巴东长江大桥大体积混凝土防裂与高性能混凝土研究-报告简本.doc

巴东长江大桥大体积混凝土防裂与高性能混凝土研究报告简本 西部交通建设科技项目 合同号2001 318 811 93 巴东长江大桥大体积混凝土防裂 与高性能混凝土研究报告 （简本） 湖北省巴东长江大桥建设开发公司 武 汉 理 工 大 学 2004年12月 巴东长江大桥大体积混凝土防裂与高性能混凝土研究 一、研究背景 虽然大多数桥梁的设计寿命在50年甚至100年以上，但是相当一部分桥梁混凝土在3～10年内即开始出现局部开裂、剥落等破坏现象。因此，桥梁混凝土的耐久性越来越受到重视。 巴东长江公路大桥是一座特大型桥梁，主桥为五跨连续双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨径组合为4013038813040（m），其上部结构为C60悬浇预应力混凝土边主梁，A型索塔，6承台以上塔高为212m，居当时同类型桥梁亚洲第一。6、7承台均为高6m、长39m、宽24m的钢筋混凝土结构，每个承台混凝土浇筑方量为5616m3。桥面索距8.0m，桥面宽19.0m（不含锚索区），双向四车道，车行道宽16米。桥面铺装层为厚100mm的水泥混凝土。该桥总投资2.97亿元。 巴东长江公路大桥的设计使用年限约75100年。为了达到这一目标，交通部西部交通建设科技项目巴东长江大桥大体积混凝土防裂与高性能混凝土研究获得立项（合同编号2001 318 811 93），并由湖北巴东长江大桥建设开发公司和武汉理工大学共同承担。该项目的目的是配制出适合大桥承台、主梁、桥面铺装的设计要求、结构特点和施工条件的高性能混凝土，为西部桥梁建设树立一个示范工程。 二、项目的主要研究内容 本项目以巴东长江大桥为工程依托，其主要研究内容如下 （一）高性能混凝土配制的技术及原材料优化选择的研究 （1）高性能混凝土的配制技术路线，原材料技术要求、配合比设计原则与参数； （2）水泥品种、用量和水胶比（或水灰比）对混凝土拌和物流动性、粘聚性、水化热温升及硬化混凝土强度、收缩、弹性模量的影响的研究； （3）粉煤灰、磨细矿渣及其掺量对混凝土性能影响的对比研究； （4）混凝土外加剂的作用及与水泥、掺合料的兼容性研究； （5）混凝土微观结构分析与混凝土耐久性的关系研究。 （二）承台大体积高性能混凝土的配制及防裂技术研究 （1）研究适合现场大体积混凝土施工的超缓凝高效减水剂与超低热混凝土配合比，包括混凝土拌和物的和易性能，初、终凝结时间等； （2）混凝土热学性能的研究，包括水化热、绝热温升、导热系数、比热、线膨胀系数等； （3）硬化混凝土性能的研究，包括强度（抗压、抗拉）、弹模、收缩等； （4）现场施工温控防裂措施研究，包括温度场及温度应力场的计算机仿真模拟计算、温控标准和温控措施、现场监测等； （5）施工工艺与降温措施研究。 （三）主梁（C60）高强高性能混凝土研究 （1）新型高效减水保塑剂的优化选择； （2）适合现场施工的混凝土配合比研究，要求新拌混凝土具有良好的施工性能，坍落度、凝结时间符合施工要求，且坍落度损失小、不离析、不泌水，易于泵送和振捣密实； （3）混凝土的可泵性研究； （4）混凝土强度、弹性模量、绝热温升、收缩、徐变试验； （5）混凝土的耐久性试验与评价； （6）混凝土微观结构分析； （7）混凝土现场施工质量控制及施工工艺研究。 （四）桥面铺装高韧性防水高性能混凝土研究 （1）桥面铺装受力情况计算机模拟分析； （2）微膨胀剂对混凝土抗渗性及其它性能影响的研究； （3）聚丙烯合成纤维对混凝土韧性和抗冲击性能影响研究； （4）混凝土无机界面剂的研究； （5）桥面铺装混凝土的耐久性研究； （6）桥面铺装混凝土施工工艺研究。 三、研究目标 该项目研究的主要目标是针对巴东长江公路大桥在混凝土配制和施工中存在的关键技术问题，提出按照高性能混凝土的设计理念，来配制承台大体积低热防裂高性能混凝土、主梁高强高性能混凝土以及桥面铺装高韧性防水高性能混凝土，以实现巴东长江大桥主体工程混凝土的高性能化，从而保证巴东长江大桥混凝土浇筑的匀质性、强度、收缩开裂和耐久性等质量指标，同时为提高我国桥梁混凝土结构耐久性设计和施工水平提供第一手资料和成功的经验。 四、主要研究成果与创新点 课题组在广泛调研、考察了许多大型桥梁基础上，深入研究分析巴东长江大桥的承台、主梁、桥面铺装层的设计要求、结构特点、施工条件及其所处的环境，提出了巴东长江大桥在混凝土配制与施工中要解决的关键技术问题。并按照大体积混凝土防裂和高性能混凝土的设计理念，在总结高性能混凝土配制技术及原材料优化选择的基础上，分别研究配制了承台大体积低热防裂高性能混凝土、主梁高强高性能混凝土、桥面铺装高韧性防水高性能混凝土，并在依托工程巴东长江大桥得以全面应用，圆满完成了项目合同和研究大纲规定的研究任务。 经过三年多的研究，取得的主要研究成果与创新点如下 1、项目的主要研究成果 （1）制定了高性能混凝土配制的技术路线（低水胶比，掺用高效外加剂和矿物掺合料的复合技术），归纳总结了原材料优选、配合比设计的一般原则。 （2）研究配制出了低热、抗裂承台大体积高性能混凝土 通过原材料优选及配合比优化配制出了低热、抗裂高性能混凝土。在32.5矿渣水泥（矿渣掺量40）中掺入30Ⅱ级粉煤灰作为复合胶凝材料，使混合材料综合用量达到58，并通过掺加优化的超缓凝高效减水剂，控制承台C30大体积混凝土的水胶比在0.39（较常规C30混凝土水胶比大为降低），实现了承台C30混凝土的高性能化，特别是提高了该混凝土的抗温度、干燥收缩开裂性能。系统地研究了桥梁基础大体积混凝土的配制技术及工作性能、物理力学性能、热学性能、变形性能以及耐久性。通过对混凝土各组分的品质与质量选择、最佳掺量、最佳组合、最佳配合比等参数的确定，达到了提高混凝土材料自身抗裂能力和变形性能的目的。其主要技术指标达到混凝土绝热温升34.62℃，28d氯离子通电量978.75库仑，混凝土施工性能好，体积稳定性好，耐久性好，干缩小，抗冲刷能力强，且较经济。此项研究的成果目前在桥梁工程领域处于领先水平。 （3）建立了一整套完善的大体积混凝土温控防裂技术体系 采用大体积混凝土施工期温度场及温度应力场计算程序包对6、7主墩承台大体积混凝土进行了仿真计算。该计算能够模拟混凝土实际施工过程，不仅考虑了混凝土的浇筑分层、浇筑温度、养护、保温和混凝土的边界条件，而且考虑了混凝土的弹性模量、徐变、自生体积变形、水化热的散发规律等物理热学性能。在仿真计算的基础上，结合以往施工经验，制定出了承台大体积混凝土在施工期内不产生有害温度裂缝的温控标准和温控措施。实践证明，这一标准和措施安全可靠、经济合理并切实可行的。 （4）通过现场监控，积累了宝贵的承台大体积混凝土施工第一手资料 为检验施工质量和温控效果，掌握温控信息，以便及时调整和改进温控措施，做到信息化施工，在承台内部布设了96个温度测点和18个应力测点，并在现场进行了长达三个月的监控，根据监控数据及时调整温控措施，有力地保证了承台温控施工的顺利进行，承台大体积混凝土在施工期内没有出现有害裂缝，同时获得了宝贵的承台大体积混凝土温控施工的第一手资料。 （5）配制出了兼具缓凝、高早强、低水灰比和易泵送的主梁C60高性能混凝土 通过采用早期强度较高的52.5普通硅酸盐水泥，掺入14％Ⅰ级粉煤灰，辅以优化的缓凝高效减水保塑剂，较常规C60混凝土配合比适当提高胶凝材料用量，控制较低的水胶比（0.31），配制出了可泵性好、缓凝时间长、早期强度高、且干缩小、渗透性低、抗冻性高的C60高性能混凝土，解决了缓凝与早强、高强与抗裂之间的矛盾，还满足了混凝土高扬程（垂直高差120m）、长输送斜距（170m）泵送的施工要求；同时系统研究了主梁C60高性能混凝土的工作性能、物理力学性能、变形性能以及耐久性。其主要技术指标达到初凝时间27小时，初始坍落度200～220mm，扩展度500mm，60min后坍落度不小于160mm，4d抗压强度达到48.0MPa（即达到设计强度的80），28d抗压强度70MPa以上，90d强度达到85MPa以上，长期强度持续增长，体积稳定性好，耐久性好，保证了主梁混凝土强度的均匀性。经评定，混凝土浇筑质量优良，主梁表面未出现有害裂纹。 （6）研究配制出了高抗裂、高韧性、高防水的桥面铺装高性能混凝土 通过聚丙烯纤维的阻裂、增韧、膨胀剂的补偿收缩和高效缓凝减水剂的叠加作用，配制出了兼具高抗裂、高韧性、高防水的桥面铺装C40高性能混凝土；同时系统研究了该混凝土的抗裂性、韧性、渗透性、耐磨性等。其主要技术指标达到28d抗折强度达到8MPa以上，抗渗等级S22以上，且体积稳定性好的高性能混凝土，其抗裂性、耐磨性、抗冲击性、弯曲韧性等均较普通混凝土有明显提高。 （8）研制出了无机界面粘结剂并制定了施工工艺 采用多种无机材料和功能性材料，通过材料复合技术，研制出了收缩小、线膨胀系数与混凝土接近，力学性能特别是粘结性能优于混凝土、耐水的无机界面粘结剂。提出了无机界面粘结剂喷涂后应在其未干前浇筑新混凝土的措施，研制出的喷浆设备简单、易操作，可以保证均匀喷涂在桥面板。 （9）制定了桥面铺装混凝土的施工工艺 首次直接将微膨胀聚丙烯纤维混凝土单独做桥面耐磨铺装层，根据微膨胀聚丙烯纤维混凝土在搅拌、养护、抹面、刻纹等施工程序上与普通混凝土铺装层有什么不同特点，研究制定出了该混凝土在桥面铺装工程中的施工工艺在主梁中预埋钢筋→桥面凿毛并清洗干净→钢筋网安装→桥面润湿→喷涂无机界面剂→微膨胀聚丙烯纤维混凝土浇筑→混凝土整平饰面→覆盖养护→刻痕。 采用研究配制出的微膨胀聚丙烯纤维混凝土和无机界面粘结剂进行铺装后，铺装层与主梁粘接良好，且未出现开裂。 2、项目的主要创新点 （1）采用32.5等级矿渣水泥与25～30％级粉煤灰复合，辅以超缓凝高效减水剂，配制出了低热、低渗透、抗冲刷的C30泵送混凝土，并通过温度、应力仿真计算，制定了科学合理的承台大体积混凝土施工的温控方案和施工工艺，有效地防止了承台大体积混凝土开裂。 （2）采用优质级粉煤灰做掺合料，辅以缓凝高效减水保塑剂，配制了可泵性好、缓凝时间长、早期强度高、且干缩小、渗透性低、抗冻性高的C60高性能混凝土，满足了高扬程泵送的施工要求，解决了缓凝与早强、高强与抗裂之间的矛盾，保证了主梁的施工质量。 （3）研究了聚丙烯纤维阻裂增韧、膨胀剂补偿收缩、高效减水剂缓凝早强的作用及其相互叠加效应，配制了防水、耐磨、抗冲击、抗裂性好、高韧性的C40高性能桥面铺装混凝土；成功使用了无机界面粘结剂，增强了桥面铺装层与主梁混凝土间的粘结效果。 五、效益与前景 本项目配制的巴东长江大桥承台、主梁、桥面铺装层三种高性能混凝土，在原材料选择、配比设计与施工方面进行了精心设计和严格的规定。采用这三种高性能混凝土后，通过对比测算，本项目取得直接效益约680万元；同时，桥梁结构的长期耐久性得到更可靠的保证，从而可节约大量的后期维护、维修费用，这是本项目所取得社会、经济效益的关键所在。 本研究成果主要应用于大型桥梁的建设中，也可以在铁路、水利和城建等多个领域中推广应用。西部大开发对公路交通运输的需求会越来越大，交通部为配合西部大开发战略的实施，要新增1.5万公里公路建设规模。但由于西部地区多为山岭重丘地区，地形、地貌复杂，桥隧所占比重较大，以沪蓉西高速公路为例，桥隧量占总里程的三分之二，且环境复杂，对桥梁质量和施工技术要求较高。本项目对于巴东长江大桥大体积混凝土开裂与桥面铺装层等关键技术的成功解决，尤其是注重结构耐久性的理念，无疑会对延长西部桥梁的使用寿命起到重大示范作用，这也正符合我国桥梁及建筑物设计要由强度要求转向耐久性要求的潮流，因此，本项目研究成果的应用前景将会十分广阔。 8