海洋環(huán)境斜拉橋橋塔高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

青志剛，石會星

（廣西長長路橋建設(shè)有限公司，廣西 南寧 530003）

0 引言

隨著我國大跨徑PC斜拉橋的興建，對此類橋梁的混凝土施工的質(zhì)量提出了更高層次的要求，也大大增加了施工質(zhì)量控制的難度。對于在同類型橋梁中地處海洋環(huán)境的針魚嶺大橋，高性能混凝土的施工也是這個工程的難點(diǎn)和重點(diǎn)，其混凝土的最終質(zhì)量密切關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的安全性能和使用壽命。針魚嶺大橋地處海洋環(huán)境，位于廣西防城港市市政府西側(cè)，跨越防城江入海口，大橋主橋跨徑為125.6m＋125.6m，為雙索面獨(dú)塔斜拉橋，塔、梁固結(jié)。索塔為拱形門式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（見圖1～2），塔高72.8m，塔身順橋向?yàn)樨Q直，索塔采用C50高性能混凝土。在配合比設(shè)計(jì)過程中總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)，具有一定的代表性，希望能對類似施工情況提供有益借鑒。

圖1 廣西第一座拱形門式斜拉橋示例圖

圖2 主塔結(jié)構(gòu)立面示意圖

表1 混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差ó值表（MPa）

1 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)思路

高性能混凝土是近20余年發(fā)展起來的一種新型混凝土，基本點(diǎn)都是高耐久性。高性能混凝土的優(yōu)越性越來越為人們所接受，如節(jié)約材料、降低能耗、提高混凝土質(zhì)量等方面都取得了很大的成績。高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)調(diào)整優(yōu)化為重點(diǎn)，確?；炷涟韬臀锏墓ぷ餍约傲W(xué)性，滿足現(xiàn)場施工工藝，在高性能混凝土的組成材料中，礦物微細(xì)粉與高效減水劑雙摻是高性能混凝土組成材料的最大特點(diǎn)，雙摻能夠最好地發(fā)揮微細(xì)粉在高性能混凝土中的填充效應(yīng)，使高性能混凝土具有更好的流動性﹑強(qiáng)度和耐久性。

2 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算配合比

2.1.1 確定高性能混凝土施工配制強(qiáng)度

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》附錄F－4混凝土配制強(qiáng)度計(jì)算的規(guī)定：其混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差ó可按附表F－4取用，見表1。

fCU，O≥ fCU，k＋ 1.645σ ＝ 50 ＋ 1.645 × 6 ＝59.9 MPa，即混凝土配制強(qiáng)度≥59.9 MPa

2.1.2 選擇水膠比

根據(jù)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTJ 275－2000）的要求，高性能混凝土水膠比應(yīng)≤0.35。

2.1.3 選擇用水量

根據(jù)《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS 207：2006）中的要求，用水量≤175kg／m3，取其值作為配合比的設(shè)計(jì)依據(jù)。計(jì)算得出，膠凝材料為500kg／m3.減水劑的減水率為28%，阻銹劑為水劑，相應(yīng)減掉約5kg的用水量，每立方混凝土用水量 W＝175－175×28%－5＝121kg。

2.1.4 選擇外加劑用量

減水劑：根據(jù)廠家出廠檢驗(yàn)報(bào)告及合格證給出的建議摻量為膠凝材料總量的1.5%～2.5%。

阻銹劑：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，鋼筋阻銹劑的建議摻量：粉劑為13kg／m3；水劑為26～36kg／m3。通過對比試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及混凝土拌和物均勻性，鋼筋阻銹劑選用水劑。

2.1.5 確定最佳砂率

根據(jù)《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（CECS 207：2006）的要求，砂率宜采用37%～44%。

2.1.6 確定水泥用量

根據(jù)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTJ275－2000）對高性能混凝土摻和料的要求，粒化高爐礦渣摻量為膠凝材料總量的50%～80%，硅灰摻量為水泥質(zhì)量的5%～10%。

2.1.7 確定砂石用量

根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中水泥混凝土拌和物表觀密度試驗(yàn)方法（T0525－2005）的規(guī)定。

表2 拌和物表觀密度參考表

混凝土配合比采用質(zhì)量法計(jì)算，主塔混凝土強(qiáng)度為C50，假定其表觀密度為2 500kg。

計(jì)算砂石用量：水泥＋砂石＋礦渣＋硅灰＋阻銹劑＋水＝2 500kg／m3。

砂／砂石總量＝0.37，得出砂子用量＝6 86kg／m3，碎石用量＝1 167kg／m3。

計(jì)算配合比為：水泥238kg／m3；砂子686kg／m3；石子1 167kg／m3；水121kg／m3；礦 粉250kg／m3；硅 灰12kg／m3；阻銹劑26kg／m3；減水劑7.5kg／m3。

2.2 確定室內(nèi)配合比

水泥238∶砂子686∶石子1 167∶水121∶礦粉250∶硅灰12∶阻銹劑26∶減水劑7.5。

按計(jì)算基準(zhǔn)配合比試拌出來的混凝土拌和物工作性不能滿足現(xiàn)場施工要求。根據(jù)高性能混凝土的特點(diǎn)：高流動性、高體積性、高耐久性、高敏感性、收縮不穩(wěn)定性。通過調(diào)整摻和料及外加劑摻量提高混凝土工作性及力學(xué)性能，以保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性.具體調(diào)整步驟見圖3。

圖3 調(diào)整砂率曲線圖

從以上試配來看（圖3），砂率在37%～39%，混凝土和易性一般，坍落度塌損較大，強(qiáng)度不能滿足規(guī)范要求。砂率偏小，會造成配制的混凝土粗糙，和易性差，灌注的混凝土易出現(xiàn)蜂窩；砂率偏大，又會造成坍落度大，水泥過剩，混凝土強(qiáng)度質(zhì)量差且不均勻，收縮性大，彈性模量低。合理選用砂率，能使拌和物具有最大的流動性，且能保持良好的粘聚性、保水性和可泵性，根據(jù)工地實(shí)際情況，針魚嶺大橋砂率選37%。

圖4 調(diào)整礦粉用量曲線圖

在膠凝材料不變的情況下，礦粉摻量越多，水泥和硅灰量就越少，混凝土的工作性一般，可見礦物的用量對混凝土的工作性沒有多大的改善?；炷恋墓ぷ餍砸话?，早期強(qiáng)度反而越小，后期強(qiáng)度基本差不多一樣（見圖4）。

圖5 調(diào)整硅灰用量曲線圖

以硅灰用量調(diào)整曲線看（見圖5），硅灰摻量跟混凝土強(qiáng)度成正比。硅灰具有超高活性，使摻有硅灰的混凝土強(qiáng)度發(fā)展迅速，且具備相當(dāng)高的強(qiáng)度。根據(jù)硅灰的性能，細(xì)度很細(xì)，需水量很大，高性能混凝土由于水膠比很小，總膠凝材料用量高，水化熱高，硅灰的自干性會使自生體積收縮量增大，容易出現(xiàn)干縮和自收縮施工裂縫?？梢姽杌也皇菗搅吭酱笤胶?，考慮混凝土拌和物的和易性、穩(wěn)定性和混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性，結(jié)合成本，針魚嶺大橋高性能混凝土硅灰摻量為水泥質(zhì)量的6%。

圖6 調(diào)整阻銹劑用量曲線圖

混凝土鋼筋阻銹劑工作原理是：能抑制或減輕混凝土中鋼筋或其它金屬預(yù)埋件的銹蝕作用。從圖6數(shù)據(jù)看，阻銹劑的摻量影響混凝土工作性和強(qiáng)度，摻量為26～28kg／m3時，混凝土工作性和力學(xué)性能相對較穩(wěn)定，能滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)場混凝土耐久性及成本，針魚嶺大橋最后選用阻銹劑摻量為27kg／m3。

圖7 調(diào)整減水劑摻量曲線圖

減水劑的摻量跟混凝土強(qiáng)度有大關(guān)系，摻量越高，強(qiáng)度越大，同時對混凝土塌落度也有很大的影響，保證混凝土塌落度的情況下，摻量越大，混凝土塌損越小，當(dāng)摻量超過飽和摻量時，混凝土塌損就變得越大了。結(jié)合混凝土工作性與成本考慮，針魚嶺大橋主塔高性能混凝土減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的2.5%，見圖7。

綜合各種材料調(diào)整以后的數(shù)據(jù)，根據(jù)最佳比例、試拌等對比試驗(yàn)，找出了最佳室內(nèi)配合比見表3。

表3 室內(nèi)配合比表

試拌：水泥236：砂子686：石子1 168：水119：礦粉250：硅灰14：阻銹劑27：減水劑12.5。

3 確定施工配合比

試驗(yàn)室經(jīng)過對上述材料摻量反復(fù)調(diào)整優(yōu)化，最終確定了三組配合比符合高性能混凝土性能指標(biāo)，配合比試配結(jié)果見表4：

表4 高性能混凝土試配成果匯總表

結(jié)合現(xiàn)場施工工藝及高性能情況，最終選（1）組配合比指導(dǎo)主塔施工。

高性能混凝土以高耐久性為基本點(diǎn)，影響混凝土耐久性的主要因素大致分為：（1）在混凝土工程中為了滿足混凝土施工工作性要求，用水量大、水灰比高，導(dǎo)致混凝土孔隙率高，結(jié)構(gòu)不密實(shí)，引起混凝土耐久性不足；（2）水化物穩(wěn)定性不足，游離石灰含量高，容易遭到侵蝕。

針魚嶺大橋地處海洋環(huán)境，根據(jù)對影響混凝土耐久性主要因素的分析，找出提高混凝土耐久性的主要技術(shù)途徑。基本方法有：（1）摻入高效減水劑，降低水灰比，使混凝土的毛細(xì)管孔隙率大幅度的降低，保證高性能混凝土高流動性的同時控制好混凝土塌落度的損失，以免影響現(xiàn)場施工。（2）摻入高效活性礦物摻料，提高混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，使水泥混凝土硬化過程中體積穩(wěn)定。（3）加強(qiáng)施工控制環(huán)節(jié)，避免裂縫產(chǎn)生使有害物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部通道而引起鋼筋銹蝕，針魚嶺大橋?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境建筑物，保護(hù)鋼筋不受腐蝕是混凝土耐久性的關(guān)鍵所在?；炷龄摻钭桎P劑是一種高效鋼筋阻銹劑，摻入混凝土中可以阻止或延緩鋼筋銹蝕，從而延長結(jié)構(gòu)壽命，使混凝土結(jié)構(gòu)在規(guī)定使用年限內(nèi)，抵抗各種外界破壞因素，維持混凝土結(jié)構(gòu)安全。（4）保證混凝土強(qiáng)度，在高性能混凝土中，除了摻入高效減水劑外，還摻入了活性礦物材料粒化高爐礦渣粉和硅灰，增加了混凝土的致密性。在混凝土能充分密實(shí)條件下，隨著水灰比的降低，混凝土的孔隙率降低，混凝土的強(qiáng)度提高，混凝土的抗?jié)B性提高，各種耐久性指標(biāo)也隨之提高，混凝土結(jié)構(gòu)抵抗環(huán)境侵蝕破壞的能力越強(qiáng)，（1）組混凝土配合比結(jié)果匯總情況見表5。

表5 （1）組混凝土配合比結(jié)果匯總表

4 結(jié)語

根據(jù)針魚嶺大橋環(huán)境特點(diǎn)及橋梁使用情況分析，高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)理念形成高工作性的混凝土拌和物，現(xiàn)場施工效果良好。主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）選用合適的膠凝材料用量，控制因溫差大出現(xiàn)裂縫。

（2）選用級配量好的河沙、中砂，保證和易性，同時降低水泥用量。

（3）摻入高效減水劑，降低水灰比的同時保證混凝土工作性，保證結(jié)構(gòu)耐久性。

（4）摻入活性礦物摻和料，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)性能，保證混凝土強(qiáng)度和耐久性。

（5）摻入阻銹劑，減緩鋼筋腐蝕，延長結(jié)構(gòu)壽命。

［1］馮乃謙，朋改非，石云興，等.高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程［M］.北京：中國計(jì)劃出版社，2006.

［2］JTG TF50－2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］JTJ 275－2000，海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范［S］.