轨道交通工程结构混凝土原材料控制指标
[摘 要] 地铁工程对混凝土的质量要求高，在原材料选择上也更为严格。 在苏州轨道交通工程地下结构混凝土特殊环境条件的调查与分析的基础上，确定了环境类别及作用等级，提出了系统的高性能混凝土原材料控制指标和原材料质量控制方法，为苏州轨道交通1号线工程配制高性能混凝土和保证工程混凝土质量提供了依据和保障。
[关键词] 轨道交通工程；高性能混凝土原材料；控制指标与控制方法；苏州轨道交通 1 号线工程
0引言
苏州轨道交通 1 号线，它起自天平山东边的灵天路站，终于金鸡湖东的钟南街站， 路线全长 26 km， 建设车站 24座，全线采用全地下施工，其主要目的是为了节约宝贵土地资源、 减少轨道交通对环境影响和保护苏州古城原有历史风貌等。该工程还同步建设轨道交通控制中心 1 座，总投资约 110 亿元，是苏州市投资规模最大、建设周期长和涉及面最广的综合性城市基础设施工程，建设轨道交通，是市委、市政府立足苏州长远发展作出的重大战略决策， 是预防和缓解城市交通难题关键性举措， 不仅有利于苏州历史文化名城保护， 而且将对全市经济社会快速发展起到巨大推动作用[1-2]。
苏州轨道交通 1 号线是该市投资巨大的城市基础设施和重要的生命线工程，因此作为该工程最主要的材料--结构混凝土， 其制备用原材料性能直接影响着抗裂、 耐久性能，决定着整个工程的服役寿命，这对于提高整个工程质量及其服役年限都是至关重要的。 本文在对苏州市轨道交通工程环境进行调研与分析的基础上， 开展了苏州轨道交通1 号线工程各部位结构混凝土用原材料控制指标研究 ，旨在为配制高性能混凝土和保证工程混凝土质量提供依据和保证。
1苏州城市轨道交通工程的环境条件
1.1 特殊环境状况分析
苏州市地处以太湖为中心的浅碟形平原东部， 地势低洼，其水系是在太湖平原的成陆、开发过程中，由天然湖泊、河道和人工开挖河道组合而成 。 基底岩体由泥盆系砂页岩、砂岩，石炭系砂页岩、灰岩，二叠系灰岩、泥岩，侏罗系火山岩系与白垩系及第三系半固结沉积岩组成。 多年平均气温 15.7 ℃，极端最高气温 40.1 ℃，极端最低气温-12.7 ℃，是典型的海洋性气候，高于微冻地区的气温要求，混凝土结构基本不受冻融循环作用的影响。
苏州地区潜水水位埋深 0.3 m～1.5 m； 微承压水或承压水水头的埋深分别为地下 3.0 m～8.0 m 和 3.0 m～10.0 m，并呈幅度不等的周期性变化； 轨道交通 1 号线的地铁车站和盾构隧道的埋深一般为 10 m～20 m，而计划建设或者在建的地铁线路的车站和盾构隧道在部分地段的埋深接近 30 m或更深。 因此，地铁车站和盾构隧道外表面的水压力较大，从而使得地下水和水中的有害介质渗透速度增大。
对我国地铁工程结构的地铁车站、 盾构隧道混凝土结构裂缝和渗漏情况调查结果表明，地铁车站的地下连续墙、内衬侧墙、 顶板和底板等不可避免会有一定裂缝和渗漏现象存在，盾构隧道管片接缝处也有不同程度渗漏，且处于特殊的干湿交替环境中。
苏州地铁车站运营期间的温度为 15 ℃～28 ℃，相对湿度为 40%～80%。 站台及站厅的相对湿度变化幅度较大，且CO2（二氧化碳 ）浓度较高 ，运营期间接近 0.15%；区间隧道及站台交界处的相对湿度变化幅度较小，且 CO2浓度较低。因此站台及站厅的混凝土结构容易发生碳化腐蚀破坏。
研究表明钢筋混凝土结构物在杂散电流的腐蚀作用下易被破坏。 如地铁工程运营期间以 1 500 V 直流对列车供电，地铁牵引供电的接触网或受流器产生的杂散电流较小，在 10 mA～100 mA 以下， 因而钢筋受到迷流腐蚀的作用很小。但是在个别结构部位和排流网局部（如各个变电所的回流点附近）仍存在杂散电流局部腐蚀的隐患。
根据以上分析结果， 苏州地铁工程混凝土主要的劣化因素有：水压渗透、开裂、碳化、杂散电流。
1.2 环境类别及作用等级确定
参照 TB10424-2010《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》[3]、GB/T 50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范 》[4]、CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南 》[5]、JTG/T B07-01-2006《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》[6]和STB/DG-010001-2007《地铁隧道工程盾构施工技术规程 》[7]的相关规定， 苏州市轨道交通 1 号线车站和盾构隧道混凝土结构按照环境类别及作用具体划分见表 1。
2车站结构高性能混凝土原材料控制指标
2.1 胶凝材料控制参考指标
（1）水泥
根据苏州轨道交通 1 号线工程混凝土主要的劣化因素及环境作用类别的分析，提出了考虑抗裂、耐久性设计的地铁高性能混凝土用水泥的技术要求，除满足《通用硅酸盐水泥标准》[8]（GB 175-2007）中硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的技术要求外，还就比表面积、细度（80 μm 方孔筛筛余）、碱含量、熟料中的 C3A 含量提出了具体的技术要求 ，如表 2所示。 说明如下：
①增加水泥比表面积的上限， 即不大于 380 m2/kg，主要考虑到水泥比表面积过大，将会产生高的水泥水化放热，该水泥所配制的混凝土收缩将会偏大， 也将会影响水泥与外加剂的相适应问题。
②水泥中的碱含量不是控制在 0.60%的低碱水泥范围内， 而是选取了≤0.8%， 这主要是为了增加水泥选择的余地，也可将水泥的碱含量控制在适当范围内，但当采用碱活性骨料时，水泥中的碱含量应严格控制≤0.60%。
③对熟料中的 C3A 含量提出了≤8%的上限要求，主要考虑到水泥 C3A 含量过大，早期将会水化放热速率较快，不利于主体结构大体积混凝土温升控制， 也会影响水泥与外加剂适应性。
（2）粉煤灰
苏州轨道交通 1 号线工程混凝土用粉煤灰除满足 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[9]（GB/T 1596-2005）的技术要求外，对细度（45 μm 方孔筛筛余）、需水量比、氯离子含量和含水率等技术指标提出要求，如表 3 所示。
具体指标说明：
①C50 以下混凝土的细度、需水量比、烧失量根据 II 级粉煤灰的技术要求提出，但为了提高混凝土性能，将细度从II 级粉煤灰标准的≤25%调整到≤20%； 将烧失量从 II 级粉煤灰标准的≤8.0%调整到 I 级粉煤灰标准的≤5.0%，这样对保证混凝土耐久性更有利。
②C50 及以上混凝土的细度、需水量比、烧失量根据 I级粉煤灰的技术要求提出， 但为了提高混凝土性能并考虑到苏州地区粉煤灰的供应情况， 将需水量比从 I 级粉煤灰标准的≤95%放宽到≤100%， 但将烧失量从 I 级粉煤灰标准的≤5.0%加严到≤3.0%，这样同样对保证高强混凝土耐久性更有利。
③与标准相比，增加了氯离子含量的限制，其指标参照《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 》4.2.2 粉煤灰的技术要求中对氯离子含量的限制给出。
（3）矿粉
苏州轨道交通 1 号线工程混凝土用矿渣粉除满足 《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T18046-2008)[10]的技术要求， 对比表面积氯离子含量等技术指标提出了具体要求，如表 4 所示。
具体指标说明：
①为了避免矿渣粉过细，比表面积过大，而带来矿渣粉水化过快，放热量过大，引起混凝土收缩加大，将其比表面积由标准中要求的≥400 m2/kg 调整为 350 m2/kg～450 m2/kg。
②将氯离子含量由标准中≤0.06%调整至≤0.02%的要求，其指标参照《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》4.2.3 矿渣粉的技术要求中对氯离子含量的限制给出。
2.2 骨料控制参考指标
（1）细骨料
苏州轨道交通 1 号线工程混凝土用细骨料除满足 《建筑用砂》（GB/T14684-2001）[11]和《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）[12]的技术要求外，对表观密度、堆积密度、空隙率、颗粒级配、细度模数、含泥量、氯离子含量和碱活性等关键技术指标提出了具体要求如下：
①用于配制高性能混凝土的砂应优先采用 II 区中砂，有利于保证混凝土密实性和提高抗裂性。
②《建筑用砂》中 II 类砂的含泥量指标和《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中 C55~C30 混凝土的含泥量指标分别为＜3.0%和≤3.0%， 但考虑到砂的含泥量对混凝土的抗开裂性能和耐久性均会带来不利的影响， 故对于本工程用 C50 以下混凝土的砂含泥量指标要求为≤2.5%，与《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》中的规定一致。对于 C50 以上混凝土含泥量指标取两标准对 C50 以上混凝土控制指标的平均值，要求≤1.5%。
③《建筑用砂》中 II 类砂的氯离子含量要求＜0.02%，而《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中规定 ：对于钢筋混凝土用砂，其氯离子含量≤0.06%，对于预应力混凝土用砂，其氯离子含量≤0.02%，本工程对所有混凝土均要求砂的氯离子含量≤0.02%，与《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》中的规定一致。
④细骨料的碱活性应采用砂浆棒法进行检验， 且细骨料的砂浆膨胀率应≤0.10%，否则应采取抑制碱骨料反应的技术措施。
⑤云母含量、轻物质含量、有机物含量和硫化物及硫酸盐含量等技术要求均与 JGJ52-2006 的规定一致，但根据设计要求，对于 C50 以上混凝土的云母含量应≤1.0%。
（2）粗骨料
地铁工程高性能混凝土用粗骨料除满足《建筑用卵石、碎石》[13]（GB/T14685-2001）和 《普通混凝土用砂 、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）的技术要求外，根据苏州轨道交通 1 号线工程混凝土主要的劣化因素及环境作用类别的分析，提出了考虑抗裂、耐久性设计的地铁高性能混凝土用粗骨料的技术要求。
①工程用粗骨料要求是连续级配， 如采用单粒粒级时应将不同单粒粒级粗骨料混合并满足连续级配要求时，方可使用；最大粒径不得＞31.5 mm，而对于 C50 及以上的混凝土不得＞25 mm。
②GB/T14685-2001 中 II 类石的含泥量指标为＜1.0%，I类石的含泥量指标为＜0.5%，而 JGJ52-2006 中 C55~C30 混凝土的含泥量指标为≤1.0%，C60 以上混凝土含泥量指标为≤0.5%，石的含泥量同样对混凝土的抗开裂性能和耐久性均会带来不利的影响，故对于本工程用 C50 以下混凝土的粗骨料含泥量指标要求为≤1.0%，C50 以上混凝土含泥量指标要求为≤0.5%，与《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》 中的规定一致； 泥块含量参照 JGJ52-2006 中对于C55~30 和＞C602 两种指标 ，提出 C50 以下混凝土泥块含量应不＞0.5%， 而 C50 及以上混凝土用砂的泥块含量应不＞0.2%。
③本工程对所有混凝土均要求碎石的氯离子含量要求≤0.02%，与《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》中的规定一致。
④粗骨料的碱活性应采用砂浆棒法进行检验， 且细骨料的砂浆膨胀率应≤0.10%，否则应采取抑制碱-骨料反应的技术措施。
2.3 外加剂
地铁工程高性能混凝土用外加剂除满足 《混凝土外加剂》[14]（GB8076-2008）、 《 铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2010） 和 《聚羧酸系高性能减水剂》[15]（JG/T223-2007）的技术要求外，对影响混凝土耐久性和抗裂性的关键技术指标提出要求，包括硫酸钠含量、氯离子含量、碱含量、减水率、含气量、泌水率比、坍落度保留值、抗压强度比和 28 d 收缩率比。
（1）外加剂的硫酸钠和碱含量均对混凝土的抗开裂性能不利， 而氯离子会诱发钢筋锈蚀， 而且外加剂中的硫酸钠、碱和氯离子都是直接可溶，其危害性要高于水泥、粉煤灰和矿渣中的硫酸钠、 碱和氯离子， 因此外加剂中的硫酸钠、碱和氯离子应严格限制。 高效型外加剂的硫酸钠含量、氯离子含量和碱含量参照 《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）中外加剂的性能要求提出，而高性能外加剂的氯离子含量和碱含量参照 GB8076-2008 混凝土外加剂提出。
（2） 根据目前市场外加剂的情况 ， 结合 GB8076-2008和 TB10424-2010 对减水率的要求， 提出高效型外加剂的减水率应 ≥18% ； 而高性能外加剂的技术指标依照GB8076-2008。
（3）由于含气量是改善混凝土施工性能和耐久性能较有效的措施，引气剂单独添加在搅拌站操作难以实施，因此含气量指标综合《混凝土外加剂》缓凝高效减水剂和《铁路混凝土工程施工质量验收标准》，对外加剂本身的含气量根据上述标准列出的上限和下限值确定， 即工程所用外加剂含气量控制在 4.5%±1.5%范围内。
（4）《混凝土外加剂 》 中缓凝高效减水剂的泌水率比为≤100%，为了减少泵送混凝土的泌水，参照《铁路混凝土工程施工质量验收标准》 中关于常压泌水率比≤20%的技术要求，本工程规定高性能外加剂的常压泌水率比≤50%，高效型外加剂的常压泌水率比依照 GB8076-2008 混凝土外加剂提出。
（5）压力泌水率比和 1 h 坍落度保留值均依照 《铁路混凝土工程施工质量验收标准》（TB10424-2010）指标提出。
（6）GB8076-2008《混凝土外加剂 》中高性能减水剂收缩率比指标规定为≤110%， 综合目前外加剂发展水平考虑，结合 TB10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》中关于 28d 收缩率比的规定，为减少混凝土干燥收缩，提高混凝土体积稳定性， 故本工程规定高效型外加剂 28d收缩率比应≤125%， 而高性能外加剂 28d 收缩率比应≤110%。
3地铁工程用高性能混凝土原材料的质量控制方法
高质量的原材料是制备高性能混凝土的基本条件，一般建筑用原材料，特别是砂石材料质量都不太高。如不合理选材、严格控制，就很难制备出高质量的具有百年使用寿命的结构混凝土[16]。 在混凝土原材料质量控制方面要求做到如下几点：
（1）各部门各个环节都要高度重视，充分认识到原材料质量控制的重要性，监理更要加强监督。
（2）根据结构设计要求广泛调查 、充分优选原材料 、严格控制材料来源。
（3）严格把好进料关 ，加强检查 ，做到按规定按批次试验，坚持质量第一，不合格的材料坚决不收。
（4）从混凝土耐久性考虑 ， 特别要控制好关键性能指标，如水泥的强度、凝结时间、安定性和碱含量，粉煤灰的细度和烧失量，砂石骨料的级配、碱活性、泥含量和泥块含量，外加剂的减水率、泌水率、凝结时间差和抗压强度比等。
（5）发现问题要及时解决，遇到使用不合格的材料要严肃查处。
4结语
苏州轨道交通 1 号线工程对混凝土质量提出了高要求，在原材料选择上也更为严格。本文调查与分析了苏州轨道交通工程地下结构混凝土特殊环境条件， 形成了较为完善的地铁结构高性能混凝土原材料质量控制指标与控制方法，在各个环节上层层把关，取得良好的实施效果，为高抗裂、 耐久的高性能混凝土在苏州轨道交通 1 号线工程中的成功应用提供了重要的基础保障， 对类似工程的高性能混凝土原材料的质量管理和控制具有一定的参考意义。
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京公网安备 11010202007575号