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高性能混凝土在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用探討
[摘要]本文介紹了三個(gè)方面的內(nèi)容:一是高性能混凝土產(chǎn)生的背景。二是高性能混凝土的特性。三是高性能混凝土在施工中需注意的問題。
[關(guān)鍵詞]高性能混凝土 橋梁建設(shè) 應(yīng)用
高性能混凝土是20世紀(jì)80年代末90年代初,一些發(fā)達(dá)國(guó)家基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提出的一種全新概念的混凝土,它以耐久性為首要設(shè)計(jì)指標(biāo),這種混凝土有可能為基礎(chǔ)設(shè)施工程提供100年以上的使用壽命,如香港的青馬大橋、加拿大的聯(lián)盟大橋等,這些跨海大橋的設(shè)計(jì)使用壽命均在100年以上,而建設(shè)部于20世紀(jì)90年代組織了對(duì)國(guó)內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)查,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)建筑及露天構(gòu)筑物在使用25～30年后即需大修,處于有害介質(zhì)中的建筑物使用壽命僅15～20年。為了區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土,高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高強(qiáng)度和高體積穩(wěn)定性等許多優(yōu)良特性,被認(rèn)為是目前全世界性能最為全面的混凝土,至今已在不少重要工程中被采用,特別是在橋梁、高層建筑、海港建筑等工程中顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性,在工程安全使用期、合理性、環(huán)境條件的適應(yīng)性等方面產(chǎn)生了明顯的效益,因此被各國(guó)學(xué)者所接受,被認(rèn)為是今后混凝土技術(shù)的方向。
一、高性能混凝土產(chǎn)生的背景
1.技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的需要。各種超長(zhǎng)、超高、超大型混凝土構(gòu)筑物,以及在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的重大混凝土結(jié)構(gòu)工程施工難度大,使用環(huán)境惡劣、維修困難,因此要求混凝土不但施工性能要好,盡量在澆筑時(shí)不產(chǎn)生缺陷,更要耐久性好,使用壽命長(zhǎng)。
2.全世界都面臨早年用普通混凝土修建的橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施老化問題嚴(yán)重,需要投入巨額資金進(jìn)行維修或更新。
3.混凝土作為用量最大的人造材料,它的使用對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響巨大。傳統(tǒng)混凝土的原材料都來自天然資源,每用1t水泥,大概需要0.6t以上的潔凈水,2t砂、3t以上的石子;每生產(chǎn)1 t硅酸鹽水泥約需1.5 t石灰石和大量燃煤與電能,并排放1tCO??2,而大氣中CO??2濃度增加是造成地球溫室效應(yīng)的原因之一。為了滿足龐大的混凝土用量,過度開采礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞并嚴(yán)重影響環(huán)境和天然景觀。再者,由于混凝土過早劣化,如何處置費(fèi)舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環(huán)境帶來威脅。因此,未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量,必須更多地利用各種工業(yè)廢渣作為其原材料;必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用,未來的混凝土必須是高性能的,尤其是耐久的。耐久和高強(qiáng)都意味著節(jié)約資源。高性能混凝土正是在這種背景下產(chǎn)生的。
二、高性能混凝土的特性
與普通混凝土相比,高性能混凝土在組成與配合比方面有如下特點(diǎn):
1.使用礦物摻合料。高性能混凝土一般都含有礦物摻和料硅粉、粉煤灰或磨細(xì)礦渣,經(jīng)過國(guó)內(nèi)外大型橋梁中的實(shí)際應(yīng)用表明,其中以硅粉提高強(qiáng)度和耐久性的效果最顯著。硅粉為高活性、無定性SiO??2微小顆粒,粒徑是水泥粒徑的1/100,可以填充在水泥顆粒之間,同事能將水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)??2轉(zhuǎn)化為CSH凝膠(即火山灰反應(yīng)),從而大幅度提高混凝土強(qiáng)度和降低混凝土滲透性。在非常惡劣環(huán)境中要求混凝土結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)壽命,或混凝土強(qiáng)度等級(jí)在C80以上,硅粉是高性能混凝土的必要組成部分。優(yōu)質(zhì)粉煤灰具有物理減水作用,高細(xì)度礦渣具有增強(qiáng)作用。這兩種摻和料也都有火山灰反應(yīng)活性,能夠在一定程度上降低混凝土滲透性;但粉煤灰和礦渣會(huì)降低混凝土早期強(qiáng)度。同時(shí)摻加硅粉和優(yōu)質(zhì)粉煤灰或高強(qiáng)度礦渣,可以配置高強(qiáng)同時(shí)耐久的混凝土。目前這種水泥+硅粉+粉煤灰或礦渣的三組份膠結(jié)材的高性能混凝土正在獲得越來越多的應(yīng)用。
2.低水膠比。只有水膠比低,混凝土的孔隙率或滲透性才可能低,因此低水膠比是保證混凝土高耐久性于較高強(qiáng)度的前提條件之一。目前已形成共識(shí):水膠比低于0.45的混凝土,不可能在嚴(yán)酷環(huán)境中具有高耐久性,實(shí)際應(yīng)用的高性能混凝土水膠比常常介于0.25~0.40之間。
3.最大骨料粒徑小。高性能混凝土骨料的最大粒徑宜在10~20mm。有兩個(gè)原因,其一;最大粒徑較小,則骨料與水泥漿界面應(yīng)力差較小,一位應(yīng)力差可能引起裂縫;其二:較小骨料顆粒強(qiáng)度比大顆粒強(qiáng)度高,因?yàn)閹r石破碎時(shí)消除了內(nèi)部裂隙。
4.高效減水劑與水泥的相容性好。低水膠比和含有硅粉的高性能混凝土除必須使用高效減水劑以外,高效減水劑和水泥之間的相容性還必須好,這樣才能保證混凝土拌和物有良好的工作性。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用已基本了解出現(xiàn)相容性的原因是:高效減水劑與水泥的CaSO??4均能與水泥水化速度最快的C??3A反應(yīng),如果水泥的石膏不能及時(shí)釋放硫酸根離子與C??3A反應(yīng),則大量高效減水劑就會(huì)被C??3A所束縛,高效減水劑就不能發(fā)揮應(yīng)有的減水作用,即出現(xiàn)相容性問題。一般C??3A含量高和使用硬石膏的水泥,容易出現(xiàn)與高效減水劑相容性不良的問題。
雖然高性能混凝土具有上述共性,但并不意味高性能混凝土?xí)袠?biāo)準(zhǔn)的組成或配合比,因?yàn)槊總�(gè)工程的原材料和對(duì)強(qiáng)度、耐久性的要求都不同,配合比使用中也會(huì)根據(jù)橋梁的實(shí)際需要使用不同類型的水泥、礦物摻和料和化學(xué)外加劑。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土大梁,配合比主要是以強(qiáng)度指標(biāo)為基礎(chǔ),一般同時(shí)能夠獲得較高耐久性,因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土的滲透性較低。相反,現(xiàn)澆橋面板的高性能混凝土配合比則一般以耐久性為基礎(chǔ),同時(shí)也規(guī)定了混凝土的最小抗壓強(qiáng)度。
三、高性能混凝土在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的問題
表1 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)的耐久性要求
高性能混凝土的突出特點(diǎn)就是摻加礦物摻合料、降低水泥用量、低水膠比、摻用復(fù)合外加劑等。2000年的《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)中,就已經(jīng)明確提出,水泥用量是指“水泥與礦物摻合料總量”,水灰比就是水膠比。在這之后的《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTG/T B07-01-2006)中明確提出了各種環(huán)境下最小膠凝材料用量,與《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)中的水泥用量基本一致,如表2,同時(shí)提出最小水泥用量應(yīng)不低于240 kg/m3。作為施工人員在實(shí)際應(yīng)用中一定要認(rèn)真學(xué)習(xí)規(guī)范,靈活運(yùn)用規(guī)范,而不被規(guī)范束縛,和普通的混凝土應(yīng)用區(qū)別開來。
表2 《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求
四、高性能混凝土在施工中需注意的問題
高性能混凝土的特點(diǎn)是低水膠比、高礦物摻和料、復(fù)摻外加劑,這與普通混凝土是不同的,這使得高性能混凝土在施工的質(zhì)量控制、養(yǎng)護(hù)措施都與普通混凝土不同。低水膠比決定于混凝土的粘性變大,在混凝土的運(yùn)輸、澆注、振搗工藝上必須嚴(yán)格控制,有的施工人員為方便施工而摻水,結(jié)果強(qiáng)度、耐久性大幅度下降;高礦物摻和料要求混凝土的養(yǎng)護(hù)必須到位,普通混凝土早期強(qiáng)度高水化快,對(duì)養(yǎng)護(hù)不是很敏感,但高性能混凝土則不同,高性能混凝土用水量低,易發(fā)生自身收縮而產(chǎn)生裂縫,所以澆筑搗實(shí)后,蓋上濕布或草簾進(jìn)行早期養(yǎng)護(hù)。保證水化反應(yīng)的正常進(jìn)行是保證高性能混凝土高性能的重要工藝措施,在混凝土澆筑完畢后12小時(shí)以內(nèi),通過濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù),使混凝土在良好的條件下進(jìn)行水化反應(yīng)。因?yàn)閾胶土系幕钚员人嘈〉枚?對(duì)硅粉混凝土,要求潮濕養(yǎng)護(hù)14d,而粉煤灰混凝土則要養(yǎng)護(hù)21d才能達(dá)到預(yù)期效果,否則會(huì)發(fā)生表面掉面、耐磨性差等;復(fù)摻外加劑要求混凝土的拌合時(shí)間必須要長(zhǎng),外加劑的用量很小,若不保證拌合時(shí)間,根本分散不開,均勻性變差,致使外加劑不僅起不到作用,反而使混凝土表面質(zhì)量下降。
五、結(jié)束語
目前,在世界范圍內(nèi),高性能混凝土的研究和應(yīng)用正在不斷創(chuàng)新,而由于高性能混凝土能有效的降低構(gòu)件的截面尺寸,降低造價(jià),節(jié)省材料費(fèi)用,壽命期延長(zhǎng)又能大幅度減少開支,因而高性能混凝土是今后橋梁建設(shè)中很有發(fā)展前途的優(yōu)質(zhì)材料。
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