重庆长江大桥复线桥水泥的质量控制及对混凝土性能影响.pdf

2 0 1 0年 第 6期 (总 第 2 4 8 期 ) Nu mb e r6i n 2 0l 0 ( To t a 1 No2 4 8) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACTI CAL T ECHN0L OGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 6 0 3 8 重庆长江大桥复线桥水泥的质量控制 及对混凝土性能影响 王瑞燕 ，王俊如 。 ， ( 1 重庆交通大学 土木建筑学院材料系，重庆 4 0 0 0 7 4 ； 向中富 ，窦广陵 2 重庆城建控股( 集团) 有限责任公 司，重庆 4 0 0 0 1 5 ) 摘要： 针对重庆长江大桥复线桥结构和施工特点生 产的专用水泥 ， 通过对水泥矿物组成 、 细度 、 水化热 、 强度变异系数 、 入库温度的控制 ， 对降低混凝土温升 、 提高混凝土体积稳定性和耐久性起到 了直接 、 有效的作用。采用专用水泥配制的混凝土具有良好的综合技术性能。 关键词 ： 专用水泥 ；水化热；体积稳定性 ；耐久性 中图分类号 ： T U5 2 8 叭 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 1 2 4 0 2 Qu a l i t y c on t r o l o f c e m e nt us ed on Chon gqi ng Ya ng t z e Ri ve r dou bl e- t r a c k br i dg e a nd i nf l u en c e on c on c r e t e pe r f or man c e WANG Ru i - y a n ， WANG J U I 1 - 1 2 1 2 , XI ANG Z ho n g- f u ， DOU Gu a n g- l i n g ( 1 D e p a r t me n t o f B u i l d i n gMa t e r i a l ， C h o n g q i n g J i a o t o n gU n i v e r s it y， C h o n g q i n g4 0 0 0 7 4， Ch i n a ； 2 Ch o n gq i n gUr b a nCo n s t r u c t i o nHo l d i n g s( Gr o u p)Limi t e dLi a b i l i t yCo mp a n y， Ch o n g q i n g4 0 0 01 5。 Ch i n a) Abs t r a c t ： F i t t i n g f o r t h e s t ruc t u r a l a n d c o n s t r u c t i v e c h a r a c t e r i s t i c s o f Ch o ng q i n g Ya n g t z e mu l t i p l e tr a c k b rid g e ， b y c o n tr ol l i n g mi n e r a l c o n s i s t e n c e ， fin e n e s s ， h y d r a t i o n h e a t ， c o e ffi c i e n t o f s t r e n g t h v a r i a t i o n、 s t o r a g e t e mp e r a t u r e o f t h e s p e c i a l p u r p o s e c e me n t ， i t c a n r e d u c e t h e t e mp e r a t u r e ris i n g， i mp r o v e t h e v o l u me s t a bi l i t y a n d d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e d i r e c t l y a n d e f f e c t i v e l y B y u s i n g t h e s p e c i a l - p u r p o s e c e me n t ， we c a l l p r o d u c e c o n c r e t e wi th g o o d t e c h n i c a l p e r f o r ma n c e Ke y wor ds ： s pe c i a l p u rpo s e c e me n t ； h y d r a t i o n h e a t ； v o l u me s t a b i l i ty； d u r a bi l i ty 0 引 言 在传统上， 结构设计根据承载力计算对混凝土提 强度要 求 ， 对混凝土 的质量控 制最 终标 准是强度 ， 因此混凝土生产者 对水泥品质的要求也是强调强度。随着我国建筑工程向大跨 度 、 超高度方 向发展 ， 对混凝土的强度等级要求越来越 高， 为满 足建筑业的这种需求， 水泥的强度等级也随之提高， 强度越高 的水泥被认为质量越好。为实现水泥强度的提高， 在现有的生产 条件下 ， 水泥生产厂家普遍采用的技术手段是提高水泥中 C S 、 C A含量 ， 提高水 泥的细度 ， 有 的生产厂家甚 至在水泥 中掺入 细度、 强度( 特别是早期强度) 并未设置上限值， 对水泥中的主 要熟料矿物含量也未设置一定的范围要求。水泥与混凝土互相 以强度 为第 一需 求误导的结果是水泥 中高 强和早 强组分越来 越多 ， 比表面积普遍较大 。 水泥熟料矿物组成和细度的这种变化趋势导致混凝土早 期强度发展快， 但后期强度增长率下降甚至出现强度倒缩； 水化 放热大 ， 水化放热 速度快 ， 增加 了混凝 土的温度 收缩 、 干燥 收 缩， 再加上较低水灰比产生的自收缩， 处于约束条件下的混凝 土结构较大的收缩变形因高的早期强度和高的早期弹性模量 而产生较大的应力， 而高早强又使能缓释收缩应变的徐变很小 ， 混凝土的开裂敏感性提高。此外 ， 水泥成分中的含碱量 、 c A 及 其相应的 S O 含量 、 细度是影响水泥和高效 减水剂相容性 的主 要 因素 ， 水泥与高效减水剂相容性问题 随水泥 比表面积的增加 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 2 - 0 7 1 24 及水泥中含碱量和C 3 A含量的增加， 与相同高效减水剂的相容 性变差， 饱和点提高， 为减小流动度损失则需要增加减水剂掺 量， 不仅增加施T费用， 而且可导致混凝土中水泥用量增加， 影 响混凝土耐久性【3 1 。 近年来， 国内外专家通过实际调查研究， 指出当前混凝土 结构不断增多的过早劣化现象与水泥的品质变化趋势有关_ 】- 2 。 1 重庆长江大桥复线桥 专用水泥质量控制14 重庆 长江大桥复线桥 系在重庆 主城 新建的一座特 大型桥 梁， 是重庆主城渝中区与南岸区的重要交通联系， 设计基准期 1 0 0年。 桥梁结构体采用长联大跨径钢 昆 组合式刚构一 连续组合 梁， 总长 1 1 0 3 5 i n ， 桥面宽 1 9 in。大桥主跨 3 3 0in， 墩顶 0 块高 度 1 6 1 11 ， 肋板最大厚度 2 8 m， 主跨采用钢箱梁一 混凝土箱梁混 合形式， 其桥型、 跨径均居世界之首 。 由于大桥结构、 构造复杂， 超静定次数多， 混凝土结构断面 尺寸大， 混凝土品质将直接影响工程质量， 设计方对用于大桥 的 C 5 0 、 C 6 0混凝土的体积稳定性、 耐久性、 力学性能提出了较 高的要求。 针对本大桥高性能、 大体积混凝土的特点， 业主组织施工 方 、 科研单位 、 重庆地维水泥厂的相关技术人员就大桥用水泥 技术性能要求进行讨论 ， 在 G B l 7 5 一 l 9 9 9 ( 硅酸盐水泥、 普通 硅酸盐水泥 框架内， 对大桥用 P 0 5 2 5级水泥的技术性能要 求作 了进一步的细化 。由于针对大桥 用水泥与水泥厂供应市场 的水泥有所 差别 ， 水泥使用 方与供应 方达成一致 意见 ， 用于大 桥混凝 土的水泥专 门组织生产并专库存放 ， 即大桥专朋 水泥。 1 1 重庆长江大桥复线桥 专用水泥质量要求 ( 1 ) 碱含量 ： 钠 当量 0 6 0 ； ( 2 ) 氯离子含量0 0 2 ； ( 5 ) 水化热 ： 3 d水化热 2 6 5 k J k g ， 7 d水化热 2 9 5 k J k g ； ( 6 ) 抗压强度 ： 3 d 3 2 MP a ， 2 8 d 5 6 MP a ； ( 7 ) 离散性： 2 8 d 抗压强度标准偏差1 5 MP a ， 变异系数 3 6 ： ( 8 ) 水 泥进站人库温度 7 5， 人机温度 6 O ； ( 9 ) 其他质量指标满足现行国家或行业标准。 ( 3 ) 熟料中铝酸三钙含量6 0 ； 1 2 重庆 长 江大桥 复线桥 专 用水泥抽 检 结果 ( 4 ) 比表面积 4 5 0 m2 k g ； 重庆长江大桥 复线桥 专用水泥抽检结果 ， 见表 1 、 2 。 表 1 大桥专用 5 2 5级水泥 熟料全分析 2 大桥 专用水泥对混凝土性能 的影 响【3 叫 2 1 对混凝 土绝 热温升 的 影响 混凝 土绝热温升 ： T h( W + K F ) Q c o ( 1 ) 式中 ： -一 混凝土绝 热温 升， 。 C； 一 混凝土中水 泥用量 ， k g m ； F 一混凝土中活性掺合料用量， k g m， ； K 掺合料折减 系数 ， 磨 细矿渣粉按 O 7 取值 ； ( ) 广水泥 t 龄期水化热， k J k g ； C 混凝土质量热容 ， 取 0 9 7 k J ( k g K) ； p 混凝 土密度 ， 取 2 4 5 0 k g m 。 对大体积混凝土而言， 控制水化热、 降低绝热温升 、 减小温度 变形是减少混凝土裂缝产生 、 提高结构耐久性的重要措施。 表 3可 以看 ， 大桥专用水泥对降低混凝土的绝热温升非常显著， 大桥专 用水泥 比市售 P O 5 2 5级水泥更适合于配制大桥大体积混凝土。 表 3 水泥对混凝土绝热温升影 响对 比 注 ： 绝热温升的计算采用工程实际配合 比 ， C5 0水泥用 量 3 3 5 k g m ， $ 9 5矿渣粉 1 1 2 k g m ； C 6 0水泥用量 4 0 0 k g m ， $ 9 5矿渣粉 1 0 0 k g m 。 2 2 专 用水 泥对混 凝土 耐 久性 的 影响 钢筋锈蚀的发生。 2 2 1 对抗硫酸盐侵蚀的影响 2 3 对体 积稳 定性 的影 响 重庆是酸雨非常严重的地区， 据环境监测资料 ， 重庆地区 的降雨 9 0 以上为p H = 4 5 5 5的酸雨 ， 环境作用等级属 D级 ( 强腐蚀环境 ) ， 抗硫酸盐侵蚀是重庆地 区混凝 土耐久性设计 的 重点之一 。大桥 专用水 泥熟 料中 C A平均 含量为 3 2 6 ， 达到 GB 7 4 8 -2 0 0 5 中抗硫酸盐水泥对 C A小于 5 的要求 ，接近高抗 硫酸盐水泥C A不大于3 的要求， 具有较高的抗硫酸盐侵蚀胜能。 2 2 2 对碱一 集 料反应 的影响 碱一 集 料反应发 生的条件 有 3个 ： 一是 混凝土 中存 在一定 数量的碱， 二是集料具有活性， 三是有水存在。 用于本大桥的所 有集料均进行 了碱 活性 检测 以保证不使用具有碱活性 的集 料 ， 为确保万无一失， 对专用水泥的碱含量作了严格的规定以预防 碱一 集料反应的发生。 此外 ， 工程实践发现 ， 不管是否有活性骨料存在 ， 碱的影 响 首先表现在增加混凝土的开裂倾 向。低碱水泥对降低混凝 土的 开裂倾 向、 提高混凝土的耐久性也是有利和必 要的。 2 2 3 对钢筋锈蚀的影 响 氯离子浓度及其渗透速度是引起钢筋混凝土及预应力钢 筋混凝土 中钢筋锈蚀的重要 原因。大桥专用水泥对氯离子含量 作了严格 的规定 ， 要求水泥 中氯离子含量不大于 O 0 2 ， 远低于 G B 1 7 5 2 o 0 7 氯离子含量不大于 0 0 6 的要求 ， 可有效地 防止 混凝土 的体积变化从成型后就开始发生 ， 非荷载作用下 的 变形包括 ： 沉降变 形 、 塑性收缩 、 化学 变形 、 自收缩 、 干燥收缩 、 碳化收缩 、 温度变形等。当混凝土的体积变化受到约束产生 的 内应力大于混凝土抗拉强度时将导致混凝土开裂。提高体积稳 定性是保证混凝 土耐久性 的前提。专用水泥对体积稳定性 的影 响主要表现在其对化学变形及温度变形的影响。 水泥水 化产生 的化学变形与水泥的矿物组成有关。在水泥 的熟料矿物中 ， C ， A的收缩最大 ， 约为 C S 、 C ， S收缩的 3 倍 ， 约为 C F的 4 5 倍 ， 水 泥中 C A含量越高则水化收缩越大 。专用水 泥熟料矿物 中 C ， A平均 含量 为 3 2 6 ， 远低于普通硅酸盐水泥 的 c A 含量 ， 对降低混凝土化学收缩是有利 的。 温度收缩又称为冷缩 ， 是由于混凝土内部温度 因水泥 的水 化放热而升高 ， 在混凝土冷却至环境温度过程 中产生 的收缩 。温 度收缩的大小与混凝土热膨胀系数、 内部最高温度、 降温速度 等有关。表 3混凝土绝热温升数据表明， 专用水泥显著降低混 凝土绝热温升 ， 从而显著降低? 昆凝土结构内部最高温度 ， 可以 从根本上减少冷缩及由此导致的开裂。同时， 水化热的降低还 可减少大体积混凝土冬 、 夏季的养护成本， 降低冬 、 夏季的施1 二 控制难度 ， 更有利于保证工程质量 。 下转第 1 4 2页 1 2 5 【 1 1 】 牛开明 ， 李世绮 ， 刘 清泉 高等级公 路碾 压混凝土路面施 工技术指 南【 R 】 1 9 9 6 1 2 Q A S R AWI H Y， A S I I M， WA HH A B B H I P r o p o rt i o n i n g R C C P m i x e s u n d e r h o t w e a t h e r c o n d i t i o n s f o r a s p e c i f i e d t e n s i l e s t r e n g t h J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 2 ) ： 2 6 7 2 7 6 【 1 3 】 王振辉， 蔡良才， 刘晓军正交法碾压混凝土基层设计研究fJ 混凝 土 ， 2 0 0 7 ， 2 0 8 ( 2 ) ： 8 2 8 3 【 1 4 】 王崇涛， 郑木莲 贫混凝土基层强度与模量研究【J 混凝土 ， 2 O 0 7 ( 4 ) ： 3 - 5 【 1 5 DE L A q T E N， A ME R N， S T O R E Y C I m p r o v e d m a n a g e me n t o f R C C 上接第 1 2 5页 水泥细度的减小， 水泥中粗颗粒含量的增加， 也有利于减小 混凝土的化学收缩、 温度收缩、 干燥收缩， 提高混凝土体积稳定性。 2 4 对其他性 能的影 响 2 4 1 与外加剂的相容性 影响水泥与高效减水剂相容性的主要因素对水泥而言是 S O ， 含量同水泥中C 、 细度和碱含量的匹配。 当不能做到石膏 的重新优化时， C 3 A和碱含量低、 比表面积小的水泥与外加剂具有 较好的相容性。外加剂饱和点的降低有利于减少外加剂的掺 量 ， 减少混凝 土中胶凝材料总用量 ， 提高混凝土体积稳定性 ， 从 而提高混凝土耐久性 。 2 4 2 对混凝土强度变异性的影响 根据混凝土搅拌站强度统计数据 ， C 5 0 的标准差为 4 3 2 MP a ， C 6 0标准差为 3 2 9 MP a ；施工单位抽检 C 5 0与 C 6 0混凝 土强 度统计标准差均为 5 7 MP a 。较小的标准差除与本_T程严格的 质量管理有关外， 水泥质量的稳定性也是重要的因素。混凝土 标准差越小， 在满足规范的条件下可降低混凝土配制强度， 控制 胶凝材料总用量， 从而降低化学收缩、 降低水化放热总量、 降低 混凝土温升、 减少混凝土开裂及温度变形、 降低混凝土徐变等， 对提高混凝土的综合技术性能起到了非常重要的作用。 3结论 由于重庆特殊的地理环境条件， 跨江大桥在城市交通中起 到至关重要的作用 ， 重庆的桥梁建设随着重庆经济 的腾飞 以前 所未有的速度发展。针对重庆长江大桥复线桥大体积结构特 征，基于水泥对混凝土性能及混凝土结构耐久性的影响分析， 在 G B l 7 5 一l 9 9 9 硅酸盐水泥 、 普通硅酸盐水泥 基础上， 从保 证混凝土结构耐久性角度出发， 在水泥品质上对早期强度、 细度、 3 d和7 d水化热提出了上限控制指标 ， 对水泥熟料中的 c 、 氯 离子含量、 碱含量也提出的明确的限值要求， 同时将水泥的强 度离散性纳人质量控制， 并将水泥品质控制延伸到混凝土生产 上接第 1 2 8页 参考文献 ： f 1 】K I M Y J ， S H I C， G R E E N M F D u c t i l i t y a n d c r a c k i n g b e h a v i o r o f p r e s t res s e d c o n c ret e b e a m s s t r e n gth e n e d w i t h p r e s t r e s s e d C F R P s h e e t s J J o u r n a l o f C o m p o s i t e s f o r C o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 8 ， 1 2 ( 3 ) ： 2 7 4 - - 2 8 3 【 2 】叶歹 U 平， 庄江波， 曾攀， 等 预应力 C F R P布加固钢筋混凝土 T形梁 的试验研究册 工业建筑， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 8 ) ： 7 - 1 2 【 3 】 李庆伟， 杨勇新 ， 岳清瑞 ， 等预 应力碳纤维布加固混凝土梁锚固方 式试验研究 工业建筑， 2 0 0 6 ， 3 6 ( 4 ) ： 9 - 1 1 ， 3 9 【 4 彭晖， 尚守平 ， 王海东， 等 用预应力 C F R P对 R c梁的加工工艺研 究 J 建筑技术开发， 2 0 0 3 ， 3 0 ( 5 ) ： 2 1 2 3 j 42 p a v e m e n t t e c h n o l o g y【 R 】 U n i v e r s i ty T r a n s p o r t a t i o n C e n t e r for A t a b a - ma ， UTC A Re p o rt 01 2 31 ， 2 0 0 3 【 1 6 N A D E R H A F E Z A ME R L a b o r a t o r y e v a l u a t io n o f f a t i g u e b e h a v io r o f t h i n b o n d e d o v e r l a y s o n r o l ； e r - c o mp a e t e d c o n c r e t e p a v e m e n t s D D o c - t o r o f En g i n e e r i n g At t h e Cl e v e l an d S t a t e Uu i v e r s i t y ， 2 0 0 7 作者简介 ： 单位地址 ： 联 系电话 ： 黄维蓉( 1 9 7 0 一 ) ， 女， 副教授， 硕士， 主要从事路基路面材料 研究 。 重庆市南岸区重庆交通大学( 4 0 0 0 7 4 ) l 3 0 3 8 3 8 0 9 2 8 过程， 严格控制水泥的人站进库温度、 入机温度。 工程应用效果表明， 通过对水泥品质及混凝土施工过程控 制， 提高了水泥与外加剂的相容性从而保证了混凝土的施工质 量； 提高了混凝土的体积稳定性， 有效地降低了水泥及混凝土 的开裂敏感性 ， 从而保证了混凝土结构的耐久性。重庆长江大 桥专用水泥的使用， 在重庆地区桥梁建设中第一次实现了根据 工程需要控制水泥品质， 对保证混凝土结构工程质量， 提高混 凝土结构耐久性起到了直接、 有效的作用。实践证明， 专用水泥 配制的混凝土具有良好的综合技术性能， 大桥专用水泥已在重 庆嘉华大桥 、 重庆朝天门大桥等特大型桥梁工程得 到了推广应 用并取得了良好的工程应用效果。 参考文献 ： 【 1 】 廉慧珍， 梁文泉 水泥的品质和混凝土质量的关系( 上) J 】 中国水泥 ， 2 0 0 2 ( 6 ) ： 5 2 5 4 【 2 】廉慧珍， 梁文泉 水泥的品质和混凝土质量的关系( 下) 叨 中国水泥， 2 0 0 2 ( 7 ) ： 6 0 6 2 3 中国工程院土木水利与建筑学部 混凝土结构耐久性设计与施工指 南【 M _ E 京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 4 4 唐建华， 向中富， 冯强， 等 特大跨连续刚构桥研究与实践一 重庆长江 大桥复线桥【 M 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 8 【 5 】 姚燕新型高性能混凝土耐久性的研究与工程应用【 M 】 北京： 中国建 材工业 出版社 ， 2 0 0 4 6 】侯君伟 现浇混凝土建筑结构施工手册【 M 】 京： 机械工业出版社， 2 O 0 3 作者简 介 单位地址 ： 联 系电话 ： 王瑞燕( 1 9 6 7 一 ) ， 女， 硕士， 副教授， 从事土木工程材料教学 与科研工作。 重庆交通大学土木建筑学院材料科学与工程系( 4 0 0 0 7 4 ) l 3 9 8 3 8 6 47 O 6 5 】 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范【 s 】 京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 2 6 杨勇新， 李庆伟， 岳清瑞 预应力碳纤维布加固混凝土梁预应力损失 试验研究【 J 】 工业建筑， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 5 - 8 【 7 邓朗妮， 张鹏， 燕柳斌 ， 等 预应力C F R P 板加固混凝土梁正截面受 弯承载力的计算方法研究【 J 1 建筑科学， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 7 4 7 7 作者简介： 陈华( 1 9 7 8 一 ) ， 女， 硕士， 讲师。 单位地址： 广西柳州市东环路 2 6 8 号 广西工学院土木建筑工程系 ( 5 4 5 0 0 6 ) 联系电话 ： 1 3 7 0 7 8 0 0 6 3 6