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高性能混凝土在桥梁建设中的应用探讨
[摘要]本文介绍了三个方面的内容:一是高性能混凝土产生的背景。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问题。
[关键词]高性能混凝土 桥梁建设 应用
高性能混凝土是20世纪80年代末90年代初,一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的一种全新概念的混凝土,它以耐久性为首要设计指标,这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命,如香港的青马大桥、加拿大的联盟大桥等,这些跨海大桥的设计使用寿命均在100年以上,而建设部于20世纪90年代组织了对国内混凝土结构的调查,发现大多数建筑及露天构筑物在使用25～30年后即需大修,处于有害介质中的建筑物使用寿命仅15～20年。为了区别于传统混凝土,高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高强度和高体积稳定性等许多优良特性,被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土,至今已在不少重要工程中被采用,特别是在桥梁、高层建筑、海港建筑等工程中显示出其独特的优越性,在工程安全使用期、合理性、环境条件的适应性等方面产生了明显的效益,因此被各国学者所接受,被认为是今后混凝土技术的方向。
一、高性能混凝土产生的背景
1.技术和生产发展的需要。各种超长、超高、超大型混凝土构筑物,以及在严酷环境下使用的重大混凝土结构工程施工难度大,使用环境恶劣、维修困难,因此要求混凝土不但施工性能要好,尽量在浇筑时不产生缺陷,更要耐久性好,使用寿命长。
2.全世界都面临早年用普通混凝土修建的桥梁等基础设施老化问题严重,需要投入巨额资金进行维修或更新。
3.混凝土作为用量最大的人造材料,它的使用对生态环境的影响巨大。传统混凝土的原材料都来自天然资源,每用1t水泥,大概需要0.6t以上的洁净水,2t砂、3t以上的石子;每生产1 t硅酸盐水泥约需1.5 t石灰石和大量燃煤与电能,并排放1tCO??2,而大气中CO??2浓度增加是造成地球温室效应的原因之一。为了满足庞大的混凝土用量,过度开采矿石和砂、石骨料已在不少地方造成资源破坏并严重影响环境和天然景观。再者,由于混凝土过早劣化,如何处置费旧工程拆除后的混凝土垃圾也给环境带来威胁。因此,未来的混凝土必须从根本上减少水泥用量,必须更多地利用各种工业废渣作为其原材料;必须充分考虑废弃混凝土的再生利用,未来的混凝土必须是高性能的,尤其是耐久的。耐久和高强都意味着节约资源。高性能混凝土正是在这种背景下产生的。
二、高性能混凝土的特性
与普通混凝土相比,高性能混凝土在组成与配合比方面有如下特点:
1.使用矿物掺合料。高性能混凝土一般都含有矿物掺和料硅粉、粉煤灰或磨细矿渣,经过国内外大型桥梁中的实际应用表明,其中以硅粉提高强度和耐久性的效果最显著。硅粉为高活性、无定性SiO??2微小颗粒,粒径是水泥粒径的1/100,可以填充在水泥颗粒之间,同事能将水泥水化产生的Ca(OH)??2转化为CSH凝胶(即火山灰反应),从而大幅度提高混凝土强度和降低混凝土渗透性。在非常恶劣环境中要求混凝土结构具有长寿命,或混凝土强度等级在C80以上,硅粉是高性能混凝土的必要组成部分。优质粉煤灰具有物理减水作用,高细度矿渣具有增强作用。这两种掺和料也都有火山灰反应活性,能够在一定程度上降低混凝土渗透性;但粉煤灰和矿渣会降低混凝土早期强度。同时掺加硅粉和优质粉煤灰或高强度矿渣,可以配置高强同时耐久的混凝土。目前这种水泥+硅粉+粉煤灰或矿渣的三组份胶结材的高性能混凝土正在获得越来越多的应用。
2.低水胶比。只有水胶比低,混凝土的孔隙率或渗透性才可能低,因此低水胶比是保证混凝土高耐久性于较高强度的前提条件之一。目前已形成共识:水胶比低于0.45的混凝土,不可能在严酷环境中具有高耐久性,实际应用的高性能混凝土水胶比常常介于0.25~0.40之间。
3.最大骨料粒径小。高性能混凝土骨料的最大粒径宜在10~20mm。有两个原因,其一;最大粒径较小,则骨料与水泥浆界面应力差较小,一位应力差可能引起裂缝;其二:较小骨料颗粒强度比大颗粒强度高,因为岩石破碎时消除了内部裂隙。
4.高效减水剂与水泥的相容性好。低水胶比和含有硅粉的高性能混凝土除必须使用高效减水剂以外,高效减水剂和水泥之间的相容性还必须好,这样才能保证混凝土拌和物有良好的工作性。经过实际应用已基本了解出现相容性的原因是:高效减水剂与水泥的CaSO??4均能与水泥水化速度最快的C??3A反应,如果水泥的石膏不能及时释放硫酸根离子与C??3A反应,则大量高效减水剂就会被C??3A所束缚,高效减水剂就不能发挥应有的减水作用,即出现相容性问题。一般C??3A含量高和使用硬石膏的水泥,容易出现与高效减水剂相容性不良的问题。
虽然高性能混凝土具有上述共性,但并不意味高性能混凝土会有标准的组成或配合比,因为每个工程的原材料和对强度、耐久性的要求都不同,配合比使用中也会根据桥梁的实际需要使用不同类型的水泥、矿物掺和料和化学外加剂。对于预应力混凝土大梁,配合比主要是以强度指标为基础,一般同时能够获得较高耐久性,因为高强混凝土的渗透性较低。相反,现浇桥面板的高性能混凝土配合比则一般以耐久性为基础,同时也规定了混凝土的最小抗压强度。
三、高性能混凝土在实际应用过程中存在的问题
表1 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)的耐久性要求
高性能混凝土的突出特点就是掺加矿物掺合料、降低水泥用量、低水胶比、掺用复合外加剂等。2000年的《公路桥梁施工技术规范》(JTJ 041-2000)中,就已经明确提出,水泥用量是指“水泥与矿物掺合料总量”,水灰比就是水胶比。在这之后的《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTG/T B07-01-2006)中明确提出了各种环境下最小胶凝材料用量,与《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)中的水泥用量基本一致,如表2,同时提出最小水泥用量应不低于240 kg/m3。作为施工人员在实际应用中一定要认真学习规范,灵活运用规范,而不被规范束缚,和普通的混凝土应用区别开来。
表2 《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》的技术要求
四、高性能混凝土在施工中需注意的问题
高性能混凝土的特点是低水胶比、高矿物掺和料、复掺外加剂,这与普通混凝土是不同的,这使得高性能混凝土在施工的质量控制、养护措施都与普通混凝土不同。低水胶比决定于混凝土的粘性变大,在混凝土的运输、浇注、振捣工艺上必须严格控制,有的施工人员为方便施工而掺水,结果强度、耐久性大幅度下降;高矿物掺和料要求混凝土的养护必须到位,普通混凝土早期强度高水化快,对养护不是很敏感,但高性能混凝土则不同,高性能混凝土用水量低,易发生自身收缩而产生裂缝,所以浇筑捣实后,盖上湿布或草帘进行早期养护。保证水化反应的正常进行是保证高性能混凝土高性能的重要工艺措施,在混凝土浇筑完毕后12小时以内,通过湿润养护,使混凝土在良好的条件下进行水化反应。因为掺和料的活性比水泥小得多,对硅粉混凝土,要求潮湿养护14d,而粉煤灰混凝土则要养护21d才能达到预期效果,否则会发生表面掉面、耐磨性差等;复掺外加剂要求混凝土的拌合时间必须要长,外加剂的用量很小,若不保证拌合时间,根本分散不开,均匀性变差,致使外加剂不仅起不到作用,反而使混凝土表面质量下降。
五、结束语
目前,在世界范围内,高性能混凝土的研究和应用正在不断创新,而由于高性能混凝土能有效的降低构件的截面尺寸,降低造价,节省材料费用,寿命期延长又能大幅度减少开支,因而高性能混凝土是今后桥梁建设中很有发展前途的优质材料。
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