39李传勇-海工耐久性混凝土在杭州湾70m后张法预应力箱梁中的应用.doc

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文 2006年 海工耐久性混凝土 在杭州湾70m后张法预应力箱梁中的应用 李传勇 李永强 张兵 铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081 提要本文针对C50海工耐久性混凝土在杭州湾跨海大桥70m预应力混凝土箱梁中的应用情况，介绍了海工混凝土原材料的选择和质量控制、配合比的试验结果、海工混凝土的搅拌、 浇筑及养护特点，根据70m箱梁的工程实践，提出了海工混凝土质量控制的技术要点。 关键词海工耐久性混凝土 70m箱梁 原材料 养护剂 养护 引言 混凝土用于工程结构至今已有150多年历史了，目前全世界每年混凝土用量达到90亿吨。纵观混凝土技术的发展进程，主要遵循复合化、高强化、高性能化三大技术路线。高性能混凝土是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代技术制作的混凝土，以耐久性作为设计的指标，针对不同用途要求，在耐久性、施工性、适用性、强度稳定性，经济性等性能方面有重点地予以保证。高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比，选用优质原材料，除水泥、水和骨料外，必须掺加足够数量的的矿物细掺料和高效减水剂，减少水泥用量[1]。海工耐久砼是用常规原材料，常规拌制、浇筑工艺加矿物掺和料及化学外加剂经配比优化而制作的，在海洋环境中具有高耐久性、高尺寸稳定性和良好的工作性的高性能砼。近年来修建的国际著名跨海桥梁如丹麦大贝尔特海峡工程、香港青马大桥、加拿大联盟大桥、丹麦瑞典厄勒海峡工程、日本明石海峡大桥都使用了海工耐久性混凝土[2]。目前我国正值道路桥梁等基础设施建设的高峰期，现代桥梁向大跨度、高技术、超优化方向发展如配筋密集、形体复杂、薄壁、大体积等，处于海洋性等特殊气候环境中特大型桥梁层出不穷，上海东海大桥和杭州湾跨海大桥工程，舟山金塘大桥等已建或在建跨海大桥的设计使用寿命为100年[3]。应用于跨海桥梁工程中的混凝土对耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性和经济性提出了更高的要求。高性能混凝土技术的创新也有力地促进了桥梁技术的发展。 李传勇，男，1968.5出生，工学硕士，助理研究员 1 70m箱梁C50海工耐久性混凝土的设计要求 杭州湾跨海大桥是国道主干线－同三线跨越杭州湾的便捷通道，大桥全长36km，Ⅷ标负责中、南引桥、水中低墩区、航道桥高墩区上部结构的施工，全长18270m，占全桥总长度的50，主要工作内容为540片70m预应力混凝土箱梁的预制、运输和架设。70m箱梁单片长70m,宽15.8m,高4m，重2100多吨，采用纵横双向预应力布置，为后张法预应力混凝土预制箱梁，单片梁混凝土800m3，Ⅷ标混凝土总量为40余万m3,混凝土的施工质量是70m箱梁工程质量的关键。据调查影响杭州湾地区混凝土结构耐久性的主导因素是氯盐造成的腐蚀，因此在配合比设计和施工过程中，如何提高混凝土的抗氯离子渗透能力是主要考虑的因素。杭州湾大桥专项施工技术规范对箱梁混凝土提出了具体要求，各项指标列于表1。 为满足海工混凝土的性能和配制上的要求，从以下几个方面进行混凝土的配合比设计和配制 选用优质适用和经济合理的原材料，控制原材料的质量波动；使用粉煤灰磨细矿粉等作为掺合料并保证一定的掺量，大幅度提高混凝土的内部结构致密性，降低混凝土渗透性；使用聚羧酸高效减水剂，保证混凝土拌和物有良好的工作性；降低用水量；降低混凝土水胶比；保证一定的胶凝材料用量。 表1 70m箱梁海工耐久性混凝土设计要求[4] 部 位 强度等级 最大 水胶比 含气量 氯离子 扩散系数 10-12m2/s 入模 温度 胶凝材料 最低用量kg/m3 混凝土入模时坍落度mm 弹性模量 箱 梁 C50 ≤0.34 4～6 ≤1.5 ≯30℃ 450 160200 ≮3.45GPa 2 70m箱梁C50海工混凝土原材料和配合比试验 2.1 C50海工混凝土原材料 杭州湾跨海大桥专项施工技术规范对用于海工混凝土的各项原材料提出了具体要求，经过对各种原材料的生产厂家考察，在原材料检测合格，经投标后选用的厂家是水泥为安徽宁国水泥厂生产的海螺牌PⅡ42.5型水泥，细集料为闽江中砂，粗集料为宁波北仑青峙产5～25mm连续级配碎石，掺合料为江苏镇江谏壁电厂生产的Ⅰ级粉煤灰和安徽朱家桥S95矿粉，外加剂为江苏博特材料有限公司JM-PCAⅠ型超塑化剂。表2～表7列出了各种原材料的验证试验的检测结果。 表2 闽江中砂试验结果 检 测项 目 细度 模数 含泥量 泥块含量 氯离子含量 SO3含量 碱骨料反应膨胀值 表观密度 kg/m3 堆积密度 kg/m3 试验结果 2.77 0.3 0.1 0.001 0.15 0.09 2560 1550 表3 北仑碎石试验结果 检 测项 目 压碎值 含泥量 泥块含量 针片状含量 SO3 含量 碱骨料反应膨胀值 表观密度 kg/m3 堆积密度 kg/m3 试验结果 5.5 0.4 0.1 9.5 0.08 0.078 2590 1400 表4 海螺PⅡ水泥试验结果 检测 项目 比表面积 m2/kg 凝结时间 安定性 氯离子含量 C3A 含量 标准稠度用水量 抗压强度MPa 初凝min 终凝 hmin 3d 28d 试验 结果 360 145 320 合格 0.008 7.39 26.4 33.5 57.3 表5 朱家桥S95矿粉试验结果 检 测项 目 比表面积 m2/kg 需水量比 烧失量 SO3 含量 氯离子含量 活性指数 3d 7d 28d 试验结果 423 96 1.3 0.08 0.012 57 83 100 表6 镇江谏壁粉煤灰试验结果 检 测项 目 比表面积 m2/kg 需水量比 烧失量 SO3含量 含水量 ％ 试验结果 703 88 0.1 0.7 0.2 表7 南京波特 JM-PCAⅠ外加剂试验结果 检 测项 目 减水率 泌水率比 含气量 总碱 含量 凝结时间差min 氯离子含量 抗压强度比 初凝 终凝 3d 7d 28d 试验结果 29 6.9 2.4 1.71 40 50 0.01 168 159 141 2.2 C50海工混凝土配合比试验 在开工前对混凝土配合比进行了试配，进行了物理力学性能、抗裂性能、耐久性能的对比试验。从中优选出了实际采用的配合比，监理工程师对配合比进行了平行试验，各项结果符合杭州湾跨海大桥专项技术规范的要求。根据工程的需要在冬季对配合比进行了局部调整，在保持胶凝材料总量基本不动的前提下适当增加了水泥用量，减少了矿粉用量，调整了外加剂的掺量,以期能提高早期强度，加快施工进度，防止混凝土开裂。 表8 70m箱梁理论配合比kg/m3 编号 水胶比 水泥 矿粉 粉煤灰 砂 石子 水 外加剂 砂率 Hpc-5 0.318 212 212 47 724 1041 150 4.72 41 表9 C50海工混凝土配合比拌合物性能 坍落度/扩展度mm 密度Kg/m3 含气量 压力泌水率 初凝时间h 终凝时h 抗裂性能评价平板法 氯离子含量 试验温度 0 1h 2h 195/480 180/460 150/ 2424 0.8 30 9.8 12.1 良好 0.01 25c 表10 海工混凝土物理力学性能 编号 立方体抗压强度MPa 弹性模量GPa 氯离子扩散系数 RCM法10-12m2/s Shp-5 3d 7d 28d 7d 28d 28d 56d 84d 36.3 47.9 62.2 37.8 45.1 1.0 0.652 0.494 在正式施工前采用shp－5配合比浇筑了孔道压浆试验模型梁，进行了强度、弹模、拌和物性能的测试，试验结果均能满足专项规范的要求。浇筑第一片70m箱梁时进行了温度场测试，结果显示水化热最高温度为55.8℃，发生在腹板与顶板交界处，表明截面局部尺寸大混凝土水化热温度高。 3 70m箱梁海工混凝土工程实践 3.1 原材料质量控制 原材料控制主要是砂子和碎石的质量控制。水泥、矿物外掺料和外加剂等材料都由有资质的生产厂家直接提供，在施工过程中，在厂家试验室、工地试验、监理试验室和业主试验室的多重抽样检查监督下，其技术参数一般都能满足施工生产的需要。砂子和碎石的产地大都离施工地点较远，在需要量很大时，人为因素对集料质量的影响会很大。对原材料的控制制定了从厂家发货、到运输过程、工地进料、承包任何监理试验室抽样检测全过程的质量控制措施。对于碎石采取的控制措施为非规定产地不收；粒径不符不收；石粉、含泥量超标不收；针片状石超标不收；压碎值不达标不收。砂子收料原则是非规定产地不收；细度模数未在2.6～3.0区间的不收；污染砂不收；含泥量超标不收。这些因素不但影响混凝土的和易性，对混凝土的强度耐久性能也会带来极大影响[5]。 所有工地进场的材料都要经过验收试验，其质量应符合国家标准和有关标准。 混凝土原材料特别是骨料的储存场地，选用混凝土地坪并设计了排水设施以避免积水，砂石集料独立储存，避免混杂；水泥和掺合料独立用密封罐储存防粉尘污染；外加剂应先与水拌匀。粗、细骨料的露天堆放时夏季高温时应建有遮阳棚，避免阳光直射使骨料温度增高，导致混凝土出盘温度升高；在冬季冻雨、雪天气时加以覆盖，避免骨料结冰，影响混凝土质量。 3.2 海工高性能混凝土的拌制 海工混凝土的生产机械化自动化程度较高，生产过程比较复杂，对搅拌机操作人员的要求除熟悉电脑基本操作外,还必须熟悉材料的性能和混凝土的基本知识。所有操作人员都经过培训考试合格后才上岗。海工耐久性混凝土生产的质量和速度，取决于搅拌设备的先进程度和质量稳定性。本工程选用了4台南方路机制造的HZS-100模块式混凝土搅拌站，其主机是MSO3000双轴强制式搅拌机，每台每小时理论生产能力为100m3。砂、石集料均为皮带输送机输送，皮带机有遮阳、防雨棚，能防止雨天在输送过程中加大含水量；水泥、矿粉、粉煤灰采用螺旋输送器封闭输送；水和外加剂采用专用水泵输送。 在混凝土开始拌制前2小时，在现场取有代表性的样品测定骨料的含水量，将理论配合比各种原材料的用量和测定的含水率输入搅拌机。根据实际施工的观察搅拌时间宜控制在3min加水完成后为搅拌100s，投料顺序为集料砂、石、胶凝材料水泥、矿粉、粉煤灰、水和外加剂。最后加水和外加剂，能充分发挥外加剂的作用。混凝土搅拌站的计量系统为电子传感器和PANTHER T600工业称重终端，具有定值及配料控制作用。安装完成后，经当地计量部门计量检定合格，使用过程中，每一星期进行定期校验，以保证混凝土原材料计量精度。海工混凝土对用水量和外加剂用量十分敏感，拌制时，原材料及各种矿物质掺和料、外加剂的计量要非常准确，原材料砂、石的含水率的变化、外加剂的掺量的微小偏差都将引起配合比的变化。矿物掺和料的充分分散关系到砼的性能的关键，因此拌合时间也要稍长一些，海工耐久砼比较脆弱，波动性较大。必须严格拌制工艺。 各种原材料计量误差控制为水泥、矿粉、粉煤灰、水、外加剂1；粗、细骨料2。每班工作过程中，常检查冲量落差补偿，随时调整补偿量。 在施工过程中发现混凝土搅拌机的搅拌电流与混凝土坍落度之间存在一定的联系，混凝土坍落度小，搅拌阻力大电流就大，反之混凝土坍落度大，搅拌阻力小，电流就小。搅拌机电流比现场实测坍落度和扩展度更为直观、便捷，在浇筑海工混凝土时将搅拌机电流与实测的混凝土坍落度同时作为控制混凝土拌合物和易性的指标控制混凝土质量取得了明显的成效。 3.3 海工混凝土的浇筑 1 70m箱梁预制采用拌和站拌和、运输车运输、输送泵输送、布料机布料的施工技术。 2 混凝土采用连续浇筑，浇筑时采用斜向分段，水平分层的方法。水平分层厚度控制在30cm以内，下梗斜部分两端加厚段及锚块的混凝土充分翻浆以保证下梗斜部分密实，浇筑时根据实际情况调整坍落度的变化。 3 混凝土灌注入模时下料均匀，布料与振捣相配合，混凝土的振捣与下料交错进行。底板灌注完成后，分别向跨中对称灌注腹板混凝土，防止两边混凝土面高低悬殊，造成内模偏移。采用插入式振动器振捣,梁体混凝土一次性连续灌注成型。单片梁混凝土灌注时间控制在8～10h。 4 海工耐久砼水化时释放热量多，因此其温度控制要求高，体内温升峰值控制困难，特别是对于像箱梁这种大体积、薄壁砼结构水化热升高使内外温差加大，更容易产生裂纹，因此对原材料的入机温度，砼初始入模温度等各方面均要严格控制。夏天要对砂石料进行遮阳降温，对水泥要提前预留散热时间并采取降温措施，必要时要制冰加冷水，灌注时间一般安排在1900以后以避开高温时段。混凝土浇筑重点控制以下几个温度 a．控制砼的入模温度，不宜超过28℃，不应大于30℃。 b.砼的表面接触物与砼的表面温差不大于15℃。 c.大体积砼入模后30min的最大温升应小于30℃。 d.砼的初始温度及出机温度应控制在5℃～28℃之间。 5 用水量的降低和大量掺用矿粉使海工高性能混凝土粘度增加，搅拌时间的延长使得混凝土设备的磨损加剧，输送能力降低，设备的使用和维修费用增加，要求做好混凝土搅拌和输送设备的保养和维修工作，保证在混凝土浇筑时设备处于良好的工作状态。 6 通过300余片70m箱梁的预制深深体会到一线技术人员和操作工人的敬业精神和技术水平对保障海工混凝土质量的重要性。施工技术人员的技术水平工作态度是保证海工混凝土质量的重要条件。应加强对混凝土施工一线操作人员的技术交底和技术培训，做好施工工艺的总结，针对容易出现的质量通病研究特殊处理办法，保障海工混凝土质量。 3.4海工耐久性混凝土养护 1 海工混凝土养护的特点 以低水胶比和大掺量磨细矿物外掺料为使用高效减水剂为特征的海工耐久性混凝土与传统混凝土相比存在着自干燥问题，其致密的孔隙结构特点使得外部水分难以侵入，从内部提供水源的自养护是解决自干燥收缩的有效技术途径[6]。海工耐久砼施工时应尽量减少暴露的工作面和暴露时间，浇筑完成后应立即抹平进入养护程序。箱梁顶面混凝土由于阳光直射温度较高容易产生温差过大的现象，风速较大也容易造成混凝土表面失水过快而导致混凝土开裂。 2 70m箱梁海工混凝土的养护过程 养护分保温或保湿两个阶段。养护材料为工程织物、液体膜形成剂或者棉制垫层材料。在浇注完毕后立即进行覆盖保温。箱梁砼顶板在浇注完收浆抹平之后开始覆盖工程织物，并有足够的重叠，以形成有效的防燥密封，然后立即浇湿，并在整个养护时期内保持饱和状态。混凝土保温分灌注后的整体保温及脱模后的保温两部分。灌注后的整体保温，应优先采用覆盖的方法，冬季临近海边，风作用及昼夜温差对梁体产生的内外温差均会造成温差裂纹。冬季低温施工时，混凝土灌注完毕后外模表面喷上泡沫保温层保温。梁体脱模后的保温主要是防止脱模瞬间混凝土内外产生的温差，对海工耐久混凝土其温差应控制在10～15℃以内。混凝土浇筑完成初凝后，桥面立即用土工布覆盖。在桥面高边一侧及箱内布设水管，保证土工布和箱底湿润，拆模后的养护以洒水养护为主，洒水养护用自动喷水系统和喷雾器，湿养护应不间断，气温低于5℃时应覆盖保温，不得浇水养护。养护时间到预应力张拉完为止。箱梁拆模后除顶底板继续覆盖洒水外，腹板内外侧用Masterkure 128养护剂进行养护，翼缘板底均采用养护剂成膜覆盖养护。养护剂在使用前试验室用混凝土试件对其保湿效果进行了测试，测试结果列于表10，从测试结果看，养护剂保湿效果良好。从养护剂在梁体的使用的情况看，养护剂覆盖养护的效果较好，未发现裂纹。 表10 养护剂保湿试验结果 测试时间 试件重量g 备注 ① ② ③ 成型时 8112 8212 8163 喷涂前 成型后1天 8112 8212 8163 喷涂后已干 成型后1天 8111 8210 8161 成型后2天 8110 8210 8160 成型后3天 8110 8210 8160 成型后7天 8109 8209 8159 成型后14天 8109 8209 8159 3.5 C50海工耐久性混凝土性能 至2006年7月底，已生产70m箱梁300多片，共浇筑海工混凝土300000m3，混凝土性能稳定，梁体外观质量良好，无裂纹产生，海工混凝土的试验结果列于表11。 表11 混凝土物理力学性能及耐久性指标统计 类别 组数 最大值 最小值 平均值 标准差 变异系数 28天强度MPa 2560 75 50.6] 64.9 3.6 5.5 28天弹模GPa 320 4.62 3.83 4.45 0.22 4.9 84天氯离子抗渗系数RCM法10-12m2/s 145 1.32 0.795 1.23 0.153 12 4 结论 1 采用矿粉粉煤灰和高效减水剂可以配制出高耐久性的海工混凝土， 聚羧酸系列减水剂不仅减水率高，而且坍落度保持性能好，对大掺量的外掺料的混凝土早期强度有较好的激发作用。 2 原材料特别是砂石料的质量对海工混凝土的性能影响很大，应建立严格的原材料控制体系，保证原材料质量的稳定性。 3 海工混凝土对用水量和外加剂用量十分敏感，应加强对混凝土拌合站计量系统的校验，严格控制用水量和外加剂用量，保证海工混凝土的质量。 4 混凝土搅拌机的搅拌电流与混凝土海工混凝土和易性之间存在相关性，可作为控制混凝土坍落度和扩展度的依据。 5 由于用水量的降低和大量掺用矿粉使海工高性能混凝土粘度增加对混凝土设备搅拌机、输送泵、输送管的磨损加剧，输送泵的压力增大输送能力降低，增加了设备的使用和维修费用。 6 及时和合理的养护对海工耐久性混凝土的质量至关重要，对混凝土及时覆盖和保湿养护，控制内外温差，是防止混凝土裂纹的重要措施, 混凝土养护剂保湿效果良好，能起到对海工混凝土的自养护效应。 7 施工技术人员及一线操作工人的技术水平和敬业精神是保证海工混凝土质量的重要条件,加强对混凝土施工一线操作人员的技术交底和技术培训，做好施工工艺的总结，针对容易出现的质量通病研究特殊处理办法是保障海工混凝土质量的重要手段。 参考文献 [1] 吴中伟，廉慧珍,高性能混凝土.北京中国铁道出版社. 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