橋梁高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)的研究與進(jìn)展

李海卿,田桃濤

(中交第二航務(wù)工程局有限公司,廣東 珠海 519000)

前言

高性能混凝土(High Performance Concrete 簡(jiǎn)稱HPC)一詞是1990年在美國的一次國際學(xué)術(shù)會(huì)議上公開提出來的。高性能混凝土是在研究發(fā)展高強(qiáng)混凝土的過程中發(fā)展起來的。什么是高性能混凝土,至今國際上還沒有一個(gè)公認(rèn)的定義,1994年在新加坡召開的第一屆高性能混凝土國際會(huì)議上,許多研究人員認(rèn)為高性能混凝土應(yīng)是具有高質(zhì)量和高耐久性的混凝土,但未定出具體的質(zhì)量指標(biāo)和耐久性指標(biāo)。根據(jù)國際上目前發(fā)表的文章和研究成果,可以認(rèn)為HPC是在大幅度提高常規(guī)混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù),選用優(yōu)質(zhì)原材料,除水泥、水、集料外,必須摻加足夠數(shù)量的活性摻合料和高效外加劑的一種新型高技術(shù)混凝土。其高性能包括：易澆搗而不離析,力學(xué)性能穩(wěn)定,高強(qiáng)度,高耐久性,高體積穩(wěn)定性和高工藝性。

1 高性能混凝土的性能

1.1 高強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)來說是最基本的性能要求。不同的結(jié)構(gòu),對(duì)混凝土強(qiáng)度要求也不一樣,有的結(jié)構(gòu)要求有較高的抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度;有的結(jié)構(gòu)希望在短期內(nèi)有較高的強(qiáng)度;有的結(jié)構(gòu)需要有較高的抗拉強(qiáng)度;有的結(jié)構(gòu)在28天后才承受荷載,希望后期強(qiáng)度有較大的增長可以利用;有的結(jié)構(gòu)需要抗沖切,抗磨損,抗疲勞強(qiáng)度等等。所以對(duì)混凝土的強(qiáng)度也需要有一個(gè)全面的了解。在大跨度結(jié)構(gòu)物允許減小斷面的構(gòu)件部位,應(yīng)盡量采用強(qiáng)度高的混凝土。資料顯示,混凝土強(qiáng)度從C40提高到C80時(shí),造價(jià)約增加50%,而承載能力可提高1倍左右。由于具有減小斷面、降低結(jié)構(gòu)物自重等優(yōu)勢(shì),高強(qiáng)混凝土在國外發(fā)展很快。出于耐久性的考慮,高強(qiáng)混凝土又逐漸發(fā)展成高強(qiáng)度的高性能混凝土。目前普遍認(rèn)為高性能混凝土必須是高強(qiáng)混凝土(C50以上),而高強(qiáng)混凝土未必是高性能混凝土。但另一觀點(diǎn)認(rèn)為,高強(qiáng)混凝土必須是高性能混凝土,而高性能混凝土不一定非要強(qiáng)度高,如水工結(jié)構(gòu)物,對(duì)強(qiáng)度要求并不高(C30左右),但對(duì)耐久性要求卻很高。劃分高強(qiáng)混凝土的標(biāo)準(zhǔn),是與各國的混凝土工程技術(shù)水平相關(guān)的。表1列出了各個(gè)國家規(guī)定的高性能混凝土的強(qiáng)度極限值。可以看出：除美國外,幾乎每個(gè)國家都規(guī)定了一個(gè)抗壓強(qiáng)度的上限值。此外,大多數(shù)國家都規(guī)定了最小強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為50 MPa左右,美國采用的最低強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為41 MPa。

表1 各規(guī)范規(guī)定的高性能混凝土強(qiáng)度極限值(MPa)

我國在普通工業(yè)與民用建筑中,現(xiàn)場(chǎng)澆注混凝土的強(qiáng)度等級(jí)大量低于C30,預(yù)制混凝土構(gòu)件普遍低于C40;而在橋梁工程中,現(xiàn)澆C50混凝土已是常事?？紤]到其它因素,我國將強(qiáng)度等級(jí)為C50及以上的混凝土劃分為高強(qiáng)混凝土,這樣劃分與歐洲CEB、美國ACI、日本等國的標(biāo)準(zhǔn)大體相當(dāng)。

1.2 高耐久性

長期以來,混凝土一直被看成堅(jiān)固耐久的材料,實(shí)踐證明,普通混凝土并不總象當(dāng)初應(yīng)用時(shí)所認(rèn)為的那樣耐久,許多國家早期修建的一些混凝土基礎(chǔ)設(shè)施工程已相繼步入老化期。以美國為例,美國現(xiàn)有橋梁約57.5萬座,據(jù)1991年提交美國國會(huì)的一份報(bào)告中的數(shù)據(jù),這些橋梁中不少已經(jīng)老化損壞,為修復(fù)和更新,在以后20年內(nèi)每年需耗資60～85億美元,每年需修復(fù)更新的橋梁達(dá)1.6萬座,這不僅耗資巨大,而且影響社會(huì)生產(chǎn)和生活秩序。普通混凝土因耐久性不良造成的問題在我國也相當(dāng)突出?，F(xiàn)代高性能混凝土技術(shù)為解決混凝土的耐久性提供了出路,對(duì)于橋梁、道路、港口、海洋工程等許多設(shè)施來說,混凝土的耐久性比其強(qiáng)度顯得更為重要。對(duì)混凝土耐久性的要求可從兩個(gè)方面分析,即自然老化和人為劣化。自然老化是指混凝土在大氣、土壤和水中,隨著時(shí)間的推移發(fā)生的性能變化,如氣溫變化、日曬雨淋、凍融循環(huán)、干濕較替等作用,使混凝土產(chǎn)生裂縫、剝落、疏松等現(xiàn)象,降低結(jié)構(gòu)安全度;二氧化碳的侵入,使混凝土發(fā)生碳化,降低混凝土對(duì)鋼筋的防銹保護(hù)作用;遭受有腐蝕性氣體或液體的侵蝕,降低混凝土強(qiáng)度,使混凝土開裂,鋼筋被腐蝕等。人為劣化是指混凝土結(jié)構(gòu)在使用過程中,由于生產(chǎn)、生活、管理等方面的原因,使混凝土發(fā)生降低使用功能的現(xiàn)象。如磨損、沖刷使混凝土降低了耐久性;疲勞、撞擊使混凝土產(chǎn)生裂縫或損傷,降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;酸、堿、油的腐蝕破壞了混凝土的內(nèi)在結(jié)構(gòu),失去或降低混凝土強(qiáng)度;溫度、滲透等作用直接損傷了混凝土。要解決上述耐久性問題,就必須使混凝土密實(shí)度高且不產(chǎn)生原生裂縫;硬化后體積穩(wěn)定而不產(chǎn)生收縮裂縫;同時(shí)減少混凝土內(nèi)部產(chǎn)生侵蝕的組分。高性能混凝土是一種耐久性優(yōu)異的混凝土,耐久性可達(dá)百年之久,是普通混凝土的3-10倍?；炷恋哪途眯约吹挚沽踊哪芰?主要包括：抗?jié)B性、抗侵蝕性、抗凍性、耐磨性、抗碳化性、抗堿-骨料反映等。

1.3 高體積穩(wěn)定性

混凝土的體積穩(wěn)定性直接影響結(jié)構(gòu)的受力性能,嚴(yán)重者會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全?；炷恋捏w積穩(wěn)定性可分成三類,一類是混凝土在凝結(jié)過程中發(fā)生的體積變形,總稱為收縮變形;另一類是混凝土在承受荷載后發(fā)生的體積變形,如彈性變形,徐變變形等;還有一類是混凝土在溫度作用下的體積變形,稱為溫度變形。收縮變形是混凝土的一種固有特性,不均勻收縮會(huì)使混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,產(chǎn)生裂縫,降低混凝土強(qiáng)度和耐久性。減少收縮主要應(yīng)從減少用水量,減少水泥漿用量,提高混凝土的密實(shí)性解決。徐變是混凝土的另一個(gè)重要特性。混凝土在一個(gè)定值荷載作用下,產(chǎn)生隨時(shí)間增長變形增加的現(xiàn)象稱為徐變。徐變變形會(huì)改變結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力,有時(shí)產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)不利的變形,影響結(jié)構(gòu)的安全。減少徐變的主要辦法有：提高混凝土的強(qiáng)度,降低其使用應(yīng)力,減少混凝土中的水泥漿含量,不要過早使混凝土承受使用荷載等。彈性變形是所有結(jié)構(gòu)材料共有的特性,混凝土在受力后產(chǎn)生的彈性變形比較大。要使彈性變形小,就要提高混凝土的彈性模量。提高彈性模量的辦法有：提高混凝土的強(qiáng)度,采用彈性模量高的集料,改善混凝土的級(jí)配,提高混凝土密實(shí)度。溫度變形?；炷恋臏囟茸冃畏謨深?一類是熱脹冷縮變形,如受到約束時(shí),使結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫,甚至破壞;另一類是混凝土水化是產(chǎn)生的溫度應(yīng)力而引起裂縫。對(duì)體積穩(wěn)定性要求,國際上也還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一般來說,要求混凝土的收縮變形、徐變變形小,彈性模量高,溫度膨脹系數(shù)盡量與鋼筋一致。

1.4 高工藝性

混凝土的工藝性能是混凝土質(zhì)量的重要保證。沒有好的工藝性能,混凝土就很難達(dá)到高強(qiáng)度、高耐久性和高體積穩(wěn)定性。混凝土的工藝性包括對(duì)拌和、運(yùn)輸、澆灌和振實(shí)等各道操作工序的要求,在施工過程中不產(chǎn)生離析,質(zhì)量穩(wěn)定,施工完成后的混凝土密實(shí)、勻質(zhì)、平整、表面光潔。

1.5 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性

雖然高性能混凝土在成本上比普通混凝土要高一些,但由于減小了截面尺寸,減輕了結(jié)構(gòu)自重,降低了鋼筋用量,這對(duì)自重占荷載主要部分的混凝土結(jié)構(gòu)具有特別重要的意義。一般情況下,混凝土強(qiáng)度等級(jí)從C30提高到C60,對(duì)受壓構(gòu)件可節(jié)省混凝土30%～40%,受彎構(gòu)件可節(jié)省混凝土10%～20%,以年產(chǎn)15億立方米混凝土中有20%采用高性能混凝土,以商品混凝土350元/m3計(jì)算,可節(jié)約資金210億元,具有巨大的直接經(jīng)濟(jì)效益;同時(shí)由于截面尺寸減小,不但改變了結(jié)構(gòu)上肥梁胖柱的不美觀問題,而且可增加使用面積和有效空間,因而可獲得較大的間接經(jīng)濟(jì)效益。在建設(shè)階段通過節(jié)約混凝土用量,可以節(jié)約土地、煤、水、礦石、砂等能源和資源的消耗量,從而減少有害氣體和廢渣的排放,使用階段可減少養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用,實(shí)現(xiàn)節(jié)能,帶來可觀的社會(huì)效益。

2 高性能混凝土的配制要求

2.1 水泥

高性能混凝土應(yīng)采用礦物組成合理、細(xì)度合格的高標(biāo)號(hào)水泥,還應(yīng)注意盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量較小和水化熱較低的水泥,這樣容易選擇超塑化劑并在較小的單位水量下獲得良好的流動(dòng)性。一般常用42.5級(jí)以上的硅酸鹽水泥。

2.2 骨料

配制高性能混凝土的骨料與普通混凝土的要求不同,骨料本身的強(qiáng)度要高,一般選用花崗巖、硬質(zhì)砂巖及石灰?guī)r等。還需控制骨料的粒徑、表面特征、用量、吸水率等指標(biāo)。

2.3 水膠比

配制高性能混凝土的重要措施是減小水膠比,使混凝土密實(shí)性提高,其強(qiáng)度和耐久性可顯著增長。一般水膠比在0.3左右,用水量不大于160kg/m3。

2.4 高效減水劑

高效減水劑是表面活性劑,可以大大提高水泥漿的流動(dòng)性,使得低水灰比配制的混凝土具有高坍落度。同時(shí),還能促進(jìn)水泥的水化作用,提高早期強(qiáng)度。高效減水劑賦予混凝土高密實(shí)度即高強(qiáng)度、高耐久性,同時(shí)具有優(yōu)異的施工性能。

2.5 礦物摻合料

礦物摻合料是高性能混凝土的又一必不可少組成材料。這類摻合料可以是優(yōu)質(zhì)粉煤灰、超細(xì)礦渣與天然沸石粉,或硅粉?？蓡为?dú)添加或同時(shí)并用,目的在于改善混凝土拌和物的流變性能,提高混凝土強(qiáng)度和耐久性。

2.6 配合比設(shè)計(jì)

高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)首先是高耐久性,并兼顧工作性與強(qiáng)度。為此,世界各國學(xué)者均提出了各自的有關(guān)高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。如P。K。Mehta和Aitcin推薦的高強(qiáng)度高性能混凝土配合比確定方法;法國路橋?qū)嶒?yàn)中心建議的有關(guān)高性能混凝土設(shè)計(jì)方法;日本阿部道彥采用的高性能混凝土配合比計(jì)算方法及Domone、Carbonari等基于最大密實(shí)度理論而提出的高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法。高性能混凝土對(duì)原材料質(zhì)量及配合比參數(shù)變化都較敏感,故配合比計(jì)算的精確度要求較高,為此,世界各國學(xué)者研究了高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)化,例如清華大學(xué)博士研究生王德懷進(jìn)行的“高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制的計(jì)算機(jī)化”課題研究;法國路橋?qū)嶒?yàn)中心提出的優(yōu)化高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)的RENE—LCPCTM軟件等。高性能混凝土在配制上的特點(diǎn)是低水膠比,選用優(yōu)質(zhì)原材料,并除水泥、集料外,必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效外加劑。用于橋梁尤其是大跨度橋梁的高性能混凝土應(yīng)滿足：(1)水膠比≤0.4,(2)強(qiáng)度≥41.4MPa,(3)低徐變率。

3 高性能混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用

高性能混凝土達(dá)到了使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、剛度大、耐久性好的要求,同時(shí)能滿足工業(yè)化預(yù)拌生產(chǎn)和機(jī)械化泵送施工,在世界范圍內(nèi)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)。橋梁工程中,大跨度橋梁的自重往往占總荷載中的大部分。采用高性能混凝土,可以減小自重,降低截面高度,增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性;其早期強(qiáng)度高,可加快施工進(jìn)度。我國于70年代中后期,開始在公路橋梁界較大范圍內(nèi)應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土,只不過應(yīng)用的混凝土標(biāo)號(hào)以C40為主。到80年代,隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展,我國的公路橋梁用混凝土也在不斷發(fā)生變化和快速發(fā)展,混凝土的強(qiáng)度等級(jí)逐步提高。在許多的跨江、跨河和跨海的大型橋梁工程中,應(yīng)用了C50～C65級(jí)的泵送混凝土。如：浙江杭州錢塘江二橋(80m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋),廣東番禺洛溪大橋(180m跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋)等。到了90年代,我國公路橋梁上已開始應(yīng)用C55～C60級(jí)的泵送混凝土。如：楊浦大橋主塔(C50泵送混凝土),四川萬縣長江公路大橋(420m跨勁性骨架箱形拱橋),廣東虎門大橋(888m跨懸索橋,中孔270m跨的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋),南京長江二橋(如采用英國專家的設(shè)計(jì)方案,可將主跨提高到1100多米,但需提供C80-C100的泵送混凝土),杭州灣大橋(70米箱梁采用C50高性能海工混凝土)、東海大橋等。高性能混凝土技術(shù)在國外的發(fā)展與應(yīng)用以北歐和北美為先導(dǎo),很快在全球范圍內(nèi)展開,目前已在大量工程中應(yīng)用,尤其是大跨度橋梁。如：丹麥的大貝爾特海峽大橋、丹麥與瑞典之間的歐上海峽大橋、加拿大聯(lián)盟大橋、日本的明石海峽大橋等,這些跨海大橋的設(shè)計(jì)使用壽命均在100年以上。

結(jié)語

高性能混凝土以其優(yōu)異的性能使得普通混凝土向高性能混凝土發(fā)展成為必然趨勢(shì)。高性能混凝土是混凝土技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志。我國在發(fā)展高性能混凝土方面才剛剛起步,需要科研、教學(xué)、設(shè)計(jì)、施工部門攜手協(xié)作,共同促進(jìn)高性能混凝土的發(fā)展。

[1]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程CECS 207-2006.北京：中國計(jì)劃出版社,2006．

[2]中國土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與施工指南CECS 01-2004.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005．

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范GB∕T 50476-2008.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008．

[4]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司.工業(yè)和信息化部原材料工業(yè)司.高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2014．

[5]馮乃謙.高性能與超高性能混凝土技術(shù).北京：中國建筑工業(yè)出版社,2015．

[6]馮乃謙.高性能混凝土結(jié)構(gòu).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004．

[7]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).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.北京：人民交通出版社,2006．

[8]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范JTG /T F50-2011.北京：人民交通出版社,2011．