高性能混凝土在桥梁工程中的应用
1 高性能混凝土的特点
高性能混凝土(HPC)源自 80 年代末期,以高强度混凝土、高流动混凝土和耐久 性混凝土为代表,大致可分为三种类型:①无需振捣的混凝土(日本型);②高强度 混凝土(北美型);③好耐久性混凝土(欧洲型)。高性能混凝土与传统混凝土配合比 设计思路不同的是,高性能混凝土把结构物的耐久性作为一个重要技术指标,并在 设计与配制中满足混凝土各阶段的不同性能要求。在塑性期,高性能混凝土的工作 性能十分优异。在都使用 180~170kgm3 拌合水量的情况下,高性能混凝土的坍落度 可达 240mm 以上,而既有良好粘聚性、又不产生泌水的传统混凝土的坍落度也只能 达到 50~70mm。由于高性能混凝土具有良好的自密性,因此浇注成型非常容易,使 用时无需振捣,即使在无严格保证措施下,也能获得高密实的混凝土,结构的强度 也将进一步增强,同时使新型的预应力混凝土结构设计成为可能,甚至在截面复 杂、布筋密集的情况下,高性能混凝土也无需任何振捣,完全靠自己"填充性"成 型,适用于不可能进行机械振捣的狭隘作业空间,并可大大减轻施工人员的劳动强 度,改善劳动条件,节省财力。此外,高性能混凝土在加水搅拌 90min 后,仍能保持 良好的工作性能,这对混凝土的实际施工,尤其是夏季施工是非常有利的。在硬化 期,高性能混凝土内部不存在因水化热、干燥收缩等引起的初始裂逢,这些裂逢不 仅会对混凝土结构的外部造成破坏,而且还会引起内部钢筋诱蚀,使得结构物过早 破坏。在使用期,与用水量相同、掺加高效减水剂的传统混凝土相比,高性能混凝 土无论是干燥收缩量还是真空失水量均有明显减少,尤其是真空失水量比传统混 凝土减少近 50%,这表明其孔缝已大大降低,具有很高的抗渗性能,这对提高混凝 土结构物的耐久性无疑是非常有效的。此外,高性能混凝土具有很高的早期强度, 如明石海峡大桥的混凝土基础,水灰比为 0.35,90d 圆柱体抗压强度为 42MPa,7d 抗压强度就可达到 21MPa。作为一种全新的混凝土,高性能混凝土的研制和应用是 混凝土材料的一个重大突破,其广泛应用将带来非常显著的效益。高性能混凝土已 被公认为 21 世纪的新一代混凝土。
2 高性能混凝土在国内外的发展概况
日本早在 60 年代就可以比较容易地制成 C60~C80 的高强度混凝土,并建成了数 十座高强度混凝土铁路桥。但当时的高强度混凝土因粘性大、坍落度下降快等给 施工造成很大不便。80 年代后期,日本在研制开发高性能混凝土时,尤其重视混凝 土的施工性能,特别是高流动性,要求浇注混凝土后不振或微振,但日本高性能混 凝土的应用也只局限在道路、桥梁及水工建筑范围高性能混凝土拌合物中一般掺 有大量的活性混合材料如磨细的高炉矿碴、粉煤灰、石灰粉(如明石海峡大桥)等, 以降低水化热,满足大体积混凝土施工要求 28d 抗压强度一般约在 40~50MPa 左右。 挪威结合北海海洋石油开发的需要,是较早对高强高性能混凝土开展研究的国家 之一,至今已建造了数十个海洋采油平台,成功地承受了非常恶劣的海洋环境其中 最大的一个平台高 369m,沉入水下 303m。挪威皇家科技研究院的科学与工业基金 持续资助高强高性能混凝土的研究,如 1986-1992 年的高强混凝土材料研究计 划,1988-1993 年的高强混凝土结构设计研究计划(60~115MPa),1988-1992 年和 1993-1995 年有关高性能混凝土及其浮动结构的研究计划等。为了提高结构的耐 久性,挪威规定所有的桥梁混凝土必须掺粉煤灰或硅粉,水灰比不能超过 0.4。挪 威的混凝土结构设计规范所覆盖的混凝土强度等级已高至 C105。
法国自 1986 年起由政府部门组织国内 23 个单位,包括政府研究机构、大学、公司、 承包商进行一项名叫"混凝土的新途径"研究项目,进行高性能混凝土研究并建造 示范工程。1989 年法国建造了伊沃纳(Yvonne)河桥,由于采用相当于我国 C70 级 的高性能混凝土替代原来的 C40 级混凝土,并采用体外预应力索的结构形式,使混 凝土用量减少 30%,自重降低 24%。德国在高性能混凝土方面也做了很多工作,自 1990 年以来,在许多工程中采用了 85MPa 高强混凝土,并在高速铁路桥中采用了 B80 级混凝土。德国混凝土协会、德国研究共同体、钢筋混凝土协会以及德国政 府研究与技术部目前都对高性能混凝土有资助研究项目。`1995 年德国提出了高 强混凝土结构指南,包括 B65-B95 级(相当于我国 C65-C95)高强混凝土,作为德国 混凝土结构规范 DlN1045 的补充。我国自 70 年代起开始发展高强与高流动混凝土。 1980 年建成的红水河铁路斜拉桥的预应力混凝土箱梁中采用了高坍落度的高强 度混凝土(实际强度超过 C60 级),这也是我国第一个采用泵送混凝土的工程。近年 来建成的一些著名桥梁多采用高强混凝土,如上海杨浦大桥、武汉长江二桥等均采用 C50 掺粉煤灰泵送混凝土,汕头海湾大桥主梁采用 C60 混凝土,万县长江大桥采 用 C60 泵送混凝土。目前上海、北京已能供应 C80 以上商品预拌混凝土,实际上我 国部分地区的混凝土企业目前已经具备了供应超高强商品混凝土的能力。但是, 我国传统的高强混凝土仅注重于强度,而随着抗压强度的提高,混凝土的脆性增大, 应力应变曲线发生变化。随着强度增高,水泥用量随之加大,收缩徐变值也相应增 大,使高强混凝土在桥梁结构中的应用产生一定的难度和限制,故应加紧研制和大 力推广使用高性能混凝土。
3 高性能混凝土的设计方法
3.1 材料选择 高性能混凝土的配制要根据工程实际的要求及所处的环境确定原材料的品种与质 量。水泥一般要求选用中热硅酸盐水泥。细骨料要求选用中粗河砂,级配良好,表 面含水率<4%。粗骨料要求选用石灰碎石或花岗岩碎石,级配合格,最大粒径不超过 20mm,其中粒径为 5~13mm、13~20mm 的要分别贮存,表面含水率< 1%。添加剂主要 为高性能减水剂和加气剂。掺合料可用高炉矿碴、粉煤灰、石灰石粉等。采用上 述材料获得高性能、超流动混凝土的关键在于利用减水剂充分激发水泥和混合材 的和易性,并需要进行细致的配合比设计和合理的搅拌、制作。
3.2 配合比设计 选择合理配合比参数的主要依据是耐久性、流动性与强度,根据这些要求确定原材 料的数量与质量。
3.2.1 细骨料容积比 将细骨料分为粗粒细骨料(粒径≥0.06mm)和微粒细骨料(粒径<0.06mm)两种。微粒 细骨料与水泥等粉质物具有相同的物理性能,设计时将其归入粉质物类。将粗粒细 骨料的容积与除去气泡后的砂浆容积(M)之比定义为粗粒细骨容积比 ScM。从混凝 土凝固角度考虑,ScM 越大越好,但超过某一限度后,细骨料之间将互相直接咬合, 引起砂浆,甚至混凝土流动性恶化。经过分析、研究,ScM 取 0.40 较为适宜,这样 细骨料容积比 SM=0.40(1-Ksf)。
3.2.2 水灰比 在确定水灰比之前,先要通过试验求出水泥的约束水灰比,这里约束水灰比指与不 参加混凝土流动、约束固体粒子(主要为水泥)的水量对应的水灰比,然后适当添加
高效减水剂进行坍落试验和砂浆流动度试验。当满足相对坍落面积比为 5,坍落度 流动相对速度比为 0.90~1.1 时,相应的水灰比就是所求的值。需要指出的是,高性 能混凝土按重量所得的水灰比一般在 0.30 左右,远比普通混凝土(约为 0.50)低。
3.2.3 含气量 含气量对减少单位用水量及水泥用量是有效的,对提高混凝土抗冻融能力也是有 效的,故高性能混凝土含气量 A 以取 4%~7%的值为宜。
3.2.4 粗骨料容积比
粗骨料最大粒经一般不超过 20mm,级配要满足有关标准规定。在此前提下,粗骨料 的实际体积与其所占空间之比(简称实积比)Glim 对混凝土的流动性影响最大。经 试验研究,实积比以取 50%为最佳,并由此得到粗骨料容积比 G=0.5Glim(1-A)。 3.2.5 添加剂用量
添加剂包括高效减水剂 SP 及加气剂 AE,用量须通过试验确定。具体做法:高效减 水剂用量可在含气量不变的情况下,让掺有 SP 的混凝土坍落直径达到 65cm 时求得, 加气剂用量根据含气量试验确定。
3.2.6 综合评定 上述各步骤完成后,还要进行综合评定。评定标准是只要成品混凝土的坍落度流动 相对速度比在 0.50~1.0 的范围内,就可得到所需的高性能超流动混凝土。表 1 为 莱岛大桥缆索洞室(断面为 80m2,长 63m,倾角 40°)锚固用的高流动混凝土的配 方。
4 高性能混凝土的制作
除了细致的配合比设计外,高性能混凝土在制作及施工上也有相应的技术要求。在 制作上,应选用搅拌效果好的强制式搅拌机,搅拌时先投入粉质物和细骨料,拌匀 后,第一次加水,加水量为总水量的 90%以上,接着搅拌 90s 后形成砂浆,然后投入 粗骨料及添加剂,第二次加水,继续搅拌成混凝土。
5 高性能混凝土施工中应注意的问题
5.1 通常情况下应注意的问题 (1)混凝土搅拌好后,就应立即运送,直到浇注; (2)运送、浇注混凝土,应尽可能不出现或少出现离析现象;
5.2 运输及浇注时应注意的问题
(1)按预定方案进行混凝土运送和浇注; (2)确认混凝土没有发生材料离析后才进行浇注; (3)混凝土自由落下的高度要较小,以不超过 5m 为宜; (4)当进行分层浇注时,最好考虑连续浇注; (5)对混凝土流动性的检查应是全面检查而不是抽样检查; (6)振捣器等机具作为紧急情况时使用,应准备好。
5.3 表面修饰及养护 在适当的时候进行混凝土表面修饰抹平,为了防止表面干燥,要特别注意初期阶段 的潮湿养生。
5.4 模板与支架 (1)模板的设计以液压方式进行,浮力也必须进行验算,以确保设计安全度; (2)要考虑防止水泥浆泼出的措施;
(3)当有坡度时,应进行模板坡度验算; (4)脱模时要确认混凝土的强度;
(5)抗离析剂和高性能减水剂合用时,它们之间的性能是否相互影响,应事先做试 验进行确认。
6 应用实例
1998 年建成的日本明石海峡大桥是本世纪世界上最为壮观的桥梁工程。大桥全长
3910m,主跨 1990m。钢上部结构工程量 200000t,混凝土下部工程量 1420000m3。 为了确保明石海峡大桥这一巨大工程的耐久性及可靠性,该桥下部结构全部采用 现浇高性能混凝土。
现场施工时,高性能混凝土在专用搅拌站搅拌,用全封闭式气泵输送,最大水平 输送距离约 250m。由于该 HPC 具有良好的流动性(坍落度为 55~60cm),刚出泵时就 能达到自流平状态,且不产生任何离析,故施工时只需用插入式振动棒定点振捣即 可。又由于这种混凝土具有良好的自密实性,因而可大大减轻劳动强度、降低能源 消耗、使施工人员免受振捣噪声危害,提高工作效率。实测抗压强度(试件尺寸为<100×200mm)7d 为 22MPa,91d 为 42MPa。而 91d 设计抗压强度为 24MPa。
