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高性能混凝土在橋梁建設中的應用探討
[摘要]本文介紹了三個方面的內容:一是高性能混凝土產生的背景。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。
[關鍵詞]高性能混凝土 橋梁建設 應用
高性能混凝土是20世紀80年代末90年代初,一些發達國家基于混凝土結構耐久性設計提出的一種全新概念的混凝土,它以耐久性為首要設計指標,這種混凝土有可能為基礎設施工程提供100年以上的使用壽命,如香港的青馬大橋、加拿大的聯盟大橋等,這些跨海大橋的設計使用壽命均在100年以上,而建設部于20世紀90年代組織了對國內混凝土結構的調查,發現大多數建筑及露天構筑物在使用25～30年后即需大修,處于有害介質中的建筑物使用壽命僅15～20年。為了區別于傳統混凝土,高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩定性等許多優良特性,被認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特的優越性,在工程安全使用期、合理性、環境條件的適應性等方面產生了明顯的效益,因此被各國學者所接受,被認為是今后混凝土技術的方向。
一、高性能混凝土產生的背景
1.技術和生產發展的需要。各種超長、超高、超大型混凝土構筑物,以及在嚴酷環境下使用的重大混凝土結構工程施工難度大,使用環境惡劣、維修困難,因此要求混凝土不但施工性能要好,盡量在澆筑時不產生缺陷,更要耐久性好,使用壽命長。
2.全世界都面臨早年用普通混凝土修建的橋梁等基礎設施老化問題嚴重,需要投入巨額資金進行維修或更新。
3.混凝土作為用量最大的人造材料,它的使用對生態環境的影響巨大。傳統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重影響環境和天然景觀。再者,由于混凝土過早劣化,如何處置費舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環境帶來威脅。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。耐久和高強都意味著節約資源。高性能混凝土正是在這種背景下產生的。
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:
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、粉煤灰或磨細礦渣,經過國內外大型橋梁中的實際應用表明,其中以硅粉提高強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生的Ca(OH)??2轉化為CSH凝膠(即火山灰反應),從而大幅度提高混凝土強度和降低混凝土滲透性。在非常惡劣環境中要求混凝土結構具有長壽命,或混凝土強度等級在C80以上,硅粉是高性能混凝土的必要組成部分。優質粉煤灰具有物理減水作用,高細度礦渣具有增強作用。這兩種摻和料也都有火山灰反應活性,能夠在一定程度上降低混凝土滲透性;但粉煤灰和礦渣會降低混凝土早期強度。同時摻加硅粉和優質粉煤灰或高強度礦渣,可以配置高強同時耐久的混凝土。目前這種水泥+硅粉+粉煤灰或礦渣的三組份膠結材的高性能混凝土正在獲得越來越多的應用。
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度的前提條件之一。目前已形成共識:水膠比低于0.45的混凝土,不可能在嚴酷環境中具有高耐久性,實際應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。有兩個原因,其一;最大粒徑較小,則骨料與水泥漿界面應力差較小,一位應力差可能引起裂縫;其二:較小骨料顆粒強度比大顆粒強度高,因為巖石破碎時消除了內部裂隙。
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。經過實際應用已基本了解出現相容性的原因是: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,如果水泥的石膏不能及時釋放硫酸根離子與C??3A反應,則大量高效減水劑就會被C??3A所束縛,高效減水劑就不能發揮應有的減水作用,即出現相容性問題。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會有標準的組成或配合比,因為每個工程的原材料和對強度、耐久性的要求都不同,配合比使用中也會根據橋梁的實際需要使用不同類型的水泥、礦物摻和料和化學外加劑。對于預應力混凝土大梁,配合比主要是以強度指標為基礎,一般同時能夠獲得較高耐久性,因為高強混凝土的滲透性較低。相反,現澆橋面板的高性能混凝土配合比則一般以耐久性為基礎,同時也規定了混凝土的最小抗壓強度。
三、高性能混凝土在實際應用過程中存在的問題
表1 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)的耐久性要求
高性能混凝土的突出特點就是摻加礦物摻合料、降低水泥用量、低水膠比、摻用復合外加劑等。2000年的《公路橋梁施工技術規范》(JTJ 041-2000)中,就已經明確提出,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《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》(JTG/T B07-01-2006)中明確提出了各種環境下最小膠凝材料用量,與《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)中的水泥用量基本一致,如表2,同時提出最小水泥用量應不低于240 kg/m3。作為施工人員在實際應用中一定要認真學習規范,靈活運用規范,而不被規范束縛,和普通的混凝土應用區別開來。
表2 《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》的技術要求
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是低水膠比、高礦物摻和料、復摻外加劑,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量控制、養護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,在混凝土的運輸、澆注、振搗工藝上必須嚴格控制,有的施工人員為方便施工而摻水,結果強度、耐久性大幅度下降;高礦物摻和料要求混凝土的養護必須到位,普通混凝土早期強度高水化快,對養護不是很敏感,但高性能混凝土則不同,高性能混凝土用水量低,易發生自身收縮而產生裂縫,所以澆筑搗實后,蓋上濕布或草簾進行早期養護。保證水化反應的正常進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小時以內,通過濕潤養護,使混凝土在良好的條件下進行水化反應。因為摻和料的活性比水泥小得多,對硅粉混凝土,要求潮濕養護14d,而粉煤灰混凝土則要養護21d才能達到預期效果,否則會發生表面掉面、耐磨性差等;復摻外加劑要求混凝土的拌合時間必須要長,外加劑的用量很小,若不保證拌合時間,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量下降。
五、結束語
目前,在世界范圍內,高性能混凝土的研究和應用正在不斷創新,而由于高性能混凝土能有效的降低構件的截面尺寸,降低造價,節省材料費用,壽命期延長又能大幅度減少開支,因而高性能混凝土是今后橋梁建設中很有發展前途的優質材料。
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