高寒冻融环境桥梁混凝土耐久性设计

马兆云

(新疆公路规划勘察设计研究院，新疆乌鲁木齐830006)

混凝土结构的耐久性与腐蚀和冻融密切相关。严寒及寒冷地区的桥梁结构物，冻融循环及风蚀作用较为严重;在大部分施工期内，为满足施工进度要求，相当数量的混凝土不得不在低温气候条件下浇筑完成，这就要求所浇筑的混凝土必须具备良好的早期强度。如何全面提高混凝土耐腐蚀抗冻融和其它方面的性能指标，进而最终提高混凝土结构耐久性，本文以G30线赛里木湖至果子沟口段果子沟钢桁梁斜拉桥为例，对地处严寒地区的桥梁结构物其现场原材料技术性质测试及高性能混凝土耐久性配合比优化设计等进行简要论述。

1 混凝土结构耐久性失效特点

根据工程事故的调研和有关试验、理论研究，混凝土结构的耐久性失效主要有以下几类:渗透、冻融、碱－骨料反应、混凝土碳化、化学(氯盐)腐蚀和钢筋锈蚀等。影响桥梁结构耐久性的内在因素主要为结构的体系设计、结构或构件的构造、混凝土结构保护层厚度、水灰比和密实度、水泥品种、强度和用量、外加剂类型、混凝土和钢筋的应力大小及裂缝等，这些因素影响混凝土结构的碳化速度以及结构或构件的裂缝形式和发展。影响桥梁结构耐久性的外部环境因素主要为气候、潮湿、高温、氯离子侵蚀、化学介质(酸、酸盐、海水、碱类等)侵蚀，还有冻融、磨损破坏及使用和管理维护等因素。

引起耐久性失效的诸因素相互关联、相互影响。例如混凝土的碳化和化学腐蚀促使钢筋锈蚀;碱骨料反应和冻融循环产生混凝土裂缝，促使混凝土碳化深入内部和钢筋锈蚀;钢筋锈蚀后体积膨胀，产生顺筋裂缝、保护层爆裂现象等。

混凝土的材性劣化和耐久性受损是一个复杂而缓慢的化学和物理作用的过程，难以制定一个确切的失效标准和失效时刻。

现今，混凝土(结构)耐久性问题的许多方面，如冻融深度、碳化深度、氯离子侵入深度、钢筋锈蚀率等，都已建立起多种不同的物理和数学模型，可进行定量的理论分析。但是，由于混凝土耐久性劣化和失效的牵涉面广、影响因素多而且变化幅度大，物理和化学作用复杂，延续时间长等原因，致使各种理论模型的观点难求统一，机理解释有别，计算方法的通用性和准确度都不足以满足实际工程的需求，有待于继续研究改进。

在这种情况下，为保证新建结构具有足够的耐久性，在结构设计和施工阶段可采取的措施有:结构工程合理选址，控制环境条件，改进结构构造，加强施工管理，提高混凝土配制技术的质量监督等。根据已有的工程经验和教训、试验研究和理论分析等综合结果，可提出对耐久性混凝土的基本定量要求。

2 桥址环境及现场原材料调查

在已有气象观测资料的基础上，结合实地调查，依据中国土木工程学会标准《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中的配筋混凝土结构环境作用等级分类，果子沟特大桥环境作用等级为II－D级，即严寒和寒冷地区;混凝土中度饱水且有氯盐存在;昼夜温差较大(可达20℃以上)，冻融循环作用较为严重。在大部分施工期内，混凝土结构物还要经受风蚀作用。具体气候环境参数见表1。

表1 气候环境参数

水质测试分析结果显示，基岩裂隙水中的SO2－4对大体积承台混凝土有强腐蚀性，基岩裂隙水中的游离 CO2和HCO－3对混凝土碳化及钢筋锈蚀有中度影响。

果子沟特大桥各主要结构部位使用的水泥类型不尽相同，当地水泥出厂时的含碱量较高且与高效减水剂的相容性较差，因此进行了配方改良。改良后水泥的含碱量降低，并且通过减少煤矸石含量极大地提高了水泥与高效减水剂的相容性。另外，以上水泥中还加入了一定量的矿渣混合材料，其掺量约为10%。

细集料采用天然砂及砂砾，成分以圆砾为主，含较多中粗砂及少量卵石。矿物成分以石英为主，含泥量小，成砂率较高，细度模数在3.0左右。粗集料主要使用碎石，包括天然碎石和卵石破碎石两种。其中，天然碎石粒径为4.75～9.50mm，卵石破碎石粒径为9.50～26.5mm。果子沟特大桥大体积承台混凝土所用粗集料为天然卵石，预制桥面板、塔柱及山坡展线桥使用的粗集料为按一定比例搭配的天然碎石和卵石破碎石。

果子沟特大桥混凝土采用的矿物外掺料为热电厂生产的I级粉煤灰，化学外加剂采用FDN－15高效缓凝减水剂，混凝土拌合用水为果子沟内河水。

3 现场原材料技术性质测试及优选

3.1 水泥

果子沟特大桥现场施工混凝土采用甲、乙、丙三种品牌水泥，在现场实验室内分别测试了细度、标准稠度用水量、凝结时间、安定性、强度等技术指标。

试验结果表明，三种水泥的安定性测试指标均小于规范值(≤5)，安定性合格，并且每种水泥的初凝和终凝时间相差不大。对于果子沟特大桥来说，由于处于高寒地区，冻融循环比较严重，因而对混凝土的抗冻性要求较高。在一般情况下，改善抗冻性的主要措施是降低水胶比。在以上三种水泥中，甲品牌水泥的标准稠度用水量最小，这样既减少了用水量、水泥用量，又降低了水化热，对提高混凝土的抗冻性及预防混凝土开裂是有益的。其次，在果子沟特大桥主塔施工过程中，有相当部分的混凝土在较低温度下浇筑完成，这就要求在保证混凝土后期强度的前提下，还应具备较好的早期强度，以满足施工进度要求。以上三种水泥强度试验结果对比发现，甲品牌水泥的3 d抗压强度和3 d抗折强度均高于其它两种水泥，这有助于提高混凝土的早期强度。综上所述，在原材料技术性能测试的基础上，结合果子沟特大桥所处环境条件及其相关技术要求，对三种普通硅酸盐水泥进行比较优选，认为甲品牌普通硅酸盐水泥(42.5R)品质比较稳定，更为适合配制高性能耐久性混凝土。

3.2 细集料

细集料按照应用技术要求分为I类、II类和III类砂，其中II类砂宜用于配制强度等级C30～C60以及有抗冻、抗渗或其它要求的混凝土。现场实验室内对细集料的技术性能进行了测试，试验结果显示，果子沟天然河砂含泥量小于3%，符合规范要求;表观密度2 660kg/m3，堆积密度1 545kg/m3，细度模数3.25，属于粗砂。

由于果子沟天然河砂细度模数较大，粗砂含量较多，为了满足混凝土的泵送性能，需要适当增大砂率。因此，在配合比优化设计中，应当把砂率作为一个重要因素来加以考虑。

3.2 粗集料

粗集料II类宜用于配制强度等级C30～C60以及有抗冻、抗渗或其它要求的混凝土。对其堆积密度、表观密度、空隙率、含泥量、针片状颗粒含量、压碎值以及分计筛余计算结果等技术性能进行了测试。

果子沟特大桥处于高寒地区，密实骨架结构对混凝土的耐久性有利。由于果子沟天然河砂中的粗砂较多，为了形成密实级配，宜选用4.75～9.5mm和9.5～26.5mm两档砾料进行掺配，且9.5～26.5mm档的砾料比例应稍大，以保证足够的空隙有利于粗砂进行填充。结合《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685－2001)中规定的混凝土碎石颗粒合成级配，调整各档砾料比例，配制满足规范要求的合成级配曲线。经过调整，确定4.75～9.5mm和9.5～26.5mm两档砾料的比例为0.2 ∶0.8，即1 ∶4(图1)。

图1 粗集料合成级配曲线

从级配合成曲线可以看出，当4.75～9.5mm和9.5～26.5mm两档砾料以1∶4比例进行掺配时，级配良好。

4 高性能耐久性混凝土配合比设计及优化

在果子沟特大桥各主要结构部位中，混凝土的强度等级要求不同，受车辆荷载及外部环境的作用方式也不相同，因此各主要结构部位混凝土的配合比设计及优化应加以区分，突出各自特点。

在满足强度等级要求的前提下，果子沟特大桥混凝土配合比设计应以耐久性为设计原则及预期目标，配合比设计及优化应达到以下效果:(1)维持最初的技术特性，变形及裂缝的推算值在限定值以下;(2)在冻融循环、干燥湿润以及有害化学物质的作用下，混凝土没有发生严重裂缝及剥落等破坏现象;(3)钢筋位置发生的氯离子侵蚀，在腐蚀临界值以下;(4)碳化进行的深度低于保护层厚度;(5)混凝土的荷载能力没有降低;(6)没有发生能够使混凝土达到破坏程度的碱－集料反应。

4.1 主塔混凝土的配合比设计及优化

主塔混凝土强度等级要求为C50，且混凝土在施工过程中的泵送高度达100m以上，坍落度要求为180～200mm，因此主塔混凝土的配合比设计不仅应考虑强度及耐久性要求，还要兼顾工作性和泵送性能。主塔混凝土所用粗集料主要为卵石破碎石，结合原材料技术性能测试结果，主塔混凝土的配合比设计及优化主要需考虑水胶比、矿物外掺料类型及掺量、砂率等。

4.1.1 初步配合比设计

初步配合比设计，按规范对水灰(胶)比进行耐久性校核。基于主塔强度等级为C50，且环境作用等级为II－D，因此水胶比不宜大于0.40，结合水灰(胶)比计算值0.37，取0.32～0.38之间的水胶比进行试验研究。由粗集料合成级配曲线，取4.75～9.5mm和9.5～26.5mm两档砾料的掺配比例为1∶4。主塔混凝土的泵送高度高达100～200m，配制的混凝土必须具备良好的泵送性能，取0.40～0.44之间的砂率进行配合比设计优化研究。胶凝材料用量确定，取390～430kg/m3配制高性能耐久性混凝土。

对于主塔混凝土的配合比设计及优化，必须兼顾强度、耐久性能、抗裂性能和泵送性能等技术要求，因此需要掺加一定比例的矿物外掺料。由于配制混凝土用的天然河砂较粗，在不掺加矿物外掺料的情况下，混凝土的流动性和泵送性能很差，因此需要加入一定量的粉煤灰来改善其工作性能。但是，粉煤灰是活性较低的矿物掺合料，加入粉煤灰后，混凝土的早期强度发展缓慢，后期强度等同或略高于不掺粉煤灰的混凝土，考虑到施工进度要求，可以在掺加粉煤灰的基础上再加入适量矿渣以改善混凝土强度发展过程。由于加入硅灰会显著增大混凝土的自收缩，且单价较高，鉴于主塔混凝土的浇筑量在整个果子沟特大桥中占有很大比例，从抗裂性能和工程成本控制的角度出发，主塔混凝土配合比设计中不宜掺加硅灰。

为有效改善混凝土抗化学侵蚀性能(如氯化物侵蚀、碱－骨料反应、硫酸盐侵蚀等)，在主塔混凝土配合比设计优化中，选用粉煤灰和矿渣两种矿物外掺料来改善混凝土性能，粉煤灰掺量范围为0～30%，矿渣掺量范围为0～20%。

结合高性能耐久性混凝土的设计目标及果子沟特大桥施工环境条件，主塔混凝土配合比设计中需采用缓凝型高效减水剂。为了提高混凝土的抗冻性指标，还应使用引气剂，引气剂可根据推荐的最佳掺量(0.6×10－4～1×10－4)进行调整，缓凝型高效减水剂的掺量取为胶凝材料质量的1.0%～1.5%。

4.1.2 配合比正交设计及优化

主塔混凝土配合比正交设计中取水胶比、粉煤灰掺量、用水量及砂率作为正交因素，正交试验设计见表2。按照表1中的正交设计法配制混凝土，并对其碳化性能、抗氯离子侵蚀性能、抗冻性能、抗裂性能、抗碱－集料反应和护筋性能进行测试，对正交试验结果进行回归分析，从而对各正交因素进行优选，最终得到符合强度及耐久性要求的主塔混凝土配合比。

表2 正交试验设计表

4.2 大体积承台混凝土的配合比设计及优化

大体积承台混凝土的强度等级为C30，泵送高度达60～100m，设计坍落度为160～180mm。由于强度等级要求比较低，粗集料选用卵石(粒径4.75～31.5mm)。

4.2.1 初步配合比设计

考虑到大体积承台混凝土需降低水化热，减少水泥用量，降低用水量，从防止混凝土开裂的角度来看，不宜采用过大的水胶比;此外，冻融环境的存在也要求混凝土配合比设计采用较低的水胶比。因此，水胶比范围取0.39～0.45。

大体积承台混凝土的泵送高度为60～100m，其砂率应略低于主塔混凝土所用砂率，故砂率范围取0.40～0.44。

大体积承台混凝土承受的环境作用等级为II－D，且与基岩裂隙水及碱性土壤直接接触，对抗碱－集料反应能力和抗硫酸盐侵蚀能力要求较高。在借鉴有耐久性要求的大体积混凝土配合比设计实例的基础上，取胶凝材料用量的范围310～400kg/m3。

大体积混凝土掺入优质粉煤灰后，利用二次水化反应，既减少了水泥用量，降低了水化热，同时又能保持混凝土后期强度的增长。另外，对于有泵送要求的混凝土，坍落度随泵送高度和距离变化有所不同，拌合物的粘度又直接影响泵送管道的阻力，优质粉煤灰中含有大量微小的玻璃珠，起到滚珠轴承的作用，减少了输送管道的阻力，混凝土泵送工作负荷得以减轻，坍落度损失也小。在提高大体积承台混凝土耐久性方面，粉煤灰也有一定贡献，掺入优质粉煤灰后，随着二次水化反应的持续进行，混凝土内部孔结构得到改善，使混凝土的自密实性和自防水性能进一步提高，耐久性随之改善。结合相关研究成果，基于耐久性和抗裂性设计的大体积混凝土的粉煤灰掺量不得大于水泥用量的30%。取I级粉煤灰的掺量为0～30%，且根据《粉煤灰混凝土应用技术规范》，宜采用等量取代法。

4.3 桥面板混凝土的配合比设计及优化

桥面板混凝土的强度等级为C40。由于预制桥面板的布筋密度较大，为了达到预期的填充效果，新拌混凝土的流动性要好，因此设计坍落度为100～120mm，粗集料选用卵石破碎石。

由于桥面板混凝土既要承受车辆荷载的直接作用，又要经受腐蚀性介质和冻融循环的综合作用，取0.44为配合比设计时水胶比的上限，由此水胶比的选取范围大致为0.38～0.44。

桥面板直接承受行车荷载，对混凝土的强度及抗冲击性能要求较高，加入适量硅灰可以促进混凝土的强度发展并显著提高混凝土的耐磨性和抗冲击性能。但硅灰一般应与其他矿物掺合料复合使用，如将粉煤灰与占胶凝材料总重5%左右的硅灰复合，能明显增强混凝土的抗氯离子侵入性能和早期性能。另外，加入粉煤灰还有利于改善混凝土的工作性，降低硅灰对混凝土自收缩的影响。因此，选用粉煤灰和硅灰两种矿物外掺料来配制桥面板混凝土。选取两种矿物掺合料的掺配范围分别为:粉煤灰0～30%;硅灰0～8%。

5 结束语

我国西部地区自然环境复杂、恶劣，如何提高混凝土材料的抗冻耐久性是个非常突出的问题，也是目前我国西北干燥地区混凝土工程所面临的最严峻问题之一。在西部的开发建设当中，为使国家投资不因工程结构的安全问题及使用寿命等而遭受巨大损失，必须重视混凝土的使用寿命。

桥梁安全性与耐久性评估作为桥梁管理系统的重要组成部分，对其耐久性应有未雨绸缪的思考。基于混凝土耐久性的设计优化工作应最大程度地利用现场设备及材料、结合桥址处气候环境条件进行。

目前桥梁耐久性的研究多集中在材料耐久性退化机理上，今后从构造和体系上研究桥梁耐久性的设计方法应引起设计者足够的重视。

［1］ 过镇海，时旭东．钢筋混凝土原理和分析［M］．北京:清华大学出版社，2003

［2］ 王起才，霍曼琳．建筑材料［M］．兰州:兰州大学出版社，1997

［3］ 吴海军，陈艾荣，陆萍．桥梁耐久性设计的几个原则［J］．华东公路，2005(3):49－52

［4］ 刘海荣．高速铁路混凝土结构耐久性措施探讨［J］．铁道标准设计，2004(5):28－30

［5］ 朱平华，金伟良，倪国荣．在役混凝土桥梁结构耐久性评估方法［J］．浙江大学学报(工学版)，2006，40(4):658－667