嘉绍大桥主通航孔承台混凝土配合比设计.pdf

总第 6 期 嘉绍大桥主通航孔承台混凝土配合比设计 3 3 嘉绍大桥 主通航孔承 台混凝 土配合 比设计 刘 尧 ( 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘要： 嘉绍大桥主通航孔承台采用大体积海工高性 能耐久性混凝土， 要求混凝土具有低水化热、 高氯离子抗渗 性能， 实现该性能必须采用多组分的矿物掺合料。各种矿物 掺合料的掺配比例不同对混凝土有不同的影响， 为寻找到适 应工程实际材料和实现混凝土最佳性能的最佳掺配比例， 通 过设定 4个因素、 3 个水平， 利用正交设计试验方法， 确定 了 混凝土矿物掺合料的最佳掺配比例以及适应工程实际材料 的外加剂掺量和砂率。 关键词 ： 嘉绍大桥 ； 承台 ； 混凝 土 ； 配 合 比； 设 计 ； 正交 试 验 ； 耐久性 l 概述 嘉 绍大桥主通航孔桥设 计为独柱型六塔 斜拉 桥 、 四索面分离钢箱 梁形式 ， 下部结构 包括桥塔 基 础 、 辅助墩、 过渡墩、 承台及其 附属设施 。桥塔基础 采用 3 0 ~3 2根桩径为 2 ． 5 0 m的钻孑 L 灌注桩， 桩长 1 O 4 ～l 1 3 m。承台采用对水 流适应 性较强 的圆形 承台， 承台直径 3 9 ． 0 ～4 O ． 6 m， 厚 6 ． 0 m， 混凝土方 量约为 7 0 0 0 m ， 在 国内同类 型海水环境桥梁中也 属罕见 。承台处于海水浪溅 区， 承台顶标高一4 ． 5 m。 处于浪溅 区的承台混凝 土配合 比设计必须重点 考虑耐久性 ， 且 以耐久性指标为前提 ， 提高混凝土抵 抗氯离子渗透能力 ， 控制大体积混凝土的水化热 ， 降 低混凝土 的绝对温升 ， 杜绝温度裂缝 的形成 。 2 混凝土配合 比设计 参数及指标 2 ． 1混凝 土 强度 承 台混凝土设计 强度 等级为 C3 0 ， 混凝土按海 工防腐混凝土配置 ， 避免使用引起碱活性反应 的集 料， 严格控制含碱外加剂的使用； 考虑到必须掺人大 掺量的矿物掺合料以满足混凝土密实和降低水化热 的需要 ， 按 2 8 d龄期抗压强度设计配合 比， 充分利 用大掺量粉煤灰后期强度的增长优势 。 2 ． 2 耐久性指标 ( 1 )氯离子总量不超过胶凝材料的 0 ． 1 。 ( 2 )氯离子扩散系数表征混凝土抵抗氯离子渗 透的能力 ， 是海工混凝土耐久性最重要的指标 ， 要求 5 6 d氯离子扩散系数43 ． 0 1 0 m。 ／ s 。 ( 3 )混凝土 内部分布大量均匀 的微小气泡 ， 其 可以进一步填充内部空隙， 阻隔连通通道， 提高混凝 土的密实性和抗冻融能力。含气量控制为 4 ％ o ～6 。 ( 4 )碱集料反应会直接造成混凝土开裂破坏 。 在避免使用具有碱活性集料的同时， 应控制混凝土 的总碱含量不超过 3 ． 0 k g ／ m。 。 ( 5 )水胶 比的大小侧面反映混凝 土内部的密实 程度 ， 水 胶 比应 控制 在一 个合 理 的范 围 内。有 资 料[ 表明水胶 比高于 0 ． 3 8时， 混凝土抵抗氯离子渗 透能力显著 降低 ， 而过小的水胶 比则易导致混凝土 自收缩 ， 自收缩也是导致混凝 土开裂 的主要原因之 一 ，因此《 嘉绍大桥专业施工技术规 程》 将本工程结 构混凝土的水胶比均控制在 0 ． 3 3 ～O ． 3 8 。 ( 6 )过多的胶凝材料不但不经济而且易引起混 凝土干缩开裂 ， 过低则无法满足混凝土 的工作性 能 要求 。胶凝材料总量宜控制在 3 8 0 ~4 5 0 k g ／ m3 。 ( 7 )混凝土 内部最高温度不超过 7 0℃， 混凝土 入模后 3 0 mi n内最大温升小于 3 0℃。 ( 8 )工作 性。塑性 ： 初 始 坍落 度 为 1 8 0 ～ 2 2 0 m m， 扩展度大于 5 0 0 mm， 2 h坍落度损失小于 2 0 mm。可泵性 ： 流下时间 8 ～2 0 S [ 2 ] ( 坍落 度筒倒置 法) ， 压力泌水 比小于 2 O 。保水性 ： 常压泌水率小 于 1 ． 5 ， 压力泌水 比小于 2 O 9 ／ 6 。 2 ． 3 原材料的选择与技术要求 海工高性能混凝土的原材料选择原则及其技术 指标仍然是突出耐久性， 以降低混凝土水化热、 控制 氯离子含量与总碱量为前提 ， 提高混凝土 的体积稳 定性 。以下列 出各材料需要重点控制 的指标 ， 其余 指标则应满足相应规范的技术要求 。 ( 1 )水泥选用宁国海螺 PⅡ 4 2 ． 5水泥 ， 各项 指标技术应 满足《 通用 硅酸盐水 泥》 ( GB ／ T 1 7 5 一 收稿 日期 ：2 0 1 1 一O 3 —3 1 作者简介： 刘尧( 1 9 8 1 一) ， 男， 助理工程师， 2 0 0 5 年毕业于武汉理工大学工程管理专业。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 桥梁检测与加固 2 0 1 1 年第 1 期 2 0 0 7 ) 及《 嘉绍大桥专用施工技术方案》 的要求， 比表 面积控制在 3 0 0 4 0 0 m ／ k g ， 3 C a AI 2 O。含量控制 在 6 ～l 2 ， 氯离子含量4 o ． 0 3 ， 碱 含量 ( Na z O +0 ． 6 8 5 K 2 0) 4 o ． 6 。 ( 2 )粉煤灰选用 江苏谏壁 I级低钙灰 ， 各项指 标技术应满足《 高强高性能混凝土用矿物外加剂 》 ( OB ／ T 1 8 7 3 6 —2 0 0 2 ) 中的要求 。 ( 3 )矿粉选用余姚 明峰 $ 9 5矿粉 ， 各项技术指 标[ 3 应满足： 比表 面积控制在 3 6 0 ～4 4 0 m ／ k g ， 需 水量比≤1 0 0 ， 氯离子含量≤O ． 0 2 ， 2 8 d活性指 数 ≥9 5 。 ( 4 )减水剂选用浙江五龙 Z WL - A- I X减水剂 ， 各项技术指标[ 4 ] 应满足 ： 减水率≥2 5 9 ／ 6 ， 氯离子含量 4 o ． 1 ， 总碱 量4 3 ． 0 。 ( 5 )粗集料选用 上虞东关 外湾 5 ～2 5 mm 碎 石 ， 各项技术指标 ] 应满足 ： 含泥量≤0 。 7 ， 松散堆 积密度 ≥ 1 4 5 0 k g ／ m。 ， 空隙率 ≤ 4 5 ， 压 碎值 ≤ 1 O ， 针片状含量≤ 1 O 。集料应进行潜在活性 的 检测 ， 不得采用可能发生碱一集料反应 ( AR R) 的活 性集料 。 ( 6 )细集料选用上虞嵊州河砂 ， 为了保证混凝 土的体积稳定性 和可泵性 ， 控制细度模数在 2 ． 6 ～ 2 ． 9 ， 其他指标按文献[ 6 ] 控制 。 ( 7 )水选用饮用水 。 3 混凝 土配合 比设计 3 ． 1 配合 比设计 思路 海工高性能混凝土的设计与普通混凝土设计存 在很大的差异， 普通混凝土中可以利用的计算经验 公式在高性能混凝土设计 中不成立。配合 比设计应 以满足混凝土的高耐久性 、 高工作性为前提， 在此基 础上， 利用已有的经验对配合比进行 了优化组合 ， 以 确定一个各组分比例适当的经济配合 比。寻找各组 分的适当比例是一件工作量非常大的工作 ， 常规 的 设计试验只能纵向比较且无法对各检测指标做科学 的分析判断 ， 因而在本次承台混凝土配合 比设计中 ， 引进 已在科 学 研究 领域 广泛 使 用 的数 学试 验 方 法一 一 正交设计法进行配合比设计。正交设计法是 将影响试验结果的因素和因素水平进行排列 ， 利用 数学排列合理分配因素 间的交互试验 ， 通过数学统 计能纵 向、 横 向对结果进行 比较并作 出科学分析， 从 而减少大量平行试验以及平行试验不能交互分 析、 比较的弊端 。 对海工混凝土耐久性、 工作性 、 强度能够造成显 著影响的 4大因素是 ： 粉煤灰、 矿粉、 外加剂 和砂的 掺量 。根据经验确定 3个 水平， 从 而构成一个 L 9 ( 3 ) 的正交设计 ， 见表 1 。 表 1 混凝土正交设计 在确定了影响因素和试验水平后 ， 必须给定一 个胶凝材料总量和用水量 ， 保证水胶比为定值 ， 避免 水胶比的影响因素 。根据矿物掺合料 的比例和胶凝 材料总量 ， 则水泥用量可确定 。这样每个试验均为 一 个独立的配合比， 其他材料的确定则按照绝对体 积法进行计算 。 3 ． 2 试验指标及检测方法 高性能} 昆 凝土因多组分材料的使用而使各因素 相互影响和制约， 全面考察混凝土的各项指标， 通过 极差分析 ， 判断对单个指标影响的最主要因素， 从而 根据不同结构对混凝土不 同的技术要求 ， 确定一个 最佳配合 比。各检测指标和检测方法见表 2 。 表 2 试验检测指标及试验方法 3 ． 3 胶凝材料和用水量确定 胶凝材料总量定为 4 2 0 k g ／ m3 ， 用水量定为 1 3 8 k g ／ m 3 。减水剂按 1 ． 0 计算( 含固量 2 5 o, 4 ) ， 则每 立方混凝土用水量实际为 1 4 4 k g ／ m。 ， 则水胶 比实 际为 0 ． 3 4 。至于 0 ． 9 oA和 1 ． 1 的减水剂掺量， 用水 量调整幅度不大 ， 对水胶比影响为 0 ． 0 0 1 ， 不予考虑。 3 ． 4 试验结果和极差分析 混凝土配合 比及试验结果见表 3 、 表 4 。正交试 验的最大优点就是通过极差分析来判断主要和次要 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 6 期 嘉绍大桥主通航孔承台混凝土配合比设计 3 5 影响因素， 从表 3的试验结果 中逐一计算极差可判 根据极差分析结果而得到的每个检测指标 的主 、 次 断出主要和次要影 响因素 。由于篇 幅有 限， 仅列 出 要影响因素和选用比例 ， 见表 5 。 表 3 混凝土配合比 表 5 影响检测指标 的主 、 次要影响 因素和初选 比例 注 ： 不 同试验组 5 6 d氯离子扩散系数的极差无明显差别 ， 故表 中未列 出。 3 ． 5 综合比例的选择 根据 表 4单个 指标 影响 因素 的分 析和初选 比 例 ， 综合考虑混凝土的各项性能 ， 根据不同要求和侧 重点 ， 确定最佳 的材料 比例见表 6 。表 6列 出的 比 例可供同类型但不 同侧重点的工程参考 。 表 6 材料 比例 的综合确定 3 ． 6 承 台混凝土配合比的选定和试验结果 根据以上 的试验分析和研究 ， 确定 的承台混凝 土配合比： 水泥 ： 粉煤灰 ： 矿粉 ： 砂 ： 碎石 ： 水 ： 减 水剂 一 1 3 2：1 8 8： 8 0： 7 6 5：l 0 5 7： 1 3 8： 4 ． 4 ， 各项试验指标检测结果[ 。 见表 7 。分析表 7可知 ， 该试验结果均满足要求 。 4工程应用 根 据设计确定 配合 比拌和混凝土 ， 现场施工采 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 6 桥梁检测与加固 2 0 1 1 年第 1 期 注 ： 初凝 时 I司为 2 0 h。 取 2次分层浇筑， 最大单次浇筑 方量为 3 6 0 0 m。 。 施工过程 中， 混凝土和易性 良好 ， 无泌水 ， 温控数据 显示入模平均温度为 1 4。 C， 3 0 rai n内最大温升为 0 。 C， 第 3天} 昆 凝土 内部绝对温升达到顶 峰( 4 3。 C) ， 远低于设计要求 ， 5 6 d氯离子扩散系数的实测结果 为 1 ． 8 9 l 0 m ／ s ， 也 同样低于设计要求。实际 施工结果表明， 嘉绍大桥主通航孔承 台混凝土配合 比设计科学、 合理 ， 各组分矿物掺合料掺配比例与实 际工程采用材料相适应 ， 混凝土水化热较低 、 耐久性 良好 、 工作性能优 良， 各项指标均满足设计要求 ， 可 作为同类型工程配合比设计的参考 。 5结语 大体积海工耐久性混凝土的配合 比设计重点强 调混凝土的耐久性 、 工作性和体积稳定性 ， 矿物掺合 料的掺量选择应重点考虑 以上几个方面， 其 比例选 择不能随意而定 。胶凝材料总量的确定 ， 应在满足 设计强度的前提下采用低限， 以限制浆体总量 ， 减少 混凝土的收缩和 自收缩危害。数学试验方法一 一正 交设计法能够科学全面地考察混凝 土性能 ， 从而根 据不同需要确定配合 比。该方法可在工地的配合 比 设计试验 中广泛应用 。 大体积海工耐久性混凝土采用大掺量的矿物掺 合料 ， 是高性能} 昆凝土的研究方 向。嘉绍大桥主通 航孔承台混凝土配合 比设计矿物掺合料掺量达到了 6 7 ， 后期混凝 土强度仍 有大 幅增长。可以在此基 础上做进一步试验研究， 但前提是必须采用优质 的 矿物掺合料。 参考文献： [ 1 ] 刘秉京．混凝土技术[ M] ．北京 ： 人民交通出版社， 20 04 ． 张明征．高性能混凝土的配制与应用[ M] ．北京： 中国 计划 出版社 ， 2 0 0 3 ． GB ／ T l 8 7 3 6 —2 0 0 2 ， 高强高性能 混凝土用矿 物外加剂 E s 3 ． GB 8 o 7 6 —1 9 9 7 ， 混凝土外加剂[ s 1 ． GB ／ T 1 4 6 8 5 --2 0 0 1 ， 建筑用卵石、 碎石[ S ] ． GB ／ T 1 4 6 8 4 —2 0 0 1 ， 建筑用砂[ S ] ． GB ／ T 5 0 0 8 0 --2 0 0 2 ， 普通混凝土拌合物性能试验方法 标 准[ S ] ． GB ／ T 5 0 0 8 1 — 2 0 0 2 ， 普通 混凝 土 力学 试 验方 法 标准 E s 3 ． 中交二航局．C 3 0 承台混凝土配合t ~ E z 3 ．2 0 1 0 ． ] ] ]]]] ] ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m