新建肯尼亚蒙内铁路是连接肯尼亚港口城市蒙巴萨和首都内罗毕的标轨铁路。蒙内铁路正线全长471.65km, 以货运为主, 兼顾客运, 是肯尼亚目前最重要的铁路项目。但当地自然环境条件有限, 修建铁路所需的相关原材料缺乏, 仅有水泥、砂石料来自肯尼亚国内。

为满足蒙内铁路全线的施工工期要求, 降低原材料费用和工程建设成本, MTITO梁场在线路附近开采石料预制T形梁, 石料为火山活动形成的多孔玄武岩, 母岩抗压强度115MPa, 但由于多孔 (见图1) , 其吸水率高达2.5%, 国内混凝土领域也无相关研究和应用可以借鉴, 为制备蒙内铁路T形梁C55高性能混凝土增加了较大难度。

与国内普通骨料混凝土相比, 肯尼亚多孔玄武岩骨料混凝土需水量大, 用水相同时流动度小, 对东非炎热干燥环境下混凝土施工性能提出了较高要求;按国内成熟工艺预制T形梁的外观开口气孔较多, 不仅影响美观, 还降低保护层混凝土耐久性。

针对上述问题和原材料选择有限, 本文在选定基本配合比基础上, 通过混凝土工作性能、力学性能和耐久性能等评价, 确定了砂率、水灰比以及减水剂和粉煤灰掺量等配合比参数;采用消泡剂、增稠剂、模板布等技术手段研究混凝土外观气孔质量, 制备的混凝土性能和外观质量符合我国标准, 满足了蒙内铁路需要。

水泥 (C) :肯尼亚班博瑞水泥公司, CEMI 52.5, 密度3.17g/cm³, 标准稠度用水量27.4g, 3d抗折强度6.5MPa, 3d抗压强度33.8MPa, 比表面积322m²/g;粉煤灰 (FA) :印度产I级、F类, 细度14%, 需水量86%, 烧失量0.8%;粗骨料:产地肯尼亚MTITO, 多孔火山玄武岩骨料, 孔隙多, 吸水率2.5%, 碎石不均匀, 有些孔隙多有些无孔隙, 表观密度2 950kg/m³, 母岩抗压强度115MPa, 加工为符合5~20mm连续级配范围的骨料, 5~10mm为20%, 10~20mm为80%;细骨料:河砂, 肯尼亚Dara Jani生产, 细度模数2.6;外加剂 (PC) :北京厚德减水剂, 标准型HS-DD6;消泡剂:有机硅消泡剂;增稠剂:纤维素增稠剂;水:拌合站地下水, 符合饮用水标准。

成型养护、工作性以及力学试验方法参照GB50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》, 技术指标按照我国铁路行业标准TB/T 3275—2011《铁路混凝土》进行控制。

通过前期计算和初步试验, 选定混凝土基本配合比中胶凝材料总量491kg/m³, 水胶比0.30, 粉煤灰替代掺量为18%, 减水剂掺量1.1%。如表1所示。

在基本配合比基础上, 调整混凝土砂率, 通过混凝土新拌性能选择合适砂率。表1中砂率0.36, 0.38和0.4的混凝土新拌性能如图2所示。

图2a和图2b结果表明, 相同水胶比时, 砂率为0.38时, 多孔玄武岩骨料混凝土坍落度最大, 此时肯尼亚当地粗骨料和细骨料级配合理, 需水量最小;但图2b显示此时混凝土扩展度并非最大, 随着砂率增加, 其扩展度有增加趋势, 原因可能在于肯尼亚多孔骨料混凝土自身流动性较差, 开口孔多增加了其表面的相对滑动摩擦阻力, 降低了其水平扩展能力, 而砂率增加有助于降低粗骨料表面之间的接触摩擦阻力。

在肯尼亚蒙内铁路T形梁预制时, 由于当地气候干燥炎热, 混凝土出机坍落度均控制在160mm以上, 经转运后可以保证多孔骨料混凝土入模坍落度≤140mm, 符合我国铁道行业标准《铁路混凝土》中对混凝土拌合物工作性的要求。

图2c表明, 在砂率为0.38时, 多孔骨料混凝土拌合物含气量最大, 砂率高或低都不利于气泡在体系中的稳定, 合适砂率可提高混凝土黏聚性, 不易离析、泌水, 搅拌过程中引入的气泡较难“逸出”, 从而使得混凝土含气量有所增加;含气量高有助于增加新拌混凝土坍落度。虽然粗骨料表面孔多, 在混凝土中体积占比大, 新拌混凝土含气量>3%, 最高3.8%, 均符合我国铁道行业标准对T形梁混凝土拌合物含气量2%~4%的要求。

选取表1中编号为2, 4, 5, 6, 7的混凝土配合比, 研究了粉煤灰掺量和水胶比对混凝土力学性能的影响, 结果如图3所示。

从图3a中可看出, 粉煤灰掺量在18%时, 多孔骨料混凝土抗压强度在28d及以后龄期均为最高, 是该种印度粉煤灰的最佳掺量。粉煤灰的增强机理在于两方面: (1) 粒径较小, 在高强混凝土中可以填充水泥颗粒间的孔隙, 有效提高浆体的密实度, 进而提高混凝土的强度; (2) 可与水泥产物Ca (OH) ₂反应生成C-S-H凝胶, 进一步提高强度;同时56~90d龄期时, 多孔骨料混凝土强度并未趋稳, 还有上升趋势, 这可能与多孔骨料在拌合过程中吸水后缓慢释放有关, 可促进水泥产物在骨料表面孔内生长, 增进水泥石与骨料界面的咬合, 改善薄弱界面, 从而增加多孔骨料后期强度。

图3b表明, 多孔骨料混凝土抗压强度随水胶比增加而降低, 且混凝土水胶比0.32时抗压强度明显低于水胶比0.3及以下, 说明水胶比是决定多孔骨料混凝土抗压强度的关键因素, 其56~90d抗压强度也呈现缓慢上升趋势。

虽然东非肯尼亚全年正温, 无冻融恶劣环境, 但按照国内铁路混凝土标准, 对蒙内铁路T形梁用混凝土的耐久性进行了评价, 分别采用电通量和水冻法进行试验。水胶比对混凝土耐久性能的影响 (表1中编号为2, 6, 7的混凝土配合比) 结果如图4所示。

从图4a中可看出, 多孔骨料混凝土电通量随龄期增加而逐渐降低, 90d时基本趋稳, 56d电通量均<1 000C, 满足我国≥C50混凝土100年设计寿命要求, 电通量与水胶比关系较大, 随水胶比增加而增加, 即增加水胶比会降低其耐久性;图4b表明, 多孔骨料混凝土相对动弹性模量随水胶比增大、冻融次数增加而逐渐降低, 经300次冻融循环后其相对动弹性模量≥64.1%, 证明多孔骨料混凝土抗冻等级≥F300, 满足国内标准梁体混凝土不低于F200的要求, 也满足我国D1环境下100年设计寿命。按我国电通量法和水冻法2种评价方法, 都证明肯尼亚多孔骨料制备的T形梁混凝土具有良好的耐久性。

在采用多孔骨料混凝土预制T形梁时, 浇筑过程全按国内成熟工艺进行, 但拆模发现T形梁外观开口气孔较多, 经调整浇筑、振捣及混凝土配合比, 其外观质量还是无改观。对此, 通过透明塑料圆桶模具、等比例T形梁钢模型浇筑混凝土, 采用添加消泡剂消除大泡 (表1中编号为8的混凝土配合比) 、增稠剂避免内部气泡外移 (表1中编号为9的混凝土配合比) 、以及采用模板布进行外观试验, 塑料桶结果如图5所示, 钢模型T形梁结果如图6所示。

图5结果表明, 塑料桶内表面光滑, 其成型的多孔骨料混凝土外观存在气孔, 从气孔数量和大小来看, 掺增稠剂和消泡剂对T形梁混凝土外观有改善, 混凝土表面气孔数量明显减少, 掺消泡剂效果好于掺增稠剂的效果, 但表面依然存在气孔。

图6结果显示, 室内T形梁钢模型脱模后, 基准混凝土表面气孔较多, 掺消泡剂表面气孔减少明显, 但仍存在大气孔, 而采用模板布的混凝土表面无气孔, 表面光滑致密, 说明模板布能将接触处混凝土内气泡完全排除, 可彻底改善肯尼亚多孔骨料混凝土预制T形梁的外观;另外, 模板布由于未固定牢靠而产生波浪式印记, 应在实际工程中将模板布在钢模板上粘贴牢靠, 避免褶皱。

1) 采用肯尼亚多孔玄武岩骨料可制备出满足T形梁预制要求的混凝土, 拌合物工作性能、硬化体力学性能、耐久性能均能满足施工和使用要求。

2) 多孔骨料在拌合过程中吸水后缓慢释放, 可促进水泥产物在骨料表面孔内生长, 改善薄弱界面, 使其制备的混凝土56~90d龄期强度还有上升趋势, 56d电通量均<1 000C, 抗冻等级≥F300。

3) 掺增稠剂和消泡剂可减少T形梁混凝土表面气孔数量, 模板布能使多孔骨料混凝土表面光滑致密、无气孔缺陷, 可从根本上改善肯尼亚多孔骨料混凝土预制T形梁的外观。