高速铁路高性能混凝土原材料质量管理与控制技术王军;徐芬莲;刘中心;陈景;梅群;王峰;105-107+124
【机构】中建商品混凝土有限公司；武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室；
【摘要】高速铁路对混凝土的质量要求高,在原材料选择上也更为严格。结合武广客运专线武汉站工程,针对高速铁路高性能混凝土用原材料,提出较为系统的质量管理与控制技术。
【关键词】高速铁路；高性能混凝土原材料；质量管理与控制技术；武广客运专线武汉站工程；
0引言
自1964年日本建成世界上第一条高速铁路——东海道新干线后，法、德、西、意、韩等国家和地区纷纷跟进，在世界范围内兴起了修建高速铁路的浪潮，设计速度从200km/h提高到350km/h，列车运行速度实现了历史性的跨越，社会经济效益显著。高速化已成为当今世界铁路发展的共同趋势。2003年10月，中国第一条高速铁路——秦沈客运专线正式通车，标志着我国开始迈向高速铁路时代。[1]根据中长期规划，至2020年我国将建成以“四纵四横”为干线、城际和区域线路为辅的高速铁路网，涉及新建站房达200座，武广客运专线新建武汉站工程就是其中之一。
1工程概况
武广客运专线武汉站工程作为我国四大客运专线枢纽之一，位于湖北、湖南和广东境内，全长约1068km，投资总额1166亿元，设计时速350km/h，试运行最高时速达到394.2km/h。该工程在建筑结构设计上采用了国内首创上部大型建筑与下部桥梁共同作用的“桥建合一”的新颖设计理念。站房总建筑面积为33.2万m2，建筑总高度59.3m。该工程混凝土耐久性要求为100年，工程施工质量必须达到结构安全、使用功能以及耐久性能的设计要求，主体结构质量实现零缺陷，满足设计使用年限内正常运营的需要，是我国目前里程最长、技术标准最高、投资最大的铁路客运专线，是我国铁路建设史的一个里程碑。
武广客运专线新建武汉站站房混凝土总方量共计60万m3，均要求使用高性能混凝土，且大部分为饰面清水混凝土，对混凝土的质量要求高，原材料的选择必然更为严格。优质的原材料是配制高性能混凝土的重要基础与保证，因此必须根据工程性质、设计要求和施工现场条件，合理选择原材料的品种、质量和用量。本文结合武广客运专线新建武汉站工程，针对高速铁路高性能混凝土用原材料，提出较为系统的质量管理与控制技术，提出了配制高性能饰面清水混凝土的原材料性能指标。在高速铁路大规模建设的现在，希望对类似项目能起到参考和借鉴作用。
2原材料质量管理与控制技术
铁路工程设计与施工时，突出工程结构使用年限内正常运营的安全性能，这要求工程结构具有高的耐久性和安全性，而原材料性能是决定混凝土质量的直接、重要因素之一。因此，原材料严格按照铁路标准《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》(铁建设[2005]157号)或相关国家/行业标准进行控制，坚持做到“先检测，后使用”的原则，杜绝质量不合格材料用于工程建设。为了确保用于工程建设的原材料合格，应充分考虑试验周期和可能出现的原材料变化，尽早地开展原材料选定和混凝土配合比的设计工作。本文主要采取以下技术措施与管理手段加强对高速铁路高性能混凝土原材料质量的控制(以下表1~表6中未列出的各种原材料相应的其它检测项目，严格按照铁建设[2005]157号或相关国家/行业标准进行控制)。
2.1胶凝材料
虽然胶凝材料(包括水泥、粉煤灰、矿粉等)在混凝土中用量仅占20%左右，但却是混凝土性能的重要保证。胶凝材料的品质和供应的稳定性是控制高性能混凝土质量的关键。
(1)水泥
水泥是胶凝材料中的核心组分，其性能直接影响混凝土的质量，选用质量波动小、安定性好、碱含量低、与混凝土减水剂适应性好的水泥。不可过分强调水泥早期强度，应重点控制水泥碱含量，水泥的碱含量高容易引起混凝土的开裂。因此，要选择质量和供应比较稳定可靠的大型水泥公司生产的低碱水泥。
结合武汉地区的市场情况以及各个厂家的产品技术指标检测情况，我们筛选出三个厂家的水泥，经市场、保供、技术服务等方面的综合分析，选用江西某水泥厂的P·低碱水泥，并且将该厂位于武汉江边的一处2000吨中转库专门用于本工程的水泥存放，以便于质量控制以及保供。水泥的技术性能指标控制标准如表1。
本工程中水泥在使用前，坚持检查厂家的自检报告，如出厂合格证、3d的强度报告、各种矿物成份含量的报告，通常还应有化学分析的检验报告，手续齐全后才允许入场。水泥入场后即进行抽样检查，对标准稠度用水量、凝结时间、安定性、细度、强度等性能进行常规检验，检验合格后才进行充罐储存，严禁“先用后检”或“边用边检”的原材料管理方式。
高速铁路站房混凝土属于大体积混凝土工程，混凝土内部胶凝材料水化反应所放出的热量易导致混凝土结构的内外温差过大。因此，在一定的水胶比下，选择低水化热的水泥是从内因上解决大体积混凝土的温控裂缝问题的主要途径之一。本工程严格检测了所选水泥的水化热，确保混凝土的水化温升在允许范围内，不影响工程质量。
国家及行业相关标准对水泥的出厂温度并无具体要求，但是使用高温水泥，对混凝土的性能会造成诸多的不利影响，如：坍落度损失快，容易产生温度裂缝等，所以在夏季高温时，本工程严格控制水泥的入罐温度不得超过65℃，杜绝使用高温水泥。在水泥降温等待的过程中，很容易出现混凝土生产时水泥供量不足的情况，因此采用大型的水泥中转库对水泥进行预期散热，既能避免使用新批次高温水泥，又能够做到水泥的及时抽样检验，并确保水泥的供应。同时，为保证水泥的供应和质量稳定，不定期到水泥生产厂家查验，确保使用材料是由指定厂家、指定产地配送。
(2)粉煤灰
粉煤灰是混凝土中常用的掺合料之一，优质的粉煤灰可以起到减水、致密和匀质作用，促进初期水泥水化的解絮作用，改善拌和物的流变性质、初始结构以及硬化后的多种性能，尤其对泵送混凝土，能起到良好的润滑作用。其火山灰反应放热量远小于水泥水化放热量，代替部分水泥，可以减小混凝土因水化热引起的温升，对防止混凝土产生温度裂缝十分有利。
粉煤灰的主要技术指标有：细度、烧失量、需水量比等，应选用色浅、需水量小、烧失量低的优质Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰，其技术指标控制标准见表2。
对于粉煤灰和矿粉，当材料进场时，除了按批次地进行见证检测外，每车都必须自检，只有需水量比、细度、烧失量的技术指标检测合格后才能入罐。
2.2集料
集料是混凝土中所占比例最高的材料，其质量的好坏对混凝土拌和物工作性能及硬化后混凝土的各项性能都会产生重要的影响。选择集料时，尽量选用非活性(碱-硅酸反应砂浆棒膨胀率≤0.10%)的集料，避免发生碱—集料反应，如果采用活性集料，必须严格控制混凝土中的碱含量，混凝土根据所处的具体环境条件差异，其碱含量不得超过3.0~3.5kg/m3。当集料的碱-硅酸反应砂浆棒膨胀率在0.20~0.30%时，混凝土中应掺加具有明显抑制效能的矿物掺和料和外加剂，并经试验验证抑制有效[2]。
粒形良好、坚固清洁、级配合理的优质集料能形成空隙率低的密实集料骨架，可以很好地起到骨架增强作用和体积稳定作用。在相同工作性能要求的条件下，粒形良好、级配合理的集料，可以减少填隙胶浆的用量。由于单方混凝土胶凝材料用量减少，从而减少了混凝土中水泥水化产生的热量，起到控制混凝土温度变化的作用，并且有效地保证混凝土的匀质性、力学性能、体积稳定性和耐久性等。
本工程粗集料选用级配合理、粒型良好、质地均匀坚固、线膨胀系数小的洁净碎石。细集料选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小、细度适中的洁净天然中粗河砂。其技术指标控制标准见表4~表5。
由于集料对混凝土质量影响显著，并且不同批次的集料质量波动较大。为了更好地控制原材料质量，本工程针对集料的质量管理技术措施提出了三个“必须”。
(1)所选择的供货商必须满足以下要求。
①骨料的粒型对混凝土用水量影响较大，并且影响混凝土的力学性能和耐久性能，为保证混凝土质量，粗集料必须用反击破设备进行生产，所用筛子必须符合标准要求(筛分析试验所用的筛子为圆孔筛)，以保证碎石的规格和粒形能够符合要求；
②供货商必须有自己的专用码头，并且具备一定的材料储存能力，以避免材料供应紧张时可能出现的质量较大下降的现象；
③为保证碎石的洁净度，即降低碎石的含泥量和泥块含量，碎石必须通过两次清洗，即碎石从山上装船前必须通过一次清洗；碎石装车前必须通过带有震动筛设备的清洗器进行二次冲洗；
④河砂装车前要通过20mm的震动筛以筛除较大的卵石和其它的杂质，使用前检测河砂的含石率(大于9.5mm的颗粒含量)，根据含石量相应调整混凝土配合比。若要求供应商将河砂通过9.5mm的震动筛，实施较为困难，因此结合实际情况，要求供应商将河砂过20mm的震动筛。
(2)质检员必须严格遵守以下制度。
①贯彻源头把关制度。具体来讲，对于河砂和船石(或山石)，技术科应经常派质检员去装运码头(或采石场)进行初步控制，每船材料到达码头后，质检人员去码头进行材料的入场前目测及取样检验，并要求供应商对碎石必须清洗干净方可进场。此项工作一是可以提高对原材料初步质量控制，二是确认原材料供应的紧张程度；
②实行技术科与材料科联合验收质量制度，客观填写“合格供应商评定表”；
③原材料进场验收，当班质检员必须严格把好质量关，坚决执行对不合格材料进行退场处理。
(3)材料进场前必须检验
集料进场前每车必须先目测，目测不合格拒绝入场。目测合格入场后，还要进行抽样检验，主要检验粗集料的级配、含泥量、泥块含量、压碎指标和针片状或者细集料的级配、含泥量、泥块含量、轻物质含量和云母含量，任何一项指标不符合生产控制标准都不允许进场，只有检测合格后才能使用。
如果说原材料的进场质量控制是从源头上保障混凝土的质量，那么材料进场后的科学管理则是从细节上保障混凝土的质量。本工程采取了以下管理措施：
(1)集料堆放仓设置雨棚，避免室外环境(主要是空气相对湿度、气温等)对集料含水率、温度造成较大波动，这样有利于混凝土质量控制。
(2)对集料的堆放严格要求。粗集料分粒径堆放(包括5~10mm，10~20mm，5~16mm，16~31.5mm四种)，细集料根据结构部位不同分仓堆放。这样，为技术人员根据需要进行混凝土质量控制提供了便利的条件。同时，注意更加合理的堆放模式，也是保证材料质量稳定必不可少的条件。本项目集料实行分批堆放，是由于投产初期，集料品种少，不同批次集料分仓堆放，使用仓与进货仓(待检仓)分开，保证混凝土生产原材料质量稳定；后来随着工程进度的推进，集料规格品种增多，材料不再具有独立分仓堆放条件，但我们依然沿用以前的模式，将料仓进行分侧堆放(沿着料仓的两侧进行堆放)一侧用于生产，一侧用于堆放新进材料(待检材料)。混凝土生产前，当班质检员使用指定已检验的原材料，这样就避免了生产中由于使用到新批次材料，而引起混凝土质量的波动。
(3)放置于称料仓中的集料，可能会由于天气或其他原因，导致其含水率与料仓中的集料含水率有所不同，这就会影响混凝土质量的稳定性。因此，生产前应该尽量使集料称料仓空仓，以保证集料含水率的稳定性，从而保证混凝土拌和物质量的稳定性。
2.3减水剂
减水剂是混凝土的核心动力组分，现代混凝土高强度、高性能的实现很大程度上就是通过减水剂得以实现的。高性能减水剂能有效减少用水量，控制坍落度，降低水胶比，在混凝土中通过引气产生均匀、稳定的细小气泡，可以提高混凝土的抗冻性、工作性和匀质性，降低泌水率，改善集料底部浆体泌水和沉陷等。减水剂的质量波动对混凝土的性能，尤其是和易性影响非常大，因此，对减水剂的质量控制格外重视，每次必须取样检验。
目前，在国内混凝土领域中，常用的减水剂是萘系高效减水剂与聚羧酸系高性能减水剂，两者的显著区别是聚羧酸减水剂具有非常广阔的品种系列，不同合成技术得到的聚羧酸减水剂产品，由于高分子主链结构、侧链连接官能团的不同具有的性能差别巨大，在复配过程中加入的添加剂也同样会让聚羧酸性能发生明显的改变，对混凝土强度、工作性能都有非常显著的影响[3]。本工程采用的是聚羧酸系高性能减水剂，通过对多种减水剂进行大量试验的比对，选择与胶凝材料适应性好、引气适量、减水率较高、保坍性能好、增强效果好、质量稳定、经济性能好等综合性能较佳的聚羧酸系高性能减水剂。其技术指标控制范围见表6。
减水剂的检验指标多，检验周期长，因此每批减水剂进场后都是先放在备用罐中，然后进行抽样，对样品的减水率、含固量、含气量、坍落度保留值、抗压强度比、压力泌水率比等多项技术指标进行检测，只有抽样检验合格后才能使用，特别要注意减水剂和水泥的适应性，如果发现出现异常波动时，立即停止使用并通知减水剂厂家对产品进行调整或处理，保证减水剂质量稳定。
2.4拌合水
混凝土拌合用水中，不得含有影响混凝土正常凝结与硬化的有害杂质，凡是能饮用的自来水和清洁的天然水，都能用来拌制混凝土。污水、pH值4的酸性水、含硫酸盐(按SO3计)超过1%的水均不得使用。根据《铁路混凝土工程施工技术指南》(TZ210—2005)，本工程使用符合国家标准的生活饮用水。
3结束语
武广客运专线武汉站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。本文总结了该项目中原材料的质量控制经验，形成了较为完善的高速铁路高性能混凝土原材料质量管理与控制技术，在各个环节上层层把关，取得良好的实施效果，为高性能混凝土在武广客运专线武汉站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。
参考文献：
[1]顿小红.从世界高速铁路发展看我国高速铁路建设[J].现代商贸工业,2007(6):22-23.
[2]铁建设[2005]157号铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定[S].北京:中国铁道出版社,2005.
[3]郭延辉,郭京育.聚羧酸系高性能减水剂研究与工程应用[M].北京:机械工业出版社,2007.
作者简介：王军（1972-），男，高级工程师，主要从事预拌混凝土的研究应用与质量管理工作。
单位地址：湖北武汉东湖高新区华光大道18号高科大厦13楼（430074）
