桥梁高性能混凝土应用技术的研究与进展

李海卿,田桃涛

(中交第二航务工程局有限公司,广东 珠海 519000)

前言

高性能混凝土(High Performance Concrete 简称HPC)一词是1990年在美国的一次国际学术会议上公开提出来的。高性能混凝土是在研究发展高强混凝土的过程中发展起来的。什么是高性能混凝土,至今国际上还没有一个公认的定义,1994年在新加坡召开的第一届高性能混凝土国际会议上,许多研究人员认为高性能混凝土应是具有高质量和高耐久性的混凝土,但未定出具体的质量指标和耐久性指标。根据国际上目前发表的文章和研究成果,可以认为HPC是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术,选用优质原材料,除水泥、水、集料外,必须掺加足够数量的活性掺合料和高效外加剂的一种新型高技术混凝土。其高性能包括：易浇捣而不离析,力学性能稳定,高强度,高耐久性,高体积稳定性和高工艺性。

1 高性能混凝土的性能

1.1 高强度

混凝土强度对结构来说是最基本的性能要求。不同的结构,对混凝土强度要求也不一样,有的结构要求有较高的抗压强度与抗剪强度;有的结构希望在短期内有较高的强度;有的结构需要有较高的抗拉强度;有的结构在28天后才承受荷载,希望后期强度有较大的增长可以利用;有的结构需要抗冲切,抗磨损,抗疲劳强度等等。所以对混凝土的强度也需要有一个全面的了解。在大跨度结构物允许减小断面的构件部位,应尽量采用强度高的混凝土。资料显示,混凝土强度从C40提高到C80时,造价约增加50%,而承载能力可提高1倍左右。由于具有减小断面、降低结构物自重等优势,高强混凝土在国外发展很快。出于耐久性的考虑,高强混凝土又逐渐发展成高强度的高性能混凝土。目前普遍认为高性能混凝土必须是高强混凝土(C50以上),而高强混凝土未必是高性能混凝土。但另一观点认为,高强混凝土必须是高性能混凝土,而高性能混凝土不一定非要强度高,如水工结构物,对强度要求并不高(C30左右),但对耐久性要求却很高。划分高强混凝土的标准,是与各国的混凝土工程技术水平相关的。表1列出了各个国家规定的高性能混凝土的强度极限值。可以看出：除美国外,几乎每个国家都规定了一个抗压强度的上限值。此外,大多数国家都规定了最小强度标准为50 MPa左右,美国采用的最低强度标准为41 MPa。

表1 各规范规定的高性能混凝土强度极限值(MPa)

我国在普通工业与民用建筑中,现场浇注混凝土的强度等级大量低于C30,预制混凝土构件普遍低于C40;而在桥梁工程中,现浇C50混凝土已是常事。考虑到其它因素,我国将强度等级为C50及以上的混凝土划分为高强混凝土,这样划分与欧洲CEB、美国ACI、日本等国的标准大体相当。

1.2 高耐久性

长期以来,混凝土一直被看成坚固耐久的材料,实践证明,普通混凝土并不总象当初应用时所认为的那样耐久,许多国家早期修建的一些混凝土基础设施工程已相继步入老化期。以美国为例,美国现有桥梁约57.5万座,据1991年提交美国国会的一份报告中的数据,这些桥梁中不少已经老化损坏,为修复和更新,在以后20年内每年需耗资60～85亿美元,每年需修复更新的桥梁达1.6万座,这不仅耗资巨大,而且影响社会生产和生活秩序。普通混凝土因耐久性不良造成的问题在我国也相当突出。现代高性能混凝土技术为解决混凝土的耐久性提供了出路,对于桥梁、道路、港口、海洋工程等许多设施来说,混凝土的耐久性比其强度显得更为重要。对混凝土耐久性的要求可从两个方面分析,即自然老化和人为劣化。自然老化是指混凝土在大气、土壤和水中,随着时间的推移发生的性能变化,如气温变化、日晒雨淋、冻融循环、干湿较替等作用,使混凝土产生裂缝、剥落、疏松等现象,降低结构安全度;二氧化碳的侵入,使混凝土发生碳化,降低混凝土对钢筋的防锈保护作用;遭受有腐蚀性气体或液体的侵蚀,降低混凝土强度,使混凝土开裂,钢筋被腐蚀等。人为劣化是指混凝土结构在使用过程中,由于生产、生活、管理等方面的原因,使混凝土发生降低使用功能的现象。如磨损、冲刷使混凝土降低了耐久性;疲劳、撞击使混凝土产生裂缝或损伤,降低结构强度;酸、碱、油的腐蚀破坏了混凝土的内在结构,失去或降低混凝土强度;温度、渗透等作用直接损伤了混凝土。要解决上述耐久性问题,就必须使混凝土密实度高且不产生原生裂缝;硬化后体积稳定而不产生收缩裂缝;同时减少混凝土内部产生侵蚀的组分。高性能混凝土是一种耐久性优异的混凝土,耐久性可达百年之久,是普通混凝土的3-10倍。混凝土的耐久性即抵抗劣化的能力,主要包括：抗渗性、抗侵蚀性、抗冻性、耐磨性、抗碳化性、抗碱-骨料反映等。

1.3 高体积稳定性

混凝土的体积稳定性直接影响结构的受力性能,严重者会影响结构的安全。混凝土的体积稳定性可分成三类,一类是混凝土在凝结过程中发生的体积变形,总称为收缩变形;另一类是混凝土在承受荷载后发生的体积变形,如弹性变形,徐变变形等;还有一类是混凝土在温度作用下的体积变形,称为温度变形。收缩变形是混凝土的一种固有特性,不均匀收缩会使混凝土产生内应力,产生裂缝,降低混凝土强度和耐久性。减少收缩主要应从减少用水量,减少水泥浆用量,提高混凝土的密实性解决。徐变是混凝土的另一个重要特性。混凝土在一个定值荷载作用下,产生随时间增长变形增加的现象称为徐变。徐变变形会改变结构中的内力,有时产生对结构不利的变形,影响结构的安全。减少徐变的主要办法有：提高混凝土的强度,降低其使用应力,减少混凝土中的水泥浆含量,不要过早使混凝土承受使用荷载等。弹性变形是所有结构材料共有的特性,混凝土在受力后产生的弹性变形比较大。要使弹性变形小,就要提高混凝土的弹性模量。提高弹性模量的办法有：提高混凝土的强度,采用弹性模量高的集料,改善混凝土的级配,提高混凝土密实度。温度变形。混凝土的温度变形分两类,一类是热胀冷缩变形,如受到约束时,使结构发生裂缝,甚至破坏;另一类是混凝土水化是产生的温度应力而引起裂缝。对体积稳定性要求,国际上也还没有一个统一的标准。一般来说,要求混凝土的收缩变形、徐变变形小,弹性模量高,温度膨胀系数尽量与钢筋一致。

1.4 高工艺性

混凝土的工艺性能是混凝土质量的重要保证。没有好的工艺性能,混凝土就很难达到高强度、高耐久性和高体积稳定性。混凝土的工艺性包括对拌和、运输、浇灌和振实等各道操作工序的要求,在施工过程中不产生离析,质量稳定,施工完成后的混凝土密实、匀质、平整、表面光洁。

1.5 应用经济性

虽然高性能混凝土在成本上比普通混凝土要高一些,但由于减小了截面尺寸,减轻了结构自重,降低了钢筋用量,这对自重占荷载主要部分的混凝土结构具有特别重要的意义。一般情况下,混凝土强度等级从C30提高到C60,对受压构件可节省混凝土30%～40%,受弯构件可节省混凝土10%～20%,以年产15亿立方米混凝土中有20%采用高性能混凝土,以商品混凝土350元/m3计算,可节约资金210亿元,具有巨大的直接经济效益;同时由于截面尺寸减小,不但改变了结构上肥梁胖柱的不美观问题,而且可增加使用面积和有效空间,因而可获得较大的间接经济效益。在建设阶段通过节约混凝土用量,可以节约土地、煤、水、矿石、砂等能源和资源的消耗量,从而减少有害气体和废渣的排放,使用阶段可减少养护维修费用,实现节能,带来可观的社会效益。

2 高性能混凝土的配制要求

2.1 水泥

高性能混凝土应采用矿物组成合理、细度合格的高标号水泥,还应注意尽可能选择标准稠度需水量较小和水化热较低的水泥,这样容易选择超塑化剂并在较小的单位水量下获得良好的流动性。一般常用42.5级以上的硅酸盐水泥。

2.2 骨料

配制高性能混凝土的骨料与普通混凝土的要求不同,骨料本身的强度要高,一般选用花岗岩、硬质砂岩及石灰岩等。还需控制骨料的粒径、表面特征、用量、吸水率等指标。

2.3 水胶比

配制高性能混凝土的重要措施是减小水胶比,使混凝土密实性提高,其强度和耐久性可显着增长。一般水胶比在0.3左右,用水量不大于160kg/m3。

2.4 高效减水剂

高效减水剂是表面活性剂,可以大大提高水泥浆的流动性,使得低水灰比配制的混凝土具有高坍落度。同时,还能促进水泥的水化作用,提高早期强度。高效减水剂赋予混凝土高密实度即高强度、高耐久性,同时具有优异的施工性能。

2.5 矿物掺合料

矿物掺合料是高性能混凝土的又一必不可少组成材料。这类掺合料可以是优质粉煤灰、超细矿渣与天然沸石粉,或硅粉。可单独添加或同时并用,目的在于改善混凝土拌和物的流变性能,提高混凝土强度和耐久性。

2.6 配合比设计

高性能混凝土配合比设计目标首先是高耐久性,并兼顾工作性与强度。为此,世界各国学者均提出了各自的有关高性能混凝土配合比设计方法。如P。K。Mehta和Aitcin推荐的高强度高性能混凝土配合比确定方法;法国路桥实验中心建议的有关高性能混凝土设计方法;日本阿部道彦采用的高性能混凝土配合比计算方法及Domone、Carbonari等基于最大密实度理论而提出的高性能混凝土配合比设计方法。高性能混凝土对原材料质量及配合比参数变化都较敏感,故配合比计算的精确度要求较高,为此,世界各国学者研究了高性能混凝土配合比设计的计算机化,例如清华大学博士研究生王德怀进行的“高性能混凝土配合比设计与质量控制的计算机化”课题研究;法国路桥实验中心提出的优化高性能混凝土配合比设计的RENE—LCPCTM软件等。高性能混凝土在配制上的特点是低水胶比,选用优质原材料,并除水泥、集料外,必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂。用于桥梁尤其是大跨度桥梁的高性能混凝土应满足：(1)水胶比≤0.4,(2)强度≥41.4MPa,(3)低徐变率。

3 高性能混凝土在桥梁工程中的应用

高性能混凝土达到了使结构强度高、刚度大、耐久性好的要求,同时能满足工业化预拌生产和机械化泵送施工,在世界范围内是一项比较成熟的技术。桥梁工程中,大跨度桥梁的自重往往占总荷载中的大部分。采用高性能混凝土,可以减小自重,降低截面高度,增强结构耐久性;其早期强度高,可加快施工进度。我国于70年代中后期,开始在公路桥梁界较大范围内应用预应力混凝土,只不过应用的混凝土标号以C40为主。到80年代,随着交通事业的迅猛发展,我国的公路桥梁用混凝土也在不断发生变化和快速发展,混凝土的强度等级逐步提高。在许多的跨江、跨河和跨海的大型桥梁工程中,应用了C50～C65级的泵送混凝土。如：浙江杭州钱塘江二桥(80m跨预应力混凝土连续箱梁桥),广东番禺洛溪大桥(180m跨预应力混凝土连续刚构桥)等。到了90年代,我国公路桥梁上已开始应用C55～C60级的泵送混凝土。如：杨浦大桥主塔(C50泵送混凝土),四川万县长江公路大桥(420m跨劲性骨架箱形拱桥),广东虎门大桥(888m跨悬索桥,中孔270m跨的预应力混凝土连续刚构桥),南京长江二桥(如采用英国专家的设计方案,可将主跨提高到1100多米,但需提供C80-C100的泵送混凝土),杭州湾大桥(70米箱梁采用C50高性能海工混凝土)、东海大桥等。高性能混凝土技术在国外的发展与应用以北欧和北美为先导,很快在全球范围内展开,目前已在大量工程中应用,尤其是大跨度桥梁。如：丹麦的大贝尔特海峡大桥、丹麦与瑞典之间的欧上海峡大桥、加拿大联盟大桥、日本的明石海峡大桥等,这些跨海大桥的设计使用寿命均在100年以上。

结语

高性能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。高性能混凝土是混凝土技术进步的标志。我国在发展高性能混凝土方面才刚刚起步,需要科研、教学、设计、施工部门携手协作,共同促进高性能混凝土的发展。

[1]中国工程建设标准化协会标准.高性能混凝土应用技术规程CECS 207-2006.北京：中国计划出版社,2006．

[2]中国土木工程学会标准.混凝土结构耐久性与施工指南CECS 01-2004.北京：中国建筑工业出版社,2005．

[3]中华人民共和国国家标准.混凝土结构耐久性设计规范GB∕T 50476-2008.北京：中国建筑工业出版社,2008．

[4]住房和城乡建设部标准定额司.工业和信息化部原材料工业司.高性能混凝土应用技术指南.北京：中国建筑工业出版社,2014．

[5]冯乃谦.高性能与超高性能混凝土技术.北京：中国建筑工业出版社,2015．

[6]冯乃谦.高性能混凝土结构.北京：机械工业出版社,2004．

[7]中华人民共和国行业标准.公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTG /T B07-01-2006.北京：人民交通出版社,2006．

[8]中华人民共和国行业标准.公路桥涵施工技术规范JTG /T F50-2011.北京：人民交通出版社,2011．