西部高寒地区桥梁高性能混凝土耐久性设计及施工技术.docx

西部高寒地区桥梁高性能混凝土耐久性要求一、西藏地区混凝土桥梁所处的环境特征：1、负温环境。西藏桥梁处于多年冻土区深居大陆内部,远离海洋,具有独特的冰缘干寒气候特征,寒冷干燥。年平均气温-4,极端最低气温-45.2,年负温天数为180d左右。图1是青藏公路沿线每月温度的变化情况。其中从左至右依次标示为最低温、平均温度、最高温。1月份与12月份的平均温度为-23，7、8月份的最高温度也在0左右。可见，西藏地区修建桥梁的困难很大。图1 青藏公路沿线温度调查2、冻土地质。主要为高温极不稳定多年冻土区,另有部分地区为岛状冻土及深季节冻土。多年冻土，厚度30-100cm，如图2所示。多年冻土区典型地温曲线如图3所示。桥梁墩台混凝土受冻破坏如图4所示。混凝土浇筑时，如何保证冻土不受混凝土升温的影响，不受破坏，这是混凝土结构耐久性的新课题。图2多年冻土层厚度30100cm图3多年冻土典型地温曲线图4桥墩受冻剥蚀破坏3、气候干燥、干湿交替频繁与风沙侵蚀因长期干燥，混凝土浇筑后，水分迅速蒸发，使混凝土产生早期收缩开裂，长龄期时会产生收缩开裂。如图5、6所示。风沙大，刮风造成风砂对混凝土的磨损。如图7所示。图5干燥、干湿造成混凝土结构开裂图6混凝土表面失水干缩、早期开裂图7桥梁的风砂磨蚀、钢筋混凝土保护层磨损4、河流中有害离子的侵蚀。青藏公路要经过大约20条河流，其中部分河流的腐蚀性离子很高，对河水中SO42-、Cl-等侵蚀离子测定表明,水中存在中等程度的侵蚀离子。由上述可见，西藏地区恶劣的自然环境条件，对混凝土结构的性能提出了更高的要求，以确保混凝土的长期性能和耐久性能。二、西藏地区桥梁面临的主要耐久性问题西藏地区修建的桥梁，面临的主要耐久性问题归纳如下：混凝土在低、负温下强度的发展。混凝土的抗冻融性能。因为冻融交替频繁，最低温度低于-45，又有各种劣化因子的综合作用，故不能用一般混凝土的抗冻方法，还必须用特殊的标准方法，确定混凝土的抗冻性。盐的腐蚀。包括氯盐、硫酸盐与镁盐等。盐的侵蚀与碳化、干燥、温差与热应力引起的裂缝及冻融开裂等是综合的劣化作用，是耐久性病害的综合症。干燥、温差与热应力引起的开裂。风蚀。对混凝土表面硬度要求甚高。对多年冻土的热扰动，会引起结构的不均匀下沉，开裂破坏。三、高寒地区桥梁高性能混凝土耐久性设计(1)抗冻性能 混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏，混凝土的抗冻耐久性（简称抗冻性）即指饱水混凝土抵抗冻融循环作用的性能。混凝土处于饱水状态和冻融循环交替作用是发生混凝土冻融破坏的必要条件。因此，混凝土的冻融破坏一般发生于寒冷地区经常与水接触的混凝土结构。混凝土冻融循环产生的破坏作用主要有冻胀开裂和表面剥蚀两个方面。水在混凝土毛细孔中结冰造成的冻胀开裂使混凝土的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降，危害结构物的安全性。一般混凝土的冻融破坏，在其表面都可看到裂缝和剥落。而当使用除冰盐时，混凝土表面出现鳞片状剥落。因此西部高寒地区桥梁高性能混凝土抗冻性要求很高，一般不低于F300。混凝土中的含气量与孔结构是影响混凝土抗冻性能的关键。通过掺加引气剂与矿物掺合料提高混凝土的抗冻性。含气量在一定范围内混凝土抗冻性能有很大提高，试验结果表明不同复掺方式对混凝土抗冻性能影响不同。对于C30混凝土：双掺硅灰与矿渣使混凝土含气量在3.5%5%时冻融循环次数能够达到300次，双掺矿渣与粉煤灰、双掺硅灰与粉煤灰在混凝土含气量3.5%5%时冻融循环次数能够达到250次。对于C40混凝土：双掺硅灰与矿渣、双掺硅灰与粉煤灰同时使混凝土含气量在5%7%时冻融循环次数能够达到300次，双掺矿渣与粉煤灰在混凝土含气量5%7%时冻融循环次数能够达到250次。对于C50混凝土在双掺与适当引气后能够满足冻融循环次数在300次以上。其中双掺硅灰与矿渣最好，而双掺硅灰与粉煤灰又优于双掺矿渣与粉煤灰。建议混凝土在双掺以及引气状态下C30混凝土含气量控制在3.5%5%为宜，C40混凝土含气量控制在5%7%为宜、C50混凝土含气量控制在5%7%为宜。且在含气量相近时双掺优于单掺。（2）混凝土碳化混凝土在空气中的碳化就是大气环境中的CO2与混凝土中的碱性物质中性化的一个很复杂、缓慢且很漫长的物理化学过程。碳化使混凝土脆性变大，但总体上讲，碳化对混凝土力学性能及构件受力性能的负面影响不大，混凝土碳化的最大危害是会引起钢筋锈蚀。碳化是一般大气环境下混凝土中钢筋脱钝锈蚀的前提条件，碳化降低了混凝土的碱度，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土失去对钢筋的保护作用，给混凝土中钢筋锈蚀带来不利的影响。同时，混凝土碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。因此在西部高寒地区桥梁高性能混凝土进行设计时，抗碳化性必须予以考虑。(3)抗氯离子渗透性氯离子侵入混凝土之后，会破坏混凝土中的碱性环境，引起混凝土中钢筋表面钝化膜的破坏，发生钢筋锈蚀，从而导致结构破坏。在影响钢筋混凝土桥梁耐久性因数中，氯离子引起的钢筋锈蚀被排在首位。处于有氯盐环境下，应对高性能混凝土抗氯离子渗透性提出要求。对于C30、C40混凝土双掺及引气后随着含气量的不断增加各氯离子渗透性能先增加后降低。当含气量在3.5%5%时随着含气量的增加，混凝土抗氯离子渗透性能有所增强，当超过5%时抗氯离子渗透性能有所降低，但都明显低于基准混凝土在相同含气量时的电通量；对于C50混凝土当含气量在3.5%5%时随着含气量的增加，混凝土电通量变化不大，当超过5%时有略微增加。双掺混凝土能够显著提高混凝土的抗氯离子渗透性能，同时双掺硅灰与矿渣最好，双掺矿渣与粉煤灰以及双掺硅灰与粉煤灰次之。（4）抗硫酸盐侵蚀硫酸盐侵蚀破坏是混凝土耐久性劣化的主要原因之一。硫酸盐对混凝土侵蚀造成混凝土结构的劣化破坏，与盐害、中性化等劣化因子对混凝土结构的劣化不同。硫酸盐作为混凝土结构的劣化外力，通过与水泥中的水化物作用，生成膨胀性的水化产物，使硬化的混凝土开裂、崩裂；外部侵蚀性介质以及空气、水分等扩散渗透进入混凝土内部，使钢筋锈蚀，进一步使结构劣化，失去承载能力。桥梁高性能混凝土若处在含硫酸盐条件下，应对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力提出要求。多元矿物掺合料复掺措施有利于改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀及抗干湿循环性能。该措施中矿物掺合料的成分比例对混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能有一定影响，在多元矿物掺合料取代水泥总量不变的条件下，随着其中硅灰和矿渣掺量的增加、粉煤灰掺量的降低，混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能增强。(5)抗裂性能气候干燥与大的温差都容易引起混凝土的开裂，特别是早期开裂，进而影响结构的耐久性。高寒地区桥梁高性能混凝土必须具备很好的抗裂性能。四、原材料质量控制与管理施工是保证混凝土质量的关键,是结构耐久性设计的组成部分,由于西藏地区特殊的环境，对混凝土的耐久性提出了更高的要求，在混凝土施工过程中应从施工的源头抓起,严把材料质量关.砂、石、水泥、钢筋必须符合质量要求。高寒地区混凝土材料须满足以下要求：钢筋预应力混凝土结构所采用的钢丝、钢绞线和热处理钢筋等的质量，应符合现行国家标准的规定。预应力混凝土用钢丝应符合预应力混凝土用钢丝（GB/T5223）的要求；预应力混凝土用钢绞线应符合预应力混凝土用钢绞线（GB/T5224）的要求；预应力混凝土热处理钢筋应符合预应力混凝土用热处理钢筋（GB4663）的要求；预应力筋进场应分批次验收，验收时，除应对其质量书，包装、标志和规格等进行检查外，尚须按公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）中的相关规范进行检查。水泥选用水泥时，应特别注意其特性对混凝土结构强度、耐久性和使用条件是否有不利影响，应以能使配制的混凝土强度达到要求、收缩小、和易性好和节约水泥为原则，应符合现行国家标准。集料西藏地区桥涵混凝土的细集料、选用坚固性优良、有害物含量小、级配良好的中粗砂。C50以下混凝土用砂含泥量3.0%，氯离子含量0.06%，C50以上等级混凝土用砂含泥量2.0%，泥块含量0.1%，坚固性5%，氯离子0.06%。其他技术指标符合相关规范的的规定。细集料的相关试验可按现行公路工程集料试验规程（JTJ E42-2005）执行。桥涵混凝土的粗集料，选用坚固性优良、含泥量小、连续级配、坚硬耐久的碎石、卵石或两者的混合物，最大骨料粒径不得大于40mm。C50以下等级混凝土用粗骨料的含泥量1.0%，C50以上等级混凝土用粗骨料的含泥量0.5%，泥块含量0.10%，针片状颗粒含量8%，坚固性5.0%，岩石抗压强度与混凝土强度等级之比1.5。其他技术指标应符合相关规范的规定。当因条件有限不得不使用碱活性骨料时，骨料的砂浆棒膨胀率不应大于0.20%，且混凝土的碱含量应满足铁路混凝土工程预防碱-骨料反应技术条件（TB/T3054-2002）的规定。否则，应采用具有明显抑制碱骨料反应功能的外加剂或掺合料并经试验确定。拌和用水拌制混凝土用的水，应符合下列要求：水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质或油脂、糖类及游离酸类等。PH值小于5的酸性水及硫酸盐含量按SO计超过0.27 mg /cm3的水不得使用。外加剂：选用DZ系列低温、早强、耐腐蚀高性能混凝土外加剂，其技术性能指标符合混凝土外加剂（GB8076-1997）、混凝土防冻剂（JC475-92）。高性能混凝土的配制要求高性能混凝土的主要性能特点之一就是高耐久性。要保证西藏高寒地区混凝土的长期耐久性能满足设计和使用要求，就必须按高性能混凝土的配制原则配制西藏高寒地区桥梁结构的混凝土。1） 恒负温高性能现浇混凝土钻孔灌注桩用混凝土的配制原则a采用32.5、42.5级普通硅酸盐水泥、中热水泥或高抗硫水泥；b尽量降低水泥用量；c拌和物的坍落度满足泵送/水下灌注施工要求；e拌合物的温度不超过5；f掺和多功能复合型外加剂，简化现场施工操作程序，保证施工质量；g采用含泥量低、坚固性好、针片状含量小的连续级配砂石料2）正负温高性能现浇混凝土承台、墩台用的混凝土的配制原则a按施工养护环境养护温度分别为0、-10、-20条件考虑；b采用32.5级、42.5级普通硅酸盐水泥、高抗硫水泥；c尽量降低水泥用量；d拌和物的坍落度满足泵送/水下灌注施工要求；e掺和多功能复合型外加剂，简化现场施工操作程序，保证施工质量；f采用含泥量低、坚固性好、针片状含量小的连续级配砂石料。3）蒸养高性能混凝土预制构件用混凝土的配制原则a桥梁混凝土蒸汽养护温度不超过50；b采用42.5级普通硅酸盐水泥；c掺和高效减水剂和能改善混凝土孔结构的多功能外掺料；d采用含泥量低、坚固性好、针片状含量小的连续级配砂石料。4）严格控制水胶比和水泥用量根据室内试验及相关的现场试验，为提高高寒地区混凝土的耐久性，不同环境条件下使用的混凝土水灰比和水泥用量应符合表4.3的要求。西藏地区桥梁不同混凝土的最大水胶比与最小胶凝材料用量五、高寒地区桥梁高性能混凝土施工技术高寒地区根据不同的结构形式和环境温度选择不同的施工方法。（1）暖棚法适用于混凝土工程比较集中的区域，尤其适用混凝土量较多的地下基础工程，因为混凝土是正温养护，可以避免混凝土冻害的发生且混凝土强度增长也较快。（2）电热毯法施工较为简单但成本较高，适用于容易包裹的小型构件。采用电热毯加热法成本较高，也可采用棉被包裹混凝土保温措施。负温环境下混凝土施工中的施工技术措施1 现场准备：现场拌合混凝土之前，采用热水冲洗搅拌机，并将积水排除。拌合料所用的水应为饮用水，骨料应级配良好、坚硬，砂子含泥量应在3%以内，泥块含量应在1%以内；石子含泥量应在1%以内，泥块含量应在0.5%以内。水泥要采用普通硅酸盐或硅酸盐水泥，强度等级不低于32.5MPa，使用前宜运入暖棚内存放，并提前进行安全性和强度试验，合格后方可使用。防冻剂宜选用硝酸钙（含加气、减水组分更好），掺量按使用说明书，用量为3%，由定量容器加入，不得多加或少加。搅拌前，浇筑工具和人员必须提前到位；模板内不得有杂物，不浇水。2 混凝土搅拌施工中拌制混凝土所用的材料如砂、石、水等均应保持正常温度，为了保证混凝土拌和物入模温度不低于10，出罐温度一般要控制在1318。为保证出罐温度，首先考虑对拌和用水加热，如仍不能满足需要时，再考虑对骨料加热。对负温条件下混凝土搅拌，还应注意以下事项：（1）应在混凝土中加入防冻剂，否则不允许混凝土浇筑施工；（2）水泥只能保温，不得加热；（3）注意搅拌用水加热时水温不得高于60，骨料加热时骨料温度不得高于40；混凝土拌和前，用热水或温水冲洗搅拌机；（3）对骨料的积雪、冻团进行清理，不得装入搅拌机内搅拌；（4）根据混凝土浇筑当天的实际温度，换算出各项材料需要加热的温度，但不得超过上述的最高温度规定；（5）为了保证混凝土的和易性、流动性，可延长拌和时间，一般比常温时延长50%。（6）为保证混凝土不出现假凝现象，混凝土搅拌时按照砂石、水、水泥的顺序进行，不得颠倒。3 混凝土浇筑混凝土在浇筑前应清除模板、钢筋上的冰雪和污垢。施工接缝混凝土时，在新混凝土浇筑前应对混凝土接触面用碘钨灯或用热水浇淋接茬部位，确保接头处混凝土温度不低于5，加热深度不小于30cm，预热长度控制在1m左右。浇筑完成后，应采取措施使混凝土接合面继续保持正温，直至新浇筑混凝土获得规定的抗冻强度。4 混凝土养护技术要求对已浇好的混凝土及时覆盖保温养护，筑完成后及时收面。浇筑完后，在混凝土顶部覆盖塑料薄膜及棉被，防止混凝土表面受冻。塑料薄膜覆盖要严密，防止水分散失过快造成混凝土表面开裂。养护时的温度要求：用蓄热法养护时不得低于10；用蒸汽法养护时不得低于5，细薄结构不得低于8。混凝土的养护方法，应根据技术经济比较和规范中“冬季施工热工计算公式”计算确定。养护方法应根据现场的气温、结构物表面系数等多种因素，可选用蓄热法、蒸汽加热法、暖棚加热法或电加热法等方法，以确保混凝土结构物不受冻害。冬季施工期间，在抗压强度达到设计强度的40%前，必须防止受冻。