桥梁承台大体积高性能混凝土试验研究.pdf

2 0 1 0年 第 1期 (总 第 2 4 3 期 ) N u mb e r 1 in 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL T ECHN0L0GY d o i ： 1 0 3 9 6 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 1 0 3 8 桥梁承台大体积高性能混凝土试验研究 蒋林华 。仇高山 。李士伟 。储洪强 ，杜宇 ( 1 河海大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ；2 中铁十四局集团第三工程有限公司，山东 济宁 2 7 2 1 0 0 ) 摘要： 结合天津海河开启桥承台大体积混凝土的设计要求， 对承台高性能混凝土进行配合比设计， 研究承台高性能混凝土的拌合物性 能、 力学性能、 干缩 、 绝热温升和抗渗、 抗冻、 抗氯离子渗透、 抗硫酸盐腐蚀性能。制备的承台大体积混凝土的主要技术指标均达到设计要 求 ， 并在天津海河开启桥承 台大体积 昆 凝 土施工 中得到成功应用。 关键词 ： 大体积混凝土 ；承台 ；桥梁 ；高性能 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 1 2 1 0 3 Hi gh pe r f or man c e ma s s c on c r e t e f or t he c ap o f br i dge J IANGL i n - h u a ， Q UG a o s h a n 2 , L I S h i - w e i ， C HUHo n g - q i a n g ， DUY u ( 1 C o l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， Ho h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 No 3E n g i n e e ri n g Co ， L t d ， t h e 1 4 t hB u r e a uG r o u p o f C h i n aR a i l wa y ， 1 i n i n g2 7 2 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t O t h e d e s i g n r e q u i r e me n t o f ma s s c o n c r e t e c a p o f T i a n j i n Ha i R i v e r Ba s c u l e Bri d g e ， mi x p r o p o r t i o n s o f h i 曲 p e r f o r manc e c o n c i te we r e d e s ig n e d P r o p e r t i e s o f fl e s h c o n c r e ， me c h a n i c a l p r o p e rt i e s ， d r y i n g s h r i n k a g e ， a d i a b a ti c t e mp e r a tu r e ri s e ， i mp e r me a b i l i ty， f r o s t r e - s i s t a n c e ， c hl o rid e p e r me a b i l i ty a n d s u l f a t e a t t a c k o fc o n c r e t e we r e i n v e s t i g a t e dTh e ma s s c o n c r e t e tha t wa s ma d e c o u l d me e t t h e d e s i gn r e q u i r e me n t a n d Wa S s u c c e s s f u l l y u s e d i n c o n s t r u c t i o n the c a p o f T i a n j i n Ha i Riv e r B a s c u l e B ri d g e Ke y wo r d s ： ma s s c o n c r e t e ； c a p ； b r i d g e ； h i 曲 p e rfo r manc e 0 引言 1 原材料与试验方法 我国的基础设施建设已进入到大规模兴建和高速发展时间 ， 跨江海大型桥梁等交通基础设施的建设 日益增多。 天津海河开 启桥是天津滨海新区基础设施建设重点工程， 是继塘沽海门大 桥、 海河大桥之后， 在海河塘沽段建设的第三座桥梁。大桥位于 海河流域 ， 属 暖温带半湿润大陆性季风气候 ， 四季明显 ， 季 风显 著、 温差较大。 气候的干湿循环及冻融循环， 对混凝土造成极大 的损害。与此同时大桥场地浅层地下水对混凝土结构有腐蚀， 并且开启桥主桥主墩采用空腔薄壁异形墩身， 底平面几何尺寸 为 5 1 mx l 8 9 5 m， 顶平 面尺寸 2 4 mx l 8 9 5 m， 壁厚 为 0 5 - - 4 m， 墩身高度为 1 4 m。主桥下部结构为水中大体积混凝土高桩承 台 ， 几何 尺寸为 5 l mx l 8 9 5 m， 厚度 4 m， 承 台底标 高一 5 1 4 m， 顶标高一 1 1 4 m。 设计对承台混凝土提出的技术要求为： C 3 0 F 3 0 0 W8 ， 混凝 土强度保证率 9 5 ， 最小胶凝材料用量不得小于 3 0 0 k g m3 ， 最 大水胶比不得大于0 5 0 ， 最大氯离子含量不得大于0 1 5 ， 最大 碱含量不得超过 3 0 k g m ； 大桥地下水 、 河水具有强腐蚀性， 考 虑添加防腐剂并改善混凝土的配合 比， 配制防腐蚀混凝土； 承 台为大体积混凝土 ， 为防止混凝土产生施工裂缝 ， 配合比设计 时必须考虑降低混凝土的绝热温升等要求。为保证桥梁的使用 寿命 ， 本文结合海河开启桥工程的实际情况 ， 开展高性能混凝 土试验研究， 重点考虑混凝土的耐久性及大体积混凝土的防裂 要求。 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 8 - 2 4 1 1 原材 料及 配合 比 1 1 1 原材料 水泥为河北太行山水泥厂生产的 P O 4 2 5 级水泥 。 细骨料为 福州闽江河砂， 细度模数2 5 ， 为非活性骨料。粗骨料为 5 2 5 玎 u n 连续级配碎石， 为非活性骨料。粉煤灰为天津大沽化工股份有 限公司生产的 F类 I I 级粉煤灰。 矿粉为唐山新泰环保建材有限 公司生产的 $ 9 5粒化 高炉矿渣微粉 。 外加剂有天盛华科技发展 有限公司生产的 H 3 混凝土泵送剂 、 天津混凝土久外加剂厂生产 的松香热聚物引气剂 、 江苏博特新材料有限公司生产的J M P C A 混凝土超 塑化剂和 J M 2 0 0 0引气剂 及天津市斯泰迪 实业发 展 有限公司生产的S R A 1 型混凝土防腐剂。 水为自来水。 所用原 材料的性能指标符合现行相关技术标准。 1 1 2 配合 比 混凝土达到高性能最重要的技术途径是使用优质的高效 减水剂和掺合料 。由于影响高性能混凝土配制的因素较多( 水 胶比、 掺合料掺量、 胶凝材料总量等 ) ， 所以先采用正交设计方 法， 对高性能混凝土配合比进行研究。根据经验 ， 正交试验考察 胶凝材料总量、 水胶比、 矿粉掺量 3 个因素， 每个因素 3个水平 ( 胶凝材料总量为 3 6 0 、 3 8 0 、 4 0 0 k g m3 ， 水胶 比为 0 4 1 、 0 4 3 、 0 , 4 5 ， 矿粉掺量 2 0 、 3 0 、 4 0 ) ， 控制粉煤灰掺量 1 0 、 砂率为 4 0 、 3 8 ,6 、 防腐剂掺量 1 ， 减水剂、 引气剂的掺量以满足混凝土拌合 物和易性和含气量要求为准。 l 21 根据正交试验结果确定基准配合比， 考虑到海河开启桥承 台混凝土抗冻要求高 、 防腐能力强、 水化热低、 干缩小等要求 ， 确定表 l的高性能混凝土试验配合比。 1 2试 验 方 法 混凝土拌合物性能、 力学性能 、 于缩、 抗渗 、 抗冻、 抗氯离子 渗透性能按照 J T J 2 7 o - _ 9 8 水运工程混凝土试验规程 口 测定 ， 绝热温升按照DL T 5 1 5 0 - - - 2 0 0 1 水工混凝土试验规程 p 坝0 定。 对于混凝土的抗硫酸盐腐蚀试验， 水泥抗硫酸盐侵蚀快速试 验方法 和国外采用的砂浆膨胀率试验方法并不适用， 采用浸烘循 环劣化方法 ， 混凝土试件尺寸为 1 0 0 mmx l O 0 m mx l O 0 n a t n ， 养护 2 8 d后， 将试件取出， 在( 8 0 2 ) 的烘箱中干燥1 4 h 后， 测定初 始动弹性模量， 然后将试件置于5 o Na 2 S O 4 溶液中浸泡 8 h ， 晾干 l h ， 再用烘箱在 8 0下干燥 1 4 h ， 冷却 2 h 后继续浸泡， 2 4 h为一 个循环， 每 1 0 个循环测试一次动弹性模量。 表 1 混凝土试验 配合 比 k g m 注： 编号 6 、 7 的减水剂为 J M P C A， 引气剂为J M一 2 0 0 0 ， 其他编号的减水剂为H 一 3 ， 引气剂为松香热聚物。 2 试验结果与分析 2 1 拌 合物性 能 混凝土拌合物性能试验结果列于表 2 。 由表可知， 混凝土拌 合物有较好的流动性， 1 h后的坍落度损失较小， 均不超过 2 0 ， 满足高性能混凝土的流动性和可泵性要求。 表 2 混凝土拌合物性能 2 2 力学性能 混凝土的立方体抗压强度、 劈裂抗拉强度及轴心抗压强度 与静力抗压弹性模量试验结果分别列于表 3 5 。由表 3可以看 出， 在粉煤灰掺量( 1 0 ) 相同的情况下， 矿粉掺量对混凝土抗压 强度有影响， 会降低混凝土的强度 ， 随着龄期增加， 掺合料对混 凝土强度的贡献逐渐增加； 防腐剂对混凝土抗压强度有副作用， 在其他参数均不变时， 掺 l 和 2 防腐剂的2 8 d立方体抗压强 度分别降低 8 7 和2 4 3 ； 减水剂品种对混凝土抗压强度无明 显影响； 在防腐剂掺量不超过 1 和矿粉掺量不超过 3 0 时， 抗 表 3 混凝土的立方体抗压强度 MP a 1 2 2 表 4 混凝土劈裂抗拉强度 MP a 编号 蟹 墼 匿 7 d 1 4 d 2 8 d 7d l 4d 2 8 d 压强度能满足设计要求。表 4 、 5的结果表明， 外加剂和掺合料 对劈裂抗拉强度及轴心抗压强度与静力抗压弹性模量的影响 规律与抗压强度相似 。 2 3 干 缩 混凝土的干缩试验结果见图 l 。图 1 的结果表明， 矿粉掺量 增加， 混凝土的干缩率增加； 防腐剂对混凝土的干缩无明显影响。 、 糌 螓 u _ 龄期 ， d 图 1 混凝土的干缩率随龄期的变化 2 4绝 热温升 混凝 土( 编号为 1 ) 的绝 热温升试 验结果见图 2 。图 2的结 果表明， 大部分水化热集中在前 2 3 d内释放， 3 d温升值达到 3 4 3 6， 2 8 d温升值达到 4 0 1 1 。由于胶凝材料中含有 4 0 的掺合料， 混凝土的绝热温升有所降低， 但对大体积混凝土， 仍 应注意混凝土的温控防裂， 防止寒流 、 内外温差等因素所造成 的较高温度应力导致混凝土开裂。 3 0 芝 2 0 赠 10 0 5 l 0 1 5 2 0 2 5 3 0 龄 期 ， d 图 2混凝土 的绝热温升 2 5 抗 渗性 混凝土的抗渗等级超过了P I O ， 试验压力加到 1 1 MP a时， 未 见试件表面渗水， 此时停止试验， 劈开试件， 测定渗水高度， 试验结 果详见表6 。表中结果表明， 矿粉掺量、 防腐剂对混凝土的抗渗性 有一定影响， 但所有混凝土的抗渗等级均达到了P 8的设计要求。 表 6 混凝土的抗渗试 验结果 2 6抗 冻性 混凝土抗冻试验 时的相对动弹性模量变化情 况列于表 7 。 经过 3 0 0次冻融循环， 各组试件最终的动弹性模量损失均不超 过 l ， 质量损失均不超过 5 ， 表明混凝土的含气量控制在 6 左右时， 混凝土具有较高的抗冻性能， 能够满足设计要求 F 3 0 0 。 表 7混凝土的抗冻试验结果 2 7 抗氯 离子渗透性 混凝土的抗氯离子渗透试验结果列于表 8 。从表中可以看 出， 混凝土具有较高的抵抗氯离子渗透的能力 。 表 8 混凝土的抗氯离子渗透性试验结果 2 8抗硫 酸 盐腐蚀性 混凝土浸烘循环过程中的相对动弹性模量变化情况列于 表9 。表 9 反映出各组 昆 凝土具有相似的变化规律： 开始腐蚀时， 相对动弹模出现增长， 达到峰值后出现拐点， 而后下降。但峰值 出现的时间、 峰值大小以及出现峰值后的下降速率均有所不同。 表 9 混凝土硫酸盐腐蚀试验结果 编号 堂垂堡 堡 塑!堕 塑 垫登竺 量 1 O 2 O 3 O 4 O 5 O 相对动弹模的变化规律与硫酸盐腐蚀机理相吻合M 。在浸 烘循环初期， 试件表面泛白， 没有劣化痕迹， 是因为混凝土内部 存在的孔隙为膨胀产物提供一个空问， 减缓膨胀应力的产生， 因此混凝 土密实而没 有劣化 ； 经过较多循 环后 ， 孑 L 隙逐渐 被膨 胀产物填满， 基体局部膨胀应力增大， 当积累到一定程度， 试件 表面产生微小裂纹； 随着腐蚀的继续进行， 微裂纹融汇贯通， 试 件表面疏松， 布满裂纹， 外露的基体内部具有贯穿型裂缝。 从表 9中还可以看出， 水胶 比、 防腐剂和掺合料对混凝土 的抗硫酸盐腐蚀有明显影响， 降低水胶比、 掺入适量的防腐剂 和掺合料能改善混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力。 3应 用 效 果 综合考虑混凝土的拌合物性能 、 力学性能 、 耐久性 能及温控 防裂要求， 天津海河开启桥承台大体积混凝土实际施工采用了 编号为 l的混凝土配合比， 该配合 比的总碱含量为 1 6 3 k g ， m ， 总氯离子含量为 0 1 3 ， 拌合物性能、 力学性能和耐久性能满足 设计要求。2 0 0 7年和2 0 0 8年对主桥两个大体积混凝土承台分 别进行了施工 ， 承台未出现裂缝， 效果 良好。 4结 论 ( 1 ) 制备的混凝土满足设计要求， 应用效果良好。 ( 2 ) 外加剂和掺合料对劈裂抗拉强度及轴心抗压强度与静 力抗压弹性模量的影响规律与抗压强度相似， 减水剂品种对混 凝土强度影响不明显， 防腐剂会降低混凝土的强度。 ( 3 ) 矿粉掺量增加， 混凝土的干缩率增加； 防腐剂对混凝土 的干缩无 明显影响。 ( 4 ) 大部分水化热集中在前 2 3 d内释放， 掺合料使混凝土 的绝热温升有所降低。 ( 5 ) 水胶比、 防腐剂和掺合料对混凝土的抗硫酸盐腐蚀有 明显影响， 降低水胶比、 掺人适量的防腐剂和掺合料能改善混 凝土的抗硫酸盐腐蚀能力。 参考文献 ： 1 1 蒋林华 混凝土材料学【 M 南京： 河海大学出版社 ， 2 0 0 6 【 2 】 J T J 2 7 O 一9 8 ， 水运工程混凝土试验规程 s 】 3 J D L r r 5 1 5 0 - - - 2 0 0 1 ， 水工混凝土试验规程【 s 】 【 4 李士伟桥用高性能混凝土制备及硫酸盐腐蚀研究 D 】 南京： 河海大 学 。 2 0 0 8 l 23