采用C30防水钢筋混凝土。
  (4)地铁用抗渗混凝土 C30 P8的具体要求:强度:C30,抗渗等级:P8,地铁用抗渗混凝土坍落度:100〜140mm,水泥最小用量不得小于320kg/m3,且要求泵送。
2. 配合比设计
  根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)进行配合比计算,结合工程需要及实际 生产条件,得出设计配合比见表6。

 
表6 试验设计配合比                         (单位:kg)
设计 水泥 碎石 粉煤灰 HE-P
配合比(kg/m3) 304 769 1108 67 182 22. 2
  据设计要求进行试拌,在对设计配合比调整后,得到了基准配合比A1见表7。
表7 试验用基准配合比     (单位:kg)
基准 水泥 碎石 粉煤灰 HE-P
配合比(kg/m3) 316 769 1107 69 169 23. 1
  然后,根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)中关于配合比的相关规定进行调整,各配合比组成材料如下见表8。
表8 试验用施工配合比
配比 混凝土配合比(kg/m3) W/C Sp
编号 水泥 碎石 粉煤灰 HE-P
A1 316 769 1107 69 23.1 169 0. 44 0. 41
A2 283 805 1111 62 23.1 169 0. 49 0. 42
A3 355 731 1097 78 23.1 169 0. 39 0 . 40

  3. 试配
  在试配过程中,按配比逐个进行试拌,做好试验记录并及时制作标准试件,以备抗压和抗渗标准检测。试验结果见表9。

表9试验用施工试配
配比编号 实测坍落度(mm) 现象描述
A1 140 和易性、粘聚性良好
A2 16 0 和易性较好,粘聚性稍差
A3 11 0 和易性较好,坍落度较小
  抗压性能检测:每个配合比均制作3组标准试件,在标养室养护3d、7d、28d后,检测其抗压强度值,记录见表10。
表10抗压性能检测表
配比编号 抗压强度值(MPa)
3d 7d 28d  --
A1 26. 4 34. 8 42. 6  --
A2 20 . 1 28. 6 35. 2 -- 
A3 3 0 . 4 38. 5 49. 7 -- 
1.3抗渗性能检测试验
  混凝土抗渗性能的高低直接反映出混凝土的耐久性能。混凝土抗渗等级是指28d龄期的混凝土标准试件不透水时所能承受的最大水压。抗渗标号为P8等级,表示1组6个试件中有4个未发现有渗水现象的最大水压0 . 8MPa。
  1.试验过程
  1)
 试验采用顶面直径为175mm、底面直径为185mm、高度为150mm的圆台形试块。成型后24h拆模,用钢丝刷刷去两端面水泥浆膜,然后在标准养护箱中进行养护。
  2) 当养护达到28d后,试块便没有必要再接着进行养护,此时应将试块取出,然后在自然条 件下晾干,接着在试块的表面涂抹一层密闭的材料进行防水处理,将其放在压力试验机上进行加 压,然后测定其抗渗能力。
  3) 实验中加压的初始值为0.8MPa,然后进行分级加载。
  4) 当三个试块的端面呈有水流渗出时应立刻停止加载。
  ①在试验过程中,如发现水从试块周边渗出,则应停止试验,重新密封。
  ②混凝土的抗渗等级计算公式
P=10 H-1                                                                (1-1)
式中P——抗渗等级;
  H——三个试块的端面呈有渗水现象时的水压。
  5) 混凝土抗渗性能试验所用设备应符合下列规定混凝土抗渗仪应能使水压稳定地作用在试块上;加压设置应是螺旋或其他形式,其加压以能把试块压入试块套为宜。
  6) 抗渗性能试验规定《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—20 11)
  ①试配要求的抗渗水压值应比设计值提高0.2MPa;
  ②试配时,宜采用水灰比最大的配合比作抗渗试验,其试验结果应符合下式要求

PtP/1 0+0.2                                                          (1-2)
式中A——6个中有4个不渗水时的最大压力值(MPa) $
  P——设计要求抗渗等级值。
  采用水灰比最大的A2配合比进行抗渗试验,经过试验水压达到1. 0MPa时仍未有试件漏水。 将6个试件剖面切开,平均渗水高度为5 0mm。通过对基准配合比的抗压强度和抗渗性能的检测, 结合试拌情况确定选用A1配合比,并对A1配合比进行抗渗试验复测,结果见表11。

表11 抗渗试验结果
强度等级 养护条件 试验条件
C3 S8 标准养护 温度(℃):22
检测结果
序号 渗水压力(MPa) 渗水情况 渗水高度(mm)
1 1.0 未漏 35
2 1.0 未漏 30
3 1.0 未漏 31
4 1.0 未漏 26
5 1.0 未漏 33
6 1.0 未漏 29
 
  由表11中试验结果可以判定,A1配合比完全能够满足设计配合比的抗渗等级要求。
1.4试验结果分析
  通过HE-P型防水剂在地铁工程防水混凝土中的应用,降低了混凝土的孔隙率,显著改善了混凝土的抗渗性能,同时,在保证混凝土一定坍落度的条件下,改善了混凝土的和易性,增加了密实度,达到了防水要求,保证了工程质量,也方便了现场的施工。
  1. HE P型防水剂抗渗效果与其他混凝土抗渗性能比较
  1)与粉煤灰混凝土抗渗性能比较分析
  我国煤炭资源十分丰富,国家日益开发各种火电项目,从而产生出大量的粉煤灰,大量的粉煤灰不仅占用大量的土地和水资源,也造成了十分严重的环境污染。根据辽宁工程技术大学关于粉煤灰混凝土的抗渗试验研究,得出的结果见表12〜表15。

表12 C30混凝土的抗渗结果
混凝土类别 龄期() 渗水时最大水压(MPa) 抗渗等级
1 2 3 4 5 6
NN (0%) 28 0. 7 0. 6 0. 7  -- -- --  P6
有、无渗水
表13 C30粉煤灰混凝土的抗渗结果
混凝土 龄期() 渗水时最大水压(MPa) 抗渗等级
1 2 3 4 5 6
FAC (30%) 28 0. 9 0. 8  -- 0. 9 --  --  P8
有、 水
 表14 C40普通混凝土抗渗试验结果
混凝土 龄期() 渗水时最大水压(MPa) 抗渗等级
1 2 3 4 5 6
NN (0%) 28 0 . 7 --  0 . 8 --  --  0 . 9 P8
有、 水
表15 C40粉煤灰混凝土的抗渗结果
混凝土 龄期() 渗水时最大水压(MPa) 抗渗等级
1 2 3 4 5 6
FAC (30%) 28 --  0 . 9  -- 10 --  1.1 P10
有、 水
   注:表中的0%表不没有掺加粉煤灰。
  根据试验所得的结果,我们可以分析出,混凝土抗渗性能和混凝土的强度等级有一定的关系,强度越高,抗渗性能越好。同时,通过试验,我们得到粉煤灰混凝土与普通混凝土相比具有更好的抗渗能力,究其原因是粉煤灰中的的粉煤颗粒填充在砂石之间,起到密封的作用,提高抗渗能力。
 
2 HE-P抗裂型防水剂在工程中的应用
2.1  HEP抗裂型防水剂在地铁高架桥箱梁中的应用
2.1.1  工程用混凝土原材料及配比设计
  1.工程所用原材料
  1)水泥性能
  该地铁工程所用水泥为天津振兴水泥有限公司生产的42. 5级的水泥。按照规范规定做成水泥胶砂试样后!测得水泥胶砂强度见表16。

表16 水泥胶砂强度
抗压强度(MPa) 抗折强度(MPa)
3d 28d 3d 28d
31.6 54. 3 7. 1 8. 9
  2)粗集料及细集料的选用 工程所用细集料采用天然河砂,河砂的表观密度是2500〜2700kg/m3;其堆积密度大约为1300〜1700kg/m3;河砂的孔隙率控制在35%〜45%之间。经过取样筛分后,测得其细度模数为2. 1,属于中砂范围,符合工程需要。
  地铁梁所用粗集料采用级配良好的碎石,其最大粒径为40mm,表观密度为2600kg/m3,堆积密度为1700kg/m3,孔隙率是38%。其中有害杂质如泥、云母、氯盐的含量均低于规范的限定值。
  3) 粉煤灰的选用
  粉煤灰主要来源于大港电厂,其规格和性能主要见表。
  4) HE-P抗裂防水剂
  HE-P抗裂型防水剂与1. 1试验所用的防水剂型号、生产厂家均一致,见表17。

表17 工程所用防水剂性能
检测项目 标准要求 检测结果 单项结论
减水率(%)   18.7 -- 
抗压强度比(%) 3d 90 151 合格
28d 90 137 合格
渗透高度比(%) 40 18 合格
碱含量(%)   1. 95  --
限制膨胀率(%)   0.037
  2.工程用混凝土配合比设计
  地铁工程对混凝土的抗渗性能要求很高,如何采用合适的方法提高混凝土的抗渗性对于地铁工程具有深远意义。根据上面试验的研究,我们初步确定混凝土中外加剂含量的控制范围,得出最终工程用的混凝土配合比见表18。

表18 施工用混凝土配合比设计
混凝土配合比(kg/m3) W/C Sp
水泥 碎石 粉煤灰 HE-P
316 769 1107 69 23.1 169 0. 44 0.41
 2.1.2混凝土施工质量的控制
  1.混凝土坍落度控制
  现场施工之前,对新拌合的混凝土坍落度进行试验分析,共进行了两组坍落度试验,得出的下试验结果见表19。

表19 工程用混凝土坍落度性能
编号 坍落度(mm)
Z1 110
Z2 130
  由于混凝土最大坍落度与最小坍落度均在规范规定的允许范围内!所以坍落度满足施工要求。 同时,由于石子的最大粒径为40mm,也满足泵送混凝土的施工要求。
2.现场混凝土浇筑控制
  在施工现场进行箱梁浇筑时,由于掺加了 HE-P抗裂防水剂的混凝土,使得混凝土的早期强度比较高,从而要求混凝土浇筑时必须连续浇筑,防止混凝土初凝而造成混凝土不连续。虽然HE-P抗裂型防水剂由于配有防渗减缩的有机物组分,加入HEA抗裂防水剂的混凝土黏聚性好,不易离析、泌水,因而可有效防止蜂窝麻面得出现,但是在具体的施工过程中,必须加强混凝土的振捣。 具体做到:
  1) 插入时要快,拔出时要慢,以免在混凝土中留下空隙。
  2) 每次插入振捣的时间为20〜30s左右,并以混凝土不再显著下沉、不出现气泡、开始泛浆 为。
  3) 振捣时间不宜过久,太久会出现砂与水泥浆分离、石子下沉,并在混凝土表面形成砂层,影响混凝土质量。
  4) 振捣时振捣器应插入下层混凝土 10cm,以加强上下层混凝土的结合。
  5) 振捣插入前后间距一般为30〜50cm,防止漏振。
  6) 三不靠:一指振捣时不要碰到模板,二是钢筋和预埋件,在模板附近振捣时,应同时用木锤轻击模板,在钢筋密集处和模板边角处,应配合使用铁钎捣实。

\
图1 掺加HE-P抗裂防水剂混凝土浇筑图
3. 混凝土强度的控制
  在地铁箱形梁进行浇筑的同时,相应的准备制作了三个立方体试块,从而可以测的混凝土的抗压强度是否达到设计要求。混凝土抗压强度结果见表20。
表20 混凝土抗压强度
配比编号 抗压强度值(MPa)
3d 7d 28d
A1 22. 7 32. 1 40. 8
A2 19.' 27. 2 32. 1
A3 2! 6 36. 5 44. 9
  由于混凝土 28d抗压强度值均大于30MPa,因此强度符合设计要求。
2.2抗渗性能分析研究
  为了快速测得混凝土的抗渗性能,在混凝土达到强度设计值后采用取芯法进行混凝土抗渗性能测试,该试验共取了两组试样进行研究。测试仪器采用瑞士 Torrent渗透性测试仪,对混凝土芯样剖面(混凝土芯样上表面与测试区中心的距离控制在5cm处)进行混凝土渗透性的对比测试。测试 所用试样分别为掺加HE-P抗裂防水剂的混凝土箱梁和未掺加HE-P抗裂防水剂的试验梁(图2、图3)。

\ \
图2 未掺加HE-P抗裂防水剂的试验梁 
图3 掺加HE-P抗裂防水剂的地铁箱型梁 
  TORRENT混凝土渗透测试仪的构造如图4所示。其渗透性测试方法为:
  1.通过渗透仪专用的快粘胶将仪器中的“测试腔”密封在混凝土取芯样的表面。
  2. 运行仪器,向“测试腔”中注水,当水压达到预期压力值(该试验所用的压力值为50kPa)时不再注水,随着混凝土对水分的吸收,“测试腔”内的水压不断下降,当“测试腔”内的水压下降到初始压力的40%时,应当迅速记录水压下降过程所消耗的时间(一般来说为5〜15min)。
  3.通过水压降低过程中,所消耗时间的长短在不同的混凝土之间对比分析。
  地铁箱型梁混凝土抗渗性能现场测试结果:
  第一组芯样测试结果图(图4〜图6)。

\ \
图4 渗透性试验仪   
图5 未掺加HE-P抗裂防水剂的抗渗试验结果
\
图6 掺加
HE-P抗裂防水剂的抗渗试验结果
  第二组芯样测试结果图(图7、图8)。
\ \
图7 未掺加HE-P抗裂防水剂的抗渗试验结果  图8  掺加HE-P抗裂防水剂的抗渗试验结果
  由最终的试验结果我们可以看出,第一组芯样中,掺加了 HE-P抗裂防水剂的混凝土其抗渗性比没有掺加HE-P抗裂防水剂的混凝土提高了接近30%。第二组芯样中,掺加了 HE-P抗裂防水剂的混凝土其抗渗性比没有掺加HE-P抗裂防水剂的混凝土提高了约29%.
  虽然通过快速渗透性测试方法得到的试验检测结果与标准抗渗试验存在一定的差距,但是通过对比试验分析,可以清楚地得出HE-P抗裂防水剂在提高混凝土抗渗能力中的作用。
  结论
  (1)当抗裂防水剂的掺加量控制在水泥重量的5%!8%之间时,混凝土结构密实,混凝土的强度可以得到明显的提高。
  (2)掺加一定量的HE-P抗裂防水剂有利于限制混凝土的收缩,减少混凝土中的空隙。
  (3)适量的HE-P抗裂防水剂能够显著提高混凝土的抗渗能力。
  (4)掺加HE-P抗裂防水剂的混凝土必须加强振捣。

3 结论
  随着工业生产的发展和人口的高度集中,大城市或都市区域的交通运输量逐年加速增长,直接影响着人们的日常工作和生活。为了解决城市交通拥挤,各大城市都将目光投向了具有高速、安全、可靠、准时、舒适、便捷等优点的地铁。但是地铁常年处于地下潮湿环境中,因此地铁工程对混凝土的要求较高,它不仅要求混凝土满足强度条件,还必须达到抗渗性指标。因此,发展地铁工程,必须解决好混凝土的渗透性问题。本文在结合天津地铁1号线西站工程的实验研究工作,根据工程的具体试验研究,并在综合对比其他抗渗型混凝土的基础上得出以下结论
  1. 本文经试验研究认为HE-P型防水剂应用于天津地铁工程中的防水混凝土,能够减小混凝土的水灰比,提高混凝土抗渗性能和抗裂性能。经过相关第三方检验,完全满足天津地铁腐蚀环境, 可应于天津地铁工程。
  2.  本研究认为,采用HE-P型防水剂配制的抗渗混凝土,能够改善混凝体内部的孔隙结构和内部微裂缝的数量,显著地提高了混凝土的抗渗性能1-2个等级,并能提高混凝土早期强度,同时具有较好的抗裂效果。
  3. 采用掺加HE-P型防水剂的混凝土能够在提高抗渗性能的基础上,提高混凝土的坍落度30〜40mm。
  随着我国城市化进程的不断发展,地铁工程会受到更广泛的关注。建议天津滨海地区等具有腐蚀环境的混凝土工程,采用HE-P型防水剂,可发挥其减水、抗渗、微膨胀、抗裂等综合功能,取得更好的技术经济效益。
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作者:杨方 赵志强 
信息来源:混凝土视频网

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