港珠澳大橋長(zhǎng)壽命120年高性能海工混凝土耐久性質(zhì)量控制

李海卿

(中交第二航務(wù)工程局有限公司,廣東 珠海 519000)

1 前言

港珠澳大橋主體工程島隧及橋梁工程設(shè)計(jì)使用壽命120年,對(duì)高腐蝕海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提出了很高要求,配制出高性能耐腐蝕混凝土是必要前提。見(jiàn)圖1-4港珠澳大橋建成后的效果圖。

高性能海工混凝土的配制技術(shù)途徑是選用優(yōu)質(zhì)的水泥、級(jí)配良好的優(yōu)質(zhì)骨料、合理的摻和料和高效減水劑,并利用高減水率盡量降低混凝土的水膠比。高性能海工混凝土具有高耐久性,特別具有高的抗氯離子滲透性,同時(shí)還具有高強(qiáng)度、高工作性及高尺寸穩(wěn)定性。高性能海工混凝土的力學(xué)性能和耐久性性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土,其主要原因是低水膠比、高效減水劑及活性膠凝性礦物摻和料的使用,合理的施工配合比的設(shè)計(jì),使得混凝土密實(shí)度相對(duì)提高以及水泥顆粒的解聚和粒徑范圍的擴(kuò)大所獲得良好的微觀結(jié)構(gòu)。本文主要從混凝土原材料的質(zhì)量控制和混凝土配合比等方面來(lái)談混凝土的耐久性[1-14]。

圖1 港珠澳大橋建成后的效果圖

圖2 港珠澳大橋建成后的效果圖

圖3 港珠澳大橋建成后的效果圖

圖4 港珠澳大橋建成后的效果圖

2 海工混凝土配合比

海工混凝土配合比設(shè)計(jì)是確保混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,限制混凝土最大水膠比、最小膠凝材料用量限值是有效而可行的措施。以往是按強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)混凝土配合比,先計(jì)算水灰比,現(xiàn)在按耐久性指標(biāo)設(shè)計(jì)混凝土配合比,是根據(jù)環(huán)境類(lèi)別和作用等級(jí)確定混凝土的水膠比和各種膠凝材料用量。盡量降低水膠比,減少單方用水量和膠凝材料用量,有利于提高混凝土的密實(shí)性,降低混凝土的滲透性并減少收縮量,對(duì)提高混凝土的耐久性非常有利。降低水膠比還是發(fā)揮礦物摻和料對(duì)混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)和降低大體積混凝土溫升的重要條件?？刂坪没炷林胁牧峡倝A含量、總氯離子含量及總?cè)趸蚝渴潜ＷC混凝土耐久性的前提。

目前,我國(guó)鐵路、公路、隧道、橋梁混凝土工程已大量采用摻合料配制混凝土,且隨著混凝土配制技術(shù)的提高其摻量亦有提高的趨勢(shì)。通過(guò)大量的成功例子證明了摻加礦物摻和料是改善混凝土施工性能、提高混凝土耐久性的重要技術(shù)措施。根據(jù)港珠澳大橋科研單位成果及《港珠澳大橋混凝土耐久性質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程》(修訂版 HZMB/DB/RG/1)要求,本項(xiàng)目所有海工混凝土均按兩種礦物摻和料雙摻設(shè)計(jì)配合比。港珠澳大橋工程設(shè)計(jì)采用的是120年海工混凝土,根據(jù)上述要求,海工混凝土中礦物摻和料摻量不宜小于膠凝材料總量的45%。其中,雙摻時(shí)Ⅰ級(jí)粉煤灰摻量不大于30%,S95級(jí)礦渣粉摻量不大于45%；樁基混凝土的水膠比不大于0.42,承臺(tái)混凝土水膠比不大于0.40,墩身、組合梁混凝土水膠比不大于0.36,實(shí)際應(yīng)用中都低于限值。

本項(xiàng)目海工混凝土耐久性檢測(cè)主要指標(biāo)是氯離子擴(kuò)散系數(shù),即描述混凝土孔隙水中氯離子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散過(guò)程的參數(shù)。本項(xiàng)目參照北歐標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法NT Build492,采用我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長(zhǎng)期性和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)中的混凝土抗氯離子滲透性能方法檢測(cè)。相對(duì)評(píng)價(jià)混凝土密實(shí)性和抗侵入性,從而間接評(píng)價(jià)混凝土的耐久性。當(dāng)混凝土水膠比較大時(shí),氯離子擴(kuò)散系數(shù)值就大；反之,氯離子擴(kuò)散系數(shù)值相對(duì)就小?？梢?jiàn),氯離子擴(kuò)散系數(shù)確實(shí)可以較好地用來(lái)相對(duì)比較混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性。

3 海工混凝土原材料

現(xiàn)行公路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅要考慮結(jié)構(gòu)的承載能力,還要考慮環(huán)境作用引起材料性能劣化對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性帶來(lái)的影響。針對(duì)港珠澳大橋高腐蝕海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)而言,選擇和控制好混凝土原材料質(zhì)量是重要環(huán)節(jié)。

3.1 水泥

①水泥選用P.Ⅱ52.5、P.Ⅱ42.5硅酸鹽水泥,水泥中混合材為4.5%礦渣粉；不宜使用早強(qiáng)水泥,早強(qiáng)水泥具有水化熱釋放快、凝結(jié)硬化快等特點(diǎn),不符合配制耐久性混凝土條件。

②水泥比表面積≤380m2/kg、C3A含量≤8.0%；水泥不能過(guò)細(xì),水泥熟料中C3A含量過(guò)高,將導(dǎo)致水泥的水化速度過(guò)快,水化熱過(guò)于集中釋放,混凝土的收縮增大、內(nèi)外溫差偏大、抗裂性下降,對(duì)混凝土耐久性不利。

③嚴(yán)格控制燒失量和游離氧化鈣含量；生燒熟料進(jìn)入水泥中,易影響水泥體積安定性。

④水泥中的堿含量過(guò)高不僅容易引發(fā)混凝土的堿——骨料反應(yīng),而且增加混凝土的開(kāi)裂傾向,故要求堿含量≤0.06%。

3.2 細(xì)骨料

①耐久性混凝土用的細(xì)骨料應(yīng)選用級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中粗砂,細(xì)度模數(shù)在2.6-3.0之間。不宜使用山砂,嚴(yán)禁使用海砂。

②砂巖的晶粒嵌固程度不好,堅(jiān)固性差,不宜配制高性能混凝土。骨料的堅(jiān)固性及有害物含量對(duì)混凝土的耐久性影響較大,對(duì)骨料中有機(jī)物、云母、輕物質(zhì)、氯離子含量等做了嚴(yán)格限制。

③水份、混凝土中的總堿含量、堿活性骨料是發(fā)生堿—骨料反應(yīng)的三個(gè)必要條件,缺一不可。為預(yù)防混凝土發(fā)生堿—骨料反應(yīng),選用非堿活性骨料。本項(xiàng)目用快速砂漿棒法測(cè)得粗細(xì)骨料堿—硅酸反應(yīng)14d膨脹率小于0.1%。

3.3 粗骨料

①粗骨料應(yīng)選用級(jí)配合理、粒形良好、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、線(xiàn)脹系數(shù)小的潔凈碎石,但不宜采用砂巖碎石。

②粗骨料的最大公稱(chēng)粒徑不宜超過(guò)鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度的2/3,且不得超過(guò)鋼筋最小間距的3/4。配制強(qiáng)度等級(jí)C50及以上混凝土?xí)r,粗骨料最大公稱(chēng)粒徑(圓孔)不應(yīng)大于25mm。

③粗骨料在運(yùn)輸和裝卸過(guò)程中,其級(jí)配可能發(fā)生變化,為確保骨料具有良好的連續(xù)級(jí)配,采用了二級(jí)配和三級(jí)配碎石。在港珠澳大橋主體工程橋梁工程使用的是5-16mm和16-25mm的二級(jí)配碎石配制C50及以下級(jí)別的混凝土；C50以上的混凝土用碎石是5-16mm和10-20mm的二級(jí)配碎石。通過(guò)對(duì)粗骨料實(shí)行分級(jí)采購(gòu)、分級(jí)存儲(chǔ)、分級(jí)計(jì)量,以使骨料具有盡可能小的空隙率,從而降低混凝土的膠凝材料用量,這樣配制的混凝土,其工作性可以得到進(jìn)一步的改善。

④粗骨料松散堆積密度應(yīng)大于1500kg/m3,緊密空隙率宜小于40%,吸水率應(yīng)小于2%(用于干濕交替或凍融破壞環(huán)境條件下的混凝土應(yīng)小于1%),以保證混凝土獲得較好的密實(shí)度。

⑤粗骨料中的含泥量不大于0.5%、泥塊含量不大于0.2%；否則影響新拌混凝土的和易性、坍落度保持和混凝土凝結(jié)硬化后的粘結(jié)力,最終影響強(qiáng)度。

⑥粗骨料中的針片狀顆粒含量不大于7%,除了影響混凝土的抗折抗壓強(qiáng)度外,在生產(chǎn)過(guò)程中也很容易造成離析,對(duì)泵送施工非常不利。

⑦當(dāng)粗骨料為碎石時(shí),碎石的強(qiáng)度用巖石抗壓強(qiáng)度表示,且?guī)r石抗壓強(qiáng)度與混凝土強(qiáng)度等級(jí)之比不應(yīng)小于2.0；施工中碎石的強(qiáng)度可用壓碎指標(biāo)值進(jìn)行控制。

3.4 礦物摻和料

礦物摻和料選用品質(zhì)穩(wěn)定的原狀粉煤灰和磨細(xì)礦渣粉。

①粉煤灰的燒失量不能過(guò)大,采用燒失量大的粉煤灰配制的混凝土工作性差,將它拌和到水泥混凝土中時(shí)需水量增大,從而導(dǎo)致坍落度損失大、不易搗實(shí)；以及由于碳含量高減少粉煤灰的細(xì)度和硬凝活性等,強(qiáng)度效應(yīng)差,耐久性差,這給粉煤灰的質(zhì)量造成負(fù)面影響。因此,對(duì)粉煤灰的燒失量重點(diǎn)控制,不大于5.0%。

②粉煤灰中的游離氧化鈣含量應(yīng)嚴(yán)格控制,在混凝土中摻入含游離氧化鈣多的粉煤灰后,會(huì)直接導(dǎo)致混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中安定性不合格而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。

③在混凝土中摻入礦渣粉能增加和易性與耐久性。礦渣粉越細(xì),活性越高,收縮也隨礦渣粉細(xì)度的增加而增加,所以,對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)用礦渣粉還限制了細(xì)度。從減少混凝土收縮開(kāi)裂的角度出發(fā),磨細(xì)礦渣的比表面積以不超過(guò)500m2/kg為宜,最好不超過(guò)450m2/kg。本項(xiàng)目用礦渣粉的比表面積在430m2/kg左右。在雙摻技術(shù)下,礦渣粉和粉煤灰二者的細(xì)度和活性差異可起到互補(bǔ)作用。

3.5 外加劑

外加劑對(duì)混凝土具有良好的改性作用,摻用外加劑是制備高性能海工混凝土的關(guān)鍵技術(shù)之一,它可以有效地控制混凝土的凝結(jié)時(shí)間、早期硬化能力和密實(shí)性,本項(xiàng)目選用的是聚羧酸系高性能外加劑。

①聚羧酸系高性能外加劑減水率高(≥25%)、坍落度損失小、適量引氣、能明顯提高混凝土耐久性且質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品,與水泥之間應(yīng)有良好的相溶性能的外加劑。

②外加劑的性能品質(zhì)、勻質(zhì)性和與水泥的相容性是成功配制高性能混凝土的基本條件。為提高混凝土的耐久性,適量的引氣作用可使混凝土的抗凍融性能大大提高。混凝土中摻加引氣劑后,對(duì)混凝土的工作性和勻質(zhì)性有所改善,引氣劑不僅能減少混凝土的用水量,降低泌水率,更重要的是混凝土引氣后,水在拌和物中的懸浮狀態(tài)更加穩(wěn)定,因而可以改善骨料底部漿體泌水、沉陷等不良現(xiàn)象。

3.6 拌和水

采用自來(lái)水。拌和水的堿含量是新增要求指標(biāo),主要是為了控制混凝土的可溶性總堿含量,當(dāng)采用其它來(lái)源的水時(shí),水的品質(zhì)應(yīng)符合規(guī)范的要求。

4 港珠澳大橋主體工程混凝土配合比應(yīng)用實(shí)例

經(jīng)過(guò)全面細(xì)致地學(xué)習(xí)了解本工程項(xiàng)目前期課題科研成果,多次比對(duì)試驗(yàn),選擇了符合《港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)指南》、《港珠澳大橋混凝土耐久性質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程》的混凝土原材料。

各配合比在港珠澳大橋主體工程橋梁工程和島隧工程樁基、沉管、箱梁、橋面板等部分構(gòu)件施工使用。在混凝土施工過(guò)程中,混凝土的和易性好,施工快捷,而且混凝土的凝聚性和流動(dòng)性特別好。在控制好混凝土的入模溫度,嚴(yán)格按照施工技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行施工,做好夏季施工溫控措施,混凝土養(yǎng)護(hù)及時(shí)到位,降低了大體積混凝土開(kāi)裂的幾率,使混凝土外觀美觀平整,色澤均勻一致。

在海工混凝土各工程實(shí)體澆筑過(guò)程中,按規(guī)定現(xiàn)場(chǎng)取樣、成型和養(yǎng)護(hù),并按規(guī)范要求,完成了海工混凝土抗壓強(qiáng)度和氯離子滲透性試驗(yàn),以質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求,進(jìn)行海工混凝土質(zhì)量評(píng)定,海工混凝土的強(qiáng)度和氯離子滲透指標(biāo)均高標(biāo)準(zhǔn)地滿(mǎn)足了港珠澳大橋混凝土耐久性質(zhì)量技術(shù)規(guī)程及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求。

海洋工程處于惡劣的海洋環(huán)境,具有氣溫高、濕度大、海水含鹽度高的特點(diǎn),受海水、海風(fēng)、鹽霧、潮汐、干濕循環(huán)等眾多因素影響,工程主體的鋼筋混凝土構(gòu)件容易因氯離子侵蝕、化學(xué)介質(zhì)侵蝕破壞等產(chǎn)生銹蝕,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化,危及結(jié)構(gòu)的安全使用。為保證結(jié)構(gòu)耐久性,使工程達(dá)到120年設(shè)計(jì)使用年限的要求,海工高性能混凝土使用常規(guī)材料、常規(guī)工藝,以較低水膠比、適當(dāng)摻量活性摻合料和較嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施制作的具有高的抗氯離子滲透性、滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求的較高強(qiáng)度、良好的工作性以及較高體積穩(wěn)定。

5 結(jié)論

海工高性能混凝土對(duì)相同的配合比,不同的原材料及其參量對(duì)混凝土的強(qiáng)度、工作性能等有較大的影響,外加劑的影響尤為突出。

海工高性能混凝土的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循選用高效減水劑、摻入活性摻合料、優(yōu)化配合比參數(shù)等基本原則。通過(guò)降低水膠比、強(qiáng)化水泥石與集料的界面、改善水泥水化產(chǎn)物、降低孔隙比、提高密實(shí)度來(lái)實(shí)現(xiàn)高耐久、高強(qiáng)度、高性能。

海工高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì),應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和工藝來(lái)設(shè)計(jì)并優(yōu)化得到。

[1]《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 55-2011.

[2]《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082-2009.

[3]《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T 50476-2008.

[4]《港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)指南》(修訂版 HZMB/DB/GD/1)

[5]《港珠澳大橋混凝土耐久性質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程》(修訂版 HZMB/DB/RG/1).

[6]《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.

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

[8]《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T F50-2011．

[9]《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》CECS 207-2006．

[10]《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與施工指南》CECS 01-2004．

[11]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[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014．

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

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

[14]李海卿.綠色高性能混凝土原材料的選用與質(zhì)量控制[J].混凝土世界,2017．