高性能混凝土在温福铁路宁德特大桥中的应用.pdf

5 4 桥梁检测与加固 2 0 0 9 年第 2 期 高性 能混凝土在 温福铁路宁德特大桥 中的应 用 文 成海 ( 中铁大桥局集团第二工程有限公司， 江苏 南京 2 1 0 0 1 5 ) 摘 要：结合温福铁路宁德特大桥工程， 通过分析机 理， 优选原材料， 改善混凝土的耐久性、 强度、 工作性和经济 性， 精心组织 ， 精心施工， 取得较好的效果。 关键词： 混凝土桥； 高性能混凝土； 耐久性； 施工设计 1 概述 温福铁路( 福建段) 宁德特大桥设计速度 2 0 0 2 5 0 k m／ h ， 使用寿命 1 0 0年； 地处海水 区严重腐蚀 环境 ， 环境作用等级为氯盐环境 L 2 ~L 3 级 、 化学侵 蚀环境 H2 级 。结构耐久性要求高 ， 因此采用高性 能耐久 ( 防腐蚀) 混凝土。 2 高性能耐久混凝土配合比设计原则 2 ． 1 选用优质的原材料 2 ． 1 ． 1 水泥 水泥过细， 水泥熟料 中 C 。 A含量过高 ， 将导致 水泥的水化速度过快 ， 水化热过于集 中释放， 表现为 混凝土的收缩增大、 内外温差偏大 、 抗裂性下 降， 对 混凝土耐久 性不 利。因此 ， 应对 水 泥 比表 面积及 C 。 A含 量 加 以 限制 。要 求 水 泥 比表 面 积 ≤ 3 5 0 m。 ／ k g ； C 。 A ≤8 ． 0 ％。水泥中的碱含量过高不仅容 易引发混凝 土的碱一骨料反应， 而且增加混凝土的 开裂倾 向。不宜采用碱含量过高的水泥 ， 要求碱含 量4o ． 0 6 。宁德特大桥选用江苏双龙集团有限公 司的 P O 4 2 ． 5级水泥， 技术指标符合要求。 2 ． 1 ． 2 掺和料 采用烧失量大的粉煤灰配制的混凝土工作性能 差 ( 烧失量大意味着含碳量大 ， 从而需水量大导致坍 落度损失大 、 不易捣实) ， 强度效应差 ( t a特兰效应降 低) ， 耐久性差 t i f f 孔 固化和致密效应降低 ) 。因此 ， 对粉煤灰的烧失量应予 以重点控制 ， 而对于细度不 必过于苛求 。 在混凝土中掺入矿渣能增加耐久性 ， 矿渣越细 ， 活性越高 ， 收缩也随矿渣细度的增加而增加 ， 所以太 细了也不好 。从减少 昆凝土收缩开裂的角度出发 ， 磨细矿渣的比表面积以不超过 5 0 0 m ／ k g为宜 ， 最 好不超过 4 5 0 r n ／ k g 。现在选用的矿渣 比表面积在 4 0 0 m ／ k g左右 。所 以， 考虑采用双掺( 即矿渣和粉 煤灰) 的办法 ， 利用二者的细度和活性差异使二者起 到互补作用。宁德特大桥选用的粉煤灰是漳州后石 电厂 F类 I级灰 ； 选用的矿渣是福州新丰建材有限 公司的 $ 9 5 级 。技术指标满足要求 2 ． 1 ． 3 骨料 细骨料选用级配合理 、 质地均匀坚 固、 吸水率 低、 空隙率小的洁净天然 中粗河砂 。各项指标均符 合耐久混凝土用细 骨料 要求 。粗骨料选用级配合 理、 粒形 良好、 质地均匀坚 固、 线膨胀系数小的洁净 碎石 。在运输和装卸过程中， 其级配可能发生变化 。 为了确保骨料具有 良好的级配 ， 采用多级配石， 如采 用二级配石或三级配石。 宁德特大桥采用 5 ～1 6 mm 和 1 6 ～3 1 ． 5 mm 的二级配碎石配制 C 5 0以下级别的混凝土， 而 C 5 0 以上的混凝土用碎石是 5 ～1 6 mm 和 1 0 ～2 0 mm 的二级配碎石。使用过程 中对粗 骨料实行分级采 购、 分级存贮 、 分级计量 ， 配合 比试配时再确定各级 配碎石 的具体用量 ， 以使骨料具有尽可能小的空隙 率 ， 从而降低混凝土的胶凝材料用量 。骨料的坚 固 性及有害物含量对混凝 土的耐久性影响较大， 对骨 料中有机物、 云母、 轻物质 、 氯离子含量 等做 了严格 限制 。水、 混凝土中的碱 、 活性骨料是发生碱 一骨料 反应的 3个必要条件， 缺一不可 。为预防混凝土发 生碱一骨料反应 ， 选用非碱活性骨料。宁德特大桥 选用的碎石是温福铁路霞浦盐 田隧道洞渣 ； 选用的 砂是福安赛岐河砂 。技术指标满足要求。 粗骨料的最大公称粒径不宜超过混凝土保护层 厚度的 2 ／ 3 ， 且不得超过钢筋最小间距的 3 ／ 4 。配制 C5 0及 以上混凝土时 ， 粗骨料最大公称粒径 ( 圆孔) 不应大于 2 5 mm。其松散堆 积密度 应大于 1 5 0 0 收稿 日期 ：2 0 0 9 一O 3 一O 9 作者简介 ：文成海 ( 1 9 7 4 一) ， 男 ， 高级工程师， 1 9 9 7年毕业于武汉 工业大学无机非金属材料专业 ， 工学学士 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 高性 能混凝土在温福铁路宁德特大桥 中的应用 5 5 k g ／ m。 ， 紧密空隙率宜小于 4 0 ， 吸水率应小于 2 ( 1 1 于干湿交替或冻融破坏环境条件下的混凝土应 小于 1 ) 。当粗骨料为碎石时， 碎石 的强度用岩石 抗压强度表示 ， 且岩石抗压强度与混凝 土强度等级 之 比不应小于 1 ． 5 。施工过程 中碎石 的强度 可用压 碎指标值进行控制 。 2 ． 1 ． 4 ~ b 3 I I 剂 ~ b J 3 l 剂应采用减水率高 、 坍落度损失小、 适量引 气 、 能明显提 高混凝 土耐久性且质量 稳定 的产 品。 外加剂的性能品质 、 匀质性和与水泥 的相容性是成 功配制高性能混凝土的基本条件。混凝土中掺入少 量引气剂后 ， 就能使每方混凝 土中引人数千亿个微 小气泡 ， 使混凝土的抗冻融性能大大提高。引气剂 不仅能减少混凝土的用水量， 降低泌水率 ， 更重要的 是混凝土引气后 ， 水在拌合物 中的悬浮状态更加稳 定， 因而可以改善骨料底部浆体泌水 、 沉陷等不 良现 象。经过对多厂家和多 品种的外加剂进行筛选 ， 选 用福1 + 1 1 t 先工程材料 有限公司生产 的聚羧酸系列 C X一8型。该外加剂通过铁道部质量监督检测 中 心铁建所和福建省工程质量检测中心等权威部门的 技术鉴定 ， 可确保t l - 3 O ~ 3 剂的质量和使用安全性。 2 ． 1 ． 5 拌合水 拌合水 的碱含量是新增要求 ， 主要是 为了控制 混凝土的可溶性总碱含量 。宁德特大桥拌合水符合 表 1 的技术要求_ 1 j 。 2 ． 2 选用较低的水胶 比和较少的胶凝材料 胶凝材料主要是满足混凝土工作性和胶结强度 的需要 ， 过高的胶凝材料用量， 不仅可使混凝土开裂 趋势增大 ， 而且可能造成混凝土的泛浆分层 ， 对混凝 土的耐久性反而不利。在此前提下， 单方胶凝材料 用量应尽可能减少 。但过少的胶凝材料用量对混凝 土的强度、 耐久性和工作性能不利 ， 因此胶凝材料用 量应不小于最小限值 。参 照《 混凝土结 构耐久性设 计与施工指南 》 ， 结合我国铁路混凝土结构的具体情 况 ， 将环境类别分为碳化环境 、 氯盐环境 、 化学侵蚀 环境 、 冻融破坏环境和磨蚀环境 ， 作用等级分别为 3 ～ 4级 。根据环境作用等级 ， 可 以确定每方混凝土 的最大水胶 比和最小胶凝材料用量。在条件许可的 情况下， 尽量选用较低的水胶比， 减少单方用水量和 胶凝材料用量 ， 有利于提高混凝土的密实性 ， 降低混 凝土的渗透性并减少收缩量 ， 对提高混凝土的耐久 性非常有利 。另外 ， 降低水胶 比是发挥矿物掺和料 对混凝土强度贡献的重要条件 。 2 ． 3 使用合理掺量的矿物掺和料 耐久混凝土 的保证措施 ： ① 严格控制混凝土的 总碱含量和总氯离子含量 ； ② 掺加矿物掺和料 。在 水泥品质得到保障的前提下 ， 使用大掺量矿物掺和 料——磨细矿渣和粉煤灰 ， 但矿物掺和料掺量增加 也可能带来负面影响( 如硬化初期对温、 湿度的敏感 性) 。应充分考虑掺和料品质 、 水胶 比影响 、 ~ l- 3 I I 剂 的掺人效应、 养护技术等要求。在预应力混凝土结 构中， 对粉煤灰 的用量应适 当限制， 一般 不应超过 3 O 。 2 ． 4 严格控制混凝土的总碱含量和总氯离子含量 通过选用碱含量和氯离子含量较低 的水泥、 外 掺料 、 骨料 、 外加剂和水。严格控制混凝土的总碱含 量和总氯离子含量来提高混凝土的耐久性。 3 高性能耐久混凝土配合比设计过程 按耐久性要求设计 的混凝土应满足工作性 、 强 度和长期耐久性的要求 ， 其 中混凝土耐久性能的试 验周期 比较长 ， 一般为 2 ～3个月 ， 混凝土配合 比的 耐久性试验也不可能一次成功 ， 所 以混凝土的配合 比试验应充分考虑这种情况 ， 预留足够的时间。 宁德特大桥预制箱梁配合比设计全过程如下： 掌握耐久混凝土配合 比理论一选择原材料一试配观 测拌合物性能一配 比调整一重复试配一拌合物性能 测试一混凝土力学性能测试一整理资料( 满足要求 时) 一提交报告一监理审批一 铁道部质量监督检测 中心( 桥基站) 验证( 有要求时) 。 4 高性 能耐久混凝土的检测 首先是新拌混凝土的性能检测。包括和易性、 坍落度、 泌水率、 含气量等 ； 混凝土凝结硬化后 的抗 裂性 、 强度 、 弹性模量、 电通量等。另外 ， 通过各种手 段测试混凝土性i i ( 工作性、 强度 、 耐久性 、 温差控制 表 1 拌合 水的品质 指标 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 桥梁检测与加固 2 0 0 9年第 2 期 等) 是否能达到设计要求。宁德特大桥桩基、 墩台、 梁体等配合比设计所测混凝土的坍落度 、 泌水率 、 含 气量 、 抗裂性、 强度、 弹性模量、 电通量等均能满足规 范要求。配合比试件和实体浇筑试件 5 6 d电通量 值全部小于 1 0 0 0 C， 最小值只有 3 0 0 C。 5 高性能耐久混凝土施工 采用 7 5 m。 ／ h双 卧轴强制式搅拌机拌制混凝 土。搅拌机的功率大 、 效率高， 混凝土拌合物质量均 匀也相对稳定。其电子计量系统更有效地保障了拌 合物的质量稳定 。 控制新拌混凝土的出机温度 ， 防止混凝土早期 受冻或入模温度过高 。在本地区， 冬季温度一般在 0℃以上 ， 白天温度稍 高， 是混凝 土施 工的有利 时 间。夏季 ， 在高温下拌和、 浇筑和养护会损害混凝土 的质量和耐久性 ， 过热会使坍落度损失过快 ， 拌合物 用水量增大等。因此， 炎热天气施工对混凝土的最 高温度和浇筑作业应有限制 。按规范 ， 混凝土的人 模温度不宜大于 3 0℃， 一般高温环境时 ， 在拌合水 中加入冰块 ， 以降低新拌混凝土的出机温度。在酷 热季节禁止浇筑混凝土。 降低混凝土拌合物温度的主要措施 ： ① 用冷水 或冰水 ； ② 冷却 水泥温度 ； ③ 用冷却水喷洒 、 浸泡 或冷风降低骨料温度 ； ④ 对搅拌和运输设备进行遮 阳、 隔热处理； ⑤ 夜间浇筑。 混凝土的收缩在浇筑早期最为 明显 ， 且 随龄期 的增长， 混凝土的收缩率会逐渐减少 。当新鲜混凝 土浇筑于已硬化混凝 土表面时 由于 2种混凝土的 收缩不能同步 ， 新浇混凝土往往 由于收缩受到 已硬 化混凝土的限制而开裂 ， 这种现象在 2种混凝土温 差过大时更为明显。控制混凝土的各种温度主要是 为了防止温差过大引起混凝土产生裂缝。混凝土养 护要注意湿度和温度 2 个方面 。养护不仅是浇水保 湿 ， 还要注意控制混凝土的温度变化。在湿养护的 同时， 应该保证混凝土表面温度与内部温度和所接 触的大气温度之间不出现过大的差异。采取保温和 散热的综合措施 ， 可以防止温降和温差过大。 混凝土潮湿养护通常采用喷水或保水方法， 或 用湿砂土、 湿麻袋覆盖。在遮阳防晒条件下进行混 凝土潮湿养护 ， 往往 比向混凝土外露面洒水养护还 有效 。密封薄膜养护在水源不足时是很好的保湿养 护手段 ， 但应注意薄膜密封前混凝土表面必须处于 饱水状态 。 拆除模板或撤除保温防护后 ， 如表面温度骤降 ， 混凝土就可能会产生龟裂。只有当混凝土任何部位 的温度都处于逐渐下降状态时才能撤除保温防护。 大体积混凝土不能降温过快， 因为当混凝土内外存在 温差时， 表面骤冷的混凝土产生裂缝的可能性很大。 混凝土温度控制 的原则 ： ① 升温不要太早和太 高； ② 降温不要太快 ； ③ 混凝土 中心和表面之间、 新老混凝土之间以及混凝土表面和大气之间的温差 不要太大。温度控制 的方法和制度要根据气温( 季 节) 、 混凝土内部温度 、 构件尺寸 、 约束情况 、 混凝土 配合 比等具体条件来确定。 6 高性能耐久混凝土施工应注意的问题 混凝土拌制前 ， 应测定砂 、 石含水率 ， 根据测试 结果和理论 配合 比提出施工 配合 比并进行 首盘鉴 定 。运输过程中， 应确保混凝土不发生离析 、 漏浆、 严重泌水及坍落度损失过多等现象 。混凝土灌注过 程 中， 应随时对混凝土进行振捣并保证使其均匀密 实， 不过振 、 漏振 ， 控制混凝土浇筑时的人模温度 、 拆 模时的温度及养护过程 中的温度 ， 应制定明确 的控 制方案并有效地实施。混凝土掺加矿物掺和料， 混 凝土硬化初期对温、 湿度较为敏感 ， 易发生 自收缩而 产生裂纹。所以， 混凝 土浇筑捣实后应及时注意温 度变化， 在湿养护的同时， 应该保证混凝土表面温度 与内部温度和所接触的大气 温度之间温差不大于 2 O℃， 采取保温和散热的综合措施， 防止温降和温 差过大； 混凝土任何部位的温度都处于逐渐下 降状 态时 ， 才能撤除保湿防护， 大体积混凝土不能降温过 快， 因为当混凝土内外存在温差时 ， 表面骤冷时 ， 混 凝土产生裂缝的可能性很大。混凝土在保温时 ， 必 须补充足够的水分 。在保证和解决 以上问题后 ， 高 性能耐久混凝土应很容易实现。 7 结语 宁德特大桥桩基 、 墩台、 梁体等混凝土质量均达 到高性能耐久混凝 土标 准。实体浇筑试件强度和 5 6 d电通量值全部满足设计要求。其中预制梁的 配合 比和材料送铁道部质量监督检测中心( 桥基站) 验证 ， 6项耐久性指标全部符合要求 。 参考文献 ： [ 1 ] 铁建设 [ 2 0 0 5 ] 1 5 7号 ， 铁路混 凝土 结构耐 久性 设计暂 行规定[ S ] ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m