高性能混凝土在高架桥上的应用

李显潮，伍二发

（中交公路规划设计院有限公司贵州分公司，贵州贵阳 550003）

0 前言

国家和行业规范对桥梁的设计使用年限都有明确规定。因此，桥梁结构的耐久性应是设计关注的重点之一。近期，国内多位院士和著名桥梁专家均指出：混凝土结构设计中，混凝土强度的选用，不仅要满足强度计算的要求，还必须满足耐久性设计的要求[1]。这应是当代混凝土结构设计的重要理念之一。而高性能混凝土是确保结构物耐久性的重要措施。

贵阳市某高架桥为了城市美观及节约用地，选用了独柱墩、横向大悬臂、鱼腹式线型连续箱梁的结构型式，桥墩外轮廓采用花瓶式造型，与上部箱梁的曲线相协调。桥梁上部结构跨径有30 m，38 m及52.9 m，均为现浇等截面预应力混凝土连续箱梁，高架桥全长为911 m，桥面宽度为26.1 m及33.6 m，独柱墩墩顶支座横向距离为6m，道路等级为城市主干道，设计中除了满足结构设计安全度外，从结构耐久性设计出发，选取了桥梁结构中主要部位混凝土等级，对主梁及桥墩采用高性能混凝土进行设计。

1 主体结构设计使用年限的确定

高架桥主要结构包括：箱梁、桥墩、承台、桩基础。

《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）[2]第3.3条规定：“城市快速路及主干道上的桥梁及其他道路上的大型桥梁，设计使用年限不低于 100 a”。

《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）[3]第A.3条规定：“公路桥涵的设计使用年限，特大桥、大桥、重要中桥为100 a”。第3.3条规定：“工程结构设计时，应规定结构的设计使用年限”（强制性条文）。

《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）[4]第1.0.6条规定：“公路桥涵的设计基准期为100 a”（强制性条文）。

该高架桥的主要结构，设计使用年限采用100 a，按此进行混凝土结构耐久性设计。

2 混凝土强度等级的确定

影响混凝土强度等级选用的主要因素，除结构受力条件外，最主要的是环境作用。根据该桥各主要部位的环境情况和设计使用年限为100 a，主要结构混凝土强度等级确定如下。

2.1 箱梁

箱梁顶部有复合式桥面铺装，能有效防止雨水浸蚀主梁，但在大雨并伴有大风的情况下，箱梁侧面仍可能偶尔接触雨水。所以，箱梁的环境作用等级，按《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTGTB07-01-2006）[5]规定应为 B级，按《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）[6]规定应为Ⅰ-B级，则混凝土强度最低等级为C35。箱梁为部分预应力混凝土A类构件，桥面宽度达26.1 m和33.6 m，并采用独柱式桥墩，横向为超大悬臂结构，结经构计算，正应力、主应力和剪应力均较大，有必要适当提高混凝土强度等级，故采用C55级混凝土。

2.2 桥墩墩身

处于干湿交替环境，按JTG/TB07-01-2006规定，环境作用等级应为C级；按GB/T50476-2008规定应为Ⅰ-C级，则混凝土度最低等级为C40。设计采用C50混凝土。

2.3 桩基与承台

埋于地下，温度、湿度相对稳定的基础构件，环境作用等应为B级或Ⅰ-B级，则混凝土强度最低等级为C35。采用C35混凝土。

3 箱梁和墩身采用高性能混凝土的基本要求

箱梁和墩身为本桥结构受力最大、最复杂的部位，也是影响耐久性和安全性的关键部位。根据国内已建桥梁的成功经验，采用高性能混凝土。

高性能混凝土的定义：具备施工性（即高工作性）、高抗渗性、高体积稳定性（硬化过程中不开裂、收缩徐变小）、较高强度（≥C40），并保持强度持续增长，最终获得最佳耐久性（使用年限不小于100 a）的优质混凝土[7]。（文献[7]即：铁建设（2005）157号，铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定，以下简称《铁规》）

该桥箱梁和墩身高性能混凝土设计要点如下。

3.1 原材料

3.1.1 水泥

水泥宜用硅酸盐水泥（P.Ⅰ或P.Ⅱ）和普通硅酸盐水泥（P.0）；选用低水化热和含碱量低的水泥；避免使用早强水泥和C3A含量高的水泥；与高效减水剂有很好的相容性；水泥的技术要求，可参阅《铁规》[8]第4.1条规定。

3.1.2 粗骨料

碎石粒径为5～25 mm。也可采用碎卵石，不宜采用砂岩碎石；碎石颗粒的外形，应尽量接近等径状。针片状颗粒尽量少，其含量应小于碎石总量的5%，碎石应级配良好。碎石应有较高的强度，其抗压强度应大于100 MPa，饱和状态下应大于80 MPa，密度应大于等于2.65 g/cm3；碎石应是清洁的，含泥量应小于1%；碎石中不含能与碱反应的活性成分（例如微晶石英岩、安山岩、硅质岩和玄武岩等）；碎石压碎指标应符合《铁规》[8]表4.4.5的规定；碎石的其他质量要求应符合《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）（简称《公规》）[9]、《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685-2001）（简称《建石》）[10]、《铁规》[8]的规定。

3.1.3 细骨料

采用中粗砂，优先采用优质河砂，也可选用由专门机械生产的人工砂，不宜使用天然山砂。应级配良好，细度模量3～2.3，砂率在32%～40%之间优选；含泥量小于1%；0.63 mm筛的累计筛余大于70%；0.315 mm筛的累计筛余为85%～95%；0.15 mm筛的累计筛余大于98%；其他质量要求，应符合《公规》[9]、《建石》[11]、《铁规》[8]的规定。

3.1.4 细粒活性矿物掺料

常用的主要细粒活性矿物掺料有：硅灰、粉煤灰、超细矿渣等。是高性能混凝土必要的组成部分。硅粉、粉煤灰和水泥均为胶凝材料，参与水胶比计算。

3.1.4.1 硅粉（代号SF）

硅粉中的二氧化硅含量不应小于85%，比表面积（BET-N2吸附法）不小于15000 m2/kg。硅粉和粉煤灰应同时掺入。硅粉掺量应控制在胶凝材料总量的8%以内。硅粉粒径应小于1μm，平均粒径0.18～0.26μm；硅粉密度为2.2 g/cm3。

在混凝土中掺入适当硅粉水剂，可以提高强度、改善工作性能、增加弹性模量、减小收缩徐变、降低混凝土的渗透性、增强混凝土的耐久性。硅粉采用水剂后，在混凝土中分布更均匀、能提高工效、降低对环境的污染。

3.1.4.2 粉煤灰（代号FA）

须采用Ⅰ级粉煤灰。烧失量不大于5%；需水量比不大于95%；细度不大于12%（45 mm方孔筛筛余）；三氧化硫含量不大于3%，其中最主要的是烧失量和需水量比、必须从严控制。

粉煤灰掺入量不宜大于20%。外加剂对混凝土的质量影响巨大，务必严格控制。

在混凝土中掺入适当粉煤灰，有明显的减水作用，较大幅度地提高混凝土的工作性能，并有明显的减水作用。通过粉煤灰抑制混凝土的升温，可有效地减少混凝土的开裂。掺入粉煤灰的混凝土，早期强度较一般的混凝土低，但后期强度有较大增长，高于一般混凝土，其抗渗性（不透水性）在后期有明显增大，高于一般的混凝土。能降低混凝土中氯离子的扩散。掺入粉煤灰的混凝土，体积稳定性良好，干燥收缩率降低。

3.1.5 纤维掺合料

高性能混凝土中掺入一定量的网状树脂纤维，可以提高混凝土的抗拉强度，降低混凝土的脆性，改善混凝土的抗裂性能，提高混凝土的延性。该桥可以采用网状聚丙烯纤维或聚丙烯腈纤维。掺入量约为1 kg/m3。

3.1.6 高效减水剂

使用高效减水剂，并同时掺入活性矿物质超细粉（即“双掺”），是降低单方混凝土用水量的主要途径，也是使混凝土获得高性能的途径。所以，高效减水剂成为高性能混凝土必不可少的组成材料。高效减少剂应具有对水泥的分散能力强、减水率高、控制坍落度损失、提高混凝土的耐久性，以及与水泥有良好的相容性等功能。

高效减水剂的基本性能，如表1所列[14]。

3.2 配合比设计

3.2.1 配合比设计的基本目的

在保证混凝土设计强度的前提下，尽量提高混凝土的工作性能和耐久性，同时采用最优水灰比、最小水泥用量，减小混凝土的水化热、提高混凝土的弹性模量、减小混凝土的后期收缩和徐变。高性能混凝土的配合比特点是：水胶比低、粉体量大、浆集比大、粗集料量小。

表1 GB 8076-1997对高效减水剂的技术要求一览表

该桥高性能混凝土必须进行专门的多组配合比试验，通过对比分析，择优选用。择优的基本要求是：强度满足设计要求、弹性模量高、工作性能好、抗裂性好，以及粘聚性与保水性好。

3.2.1.1 耐久性

高性能混凝土配制的目标主要是耐久性。低渗透性是混凝土确保耐久性的第一道防线。要尽量降低水泥水化热和混凝土内部的温度升高值。要从原材料的选择和配合比上尽量降低混凝土的干缩。

3.2.1.2 强度

施工过程、使用期的混凝土抗压强度，要达到设计要求。水灰比应小于0.4。

3.2.1.3 工作性

高性能混凝土拌合物的工作性比强度还重要，是保证混凝土浇筑质量的关健。要求拌和物具有高流动性和可泵性。坍落度应大于180 mm；当要求免振时，坍落度应大于250 mm。还应具有体积稳定、不离析、不泌水的性能。

要求坍落度和坍落铺展度（拌和物坍落终了时铺展的直径，称为铺展度）的比值约为0.4。

3.2.2 配合比设计的基本法则

3.2.2.1 灰水比法则

混凝土的强度与水泥强度成正比，与灰水比成反比。灰水比一经确定，绝不能随意变动。对于高性能混凝土，“灰”包括所有胶凝材料，故灰水比称为胶水比。

3.2.2.2 混凝土密实体积法则

由水泥（胶凝材料）、水、砂、石组成的混凝土达到最佳密实度，同时在可塑状态时，又具有足够的流动性。

3.2.2.3 最小单位加水量或最小胶凝材料用量法则

在灰水比固定、原材料一定的情况下，使用满足工作性的最小加水量（即最小的浆体量），可得到体积稳定的、经济的混凝土。

3.2.2.4 最小水泥用量法则

为降低混凝土的温升、提高混凝土抗环境因素侵蚀的能力，在满足混凝土早期强度的前提下，应尽量减小胶凝材料中的水泥用量。

3.2.3 配合比主要参数的选择

3.2.3.1 水胶比

为达到混凝土的低渗透性以保证其耐久性，无论设计强度是多少，配制高性能混凝土的水胶比都不能大于0.4（对所处环境不恶劣的工程可以适当放宽），以保证混凝土密实度。

该桥要求水泥用量应控制在500 kg/m3以内。用水量应控制在185 kg/m3以内。水胶比应控制在0.24～0.38之间。

3.2.3.2 浆集比（或用胶凝材料总用量表示）

浆集比主要影响混凝土的工作性，因而也影响耐久性，在一定程度上还影响强度、弹性模量和干缩率。

根据经验，胶凝材料总用量以不超过550 kg/m3为宜，但为了保证耐久性，胶凝材料总量最少也不能低于300 kg/m3，重要工程则还要提高。

3.2.3.3 砂石比（或用砂率或粗集料用量表示）

砂率在混凝土中主要影响工作性。《混凝土结构施工及验收规范》（GB50204-92）[15]第 4.2.8条规定，泵送混凝土的砂率宜控制在40%～50%之间。当水灰比不同时，最优砂率有所不同，但都在38%～46%之间。

4 关于结构耐久性设计的其它方面

（1）混凝土中最大氯离子含量的限值：

所有配筋的混凝土结构的氯离子含量，RC构件应不大于0.30%，PC构件应不大于0.06%（氯离子含量指氯离子与水泥用量的比值）。

（2）混凝土中最大碱含量的限值：

混凝土中最大碱含量应不大于1.8 kg/m3。

（3）钢筋的混凝土保护层厚度：

参照文献[5]中的有关规定，结合构件受力情况从严控制各配筋混凝土结构的钢筋保护层厚度。

5 结语

（1）该高架桥已建成通车运营近2 a，作为贵阳市内主干道工程，高性能混凝土的应用不仅提高了桥梁结构安全性，而且为桥梁结构在运营过程的耐久性提供了保障。

（2）高性能混凝土是一种耐久性优异的混凝土，以其优异的性能使得普通混凝土向高性能混凝土发展成为必然趋势。我国在发展高性能混凝土方面才刚刚起步，需要科研、设计、施工部门携手协作，共同促进高性能混凝土的发展。

[1]严允中，余勇继，杨虎根，等.桥梁事故实例评析[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]GB/T50476-2008，混凝土结构耐久性设计规范[S].

[3]GB50153-2008，工程结构可靠性设计统一标准[S].

[4]JTGD60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[5]JTGTB07-01-2006，公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范[S].

[6]吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中国铁道出版社，1999.

[7]铁建设（2005）157号，铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定[S].