【混凝土科技奖】采用超高性能混凝土生产电气化铁路接触网预应力环形支柱关键技术
2021年度
混凝土科学技术奖•技术革新类
项目展示
2021年度 混凝土科学技术奖工作于2021年5月启动,至12月圆满完成。报名期间共收到有效申报项目44项。经过专家评审委员会的初评及终评,共计33个项目获奖,包括一等奖1项、二等奖18项、三等奖14项,其中“科技进步类”16项、“技术发明类”1项、“技术革新类”16项。
主要完成单位:河南鼎力杆塔股份有限公司、四川艾德瑞电气有限公司、苏州混凝土水泥制品研究院有限公司
主要完成人:宋景辉、肖琨、范荣鑫、贺毅、俞锋、骆静静、田寅
我国自1958年开始建设电气化铁路以来,预应力混凝土支柱得到了广泛发展和应用,预应力混凝土环形支柱就是其中一种。由于普通混凝土脆性大易开裂、抗拉强度低、耐久性不足等问题造成的混凝土支柱开裂甚至表面剥落等问题,严重影响电气化铁路的工程质量,降低了混凝土环形支柱强度及耐久性能,传统预应力混凝土环形支柱已不满足建设现代电气化铁路在冻融、酸碱盐等恶劣环境的使用要求,给铁路安全运行埋下隐患。
为解决预应力混凝土环形支柱耐久性问题和在生产过程、运输、施工安装和运行过程中出现裂纹、自身重量大等技术难题,项目组优化设计了超高性能混凝土,采用高性能增强纤维配制C120超高性能混凝土和调整混凝土环形支柱结构设计,提高了混凝土环形支柱的使用强度和抗裂性能,达到了控制混凝土环形支柱的挠度,降低环形混凝土支柱的钢筋用量、壁厚,减轻支柱自重,提高环形混凝土支柱的使用年限的目的;加入高效减水剂、降粘型掺合料,并引入粗骨料制备出超高性能混凝土、保留了传统离心成型工艺的材料特性。
在结构和材料设计的同时,充分利用超高性能混凝土的抗拉强度,结合智能化的生产控制技术,达到超高性能混凝土环形支柱具有体积小、重量减轻,耐腐蚀、耐久性能好特点,解决现有混凝土环形支柱端部裂纹问题,从而提高混凝土环形支柱的耐久性,降低生产、运输和安装费用,为电气化铁路工程接触网建设在支柱的应用提供了新的选择。
主要创新点
一、研究设计超高性能混凝土组成设计方法,对影响超高性能混凝土因素采取控制措施,达到超高性能混凝土设计值。
确定高性能减水剂掺量对超高性能混凝土粘度影响和改进方法,达到降低混凝土粘度目的;自行设计集降粘、限缩、降温及增强作用于一体的超高性能混凝土用高性能掺合料;设计超高性能混凝土组成方法,为超高性能混凝土的科学制备和应用提供技术保障。
明确了水化膜对超高性能混凝土流变特性和高粘机理,建立高性能减水剂及高性能矿物掺合料对超高性能混凝土流变、变形及力学性能的改进措施。
优化了超高性能混凝土组成及设计方法,引入粗骨料和增强纤维,形成适用于环形支柱生产工艺的超高性能混凝土配合比,制备出适用于环形支柱离心工艺的低坍落度超高性能、纤维增强混凝土,拌合物可操作时间>45min,抗压强度≥120MPa。
解决超高性能混凝土环形支柱离心工艺的技术难题。采用常规的普通开模布料工艺,生产出的超高性能混凝土环形支柱内壁光滑,离心成型后内壁无任何收缩裂缝。
实现并形成了超高性能混凝土环形支柱养护关键技术。采用目前超高性能混凝土环形支柱制备技术与生产工艺,3d即可达到设计要求的100%及以上。
根据超高性能混凝土的抗压、抗拉强度高特点,针对超高性能混凝土环形支柱在不同条件技术要求,自行设计超高性能混凝土环形支柱结构设计验算、校核的软件,达到电气化铁路工程建设技术要求。
二、自行研发设计的超高性能混凝土配合比,超高性能混凝土的耐久性通过了国家级检测中心的检验,并且满足国标对混凝土耐久性要求。
混凝土环形支柱壁厚≤50mm,降低接触网混凝土环形支柱的重量25%~40%;
混凝土28天强度不低于120MPa;
处于氯盐环境时,56d龄期混凝土氯离子扩散系数不大于3×10-12m2/s;
处于盐类结晶破坏环境时,混凝土气泡间距系数不大于300微米,且56d龄期混凝土抗硫酸盐结晶破坏等级不应小于TB10424规定的KS150;
处于化学侵蚀环境时,56d龄期胶凝材料抗蚀系数不应小于0.80;
28天抗渗等级≥P10。
三、应用超高性能混凝土实施效果
通过加入高性能纤维,降低水化收缩开裂风险,提高了混凝土环形支柱抗裂性能;
通过加入微细掺合料,填补了混凝土的缝隙,提高了混凝土自身的密实度,降低有害物资的渗入速度,增加了支柱的耐久性能;
超高性能混凝土采用的胶凝材料多,养护后部分胶凝材料未参与水化反应;支柱在出现微细裂缝时,为参与水化反应的胶凝材料遇水反应后会继续产生胶凝体,可以做到自动修复支柱微细裂缝的作用,实现支柱的自我修复功能;
超高性能混凝土环形支柱顺利通过了中国铁科院产品检测中心的检验,产品满足标准要求。
应用效果
超高性能混凝土环形支柱已在大秦、连盐高铁、中卫-吴忠高铁、兰新铁路等进行了工程应用。该混凝土环形支柱优越于传统的混凝土环形支柱,具有高强度、高耐久性、高韧性和良好的体积稳定性,耐酸、碱、盐等腐蚀环境,抗冻性好,适用范围广等优点。其高性能增强纤维,对超高性能混凝土环形支柱的生产、运输、安装运行起到了防护作用,超高性能混凝土环形支柱未出现裂纹现象,防裂效果明显,解决了电气化铁路混凝土环形支柱耐久性和出现裂纹的质量问题。
河南鼎力杆塔股份有限公司位于河南省驻马店市西平县迎宾大道中段路南鼎力工业园,是国内最大的电气化铁路接触网支柱专业生产厂家之一。主要产品有电气化铁路接触网砼(钢)支柱、电力电杆、特高压输电线路铁塔等产品。公司占地面积40万平方米,生产厂房8万平方米,现有员工600余人,注册资金5000万元,银行信用等级AAA级企业,总资产7亿元,年产值7亿元。年生产能力:钢支柱(含H型钢柱、硬横跨等)6万吨、接触网砼支柱8万根、电力电杆10万根。公司有技术研发团队、检测团队、现代化生产设备和整组专业技术工人,曾承担过京广线、京九线、陇海线、蒙华线等国家多条重要铁路线路和国家数条特高压输电线路的产品加工任务,并圆满完成任务。
四川艾德瑞电气有限公司系大型国有企业中国中铁二院工程集团有限公司独资的全资子公司。主要经营:电子、电气产品,在铁路、地铁及轻轨交通、公路、市政、水利水电及电力系统等行业的设备研制、销售及代理、系统集成,同时还经营货物进出口及技术进出口业务。
苏州混凝土水泥制品研究院有限公司前身是国家建筑材料工业局苏州混凝土水泥制品研究院,现为中国中材国际工程股份有限公司参股的企业。公司是以混凝土与水泥制品应用技术研究为主的科技型企业,也是国内专业从事混凝土水泥制品科研及设计单位。公司拥有建筑工程设计资质和新材料工程设计资质,是“国家水泥混凝土制品(含混凝土外加剂)质量监督检验”承担单位,全国水泥制品标准化技术委员会秘书处挂靠单位, 副会长单位,全国性建材科技期刊《混凝土与水泥制品》的主办单位,江苏省高耐久混凝土与水泥制品工程的承担单位。
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