港珠澳大桥长寿命120年高性能海工混凝土耐久性质量控制

李海卿

(中交第二航务工程局有限公司,广东 珠海 519000)

1 前言

港珠澳大桥主体工程岛隧及桥梁工程设计使用寿命120年,对高腐蚀海洋环境下混凝土结构耐久性提出了很高要求,配制出高性能耐腐蚀混凝土是必要前提。见图1-4港珠澳大桥建成后的效果图。

高性能海工混凝土的配制技术途径是选用优质的水泥、级配良好的优质骨料、合理的掺和料和高效减水剂,并利用高减水率尽量降低混凝土的水胶比。高性能海工混凝土具有高耐久性,特别具有高的抗氯离子渗透性,同时还具有高强度、高工作性及高尺寸稳定性。高性能海工混凝土的力学性能和耐久性性能远远优于传统混凝土,其主要原因是低水胶比、高效减水剂及活性胶凝性矿物掺和料的使用,合理的施工配合比的设计,使得混凝土密实度相对提高以及水泥颗粒的解聚和粒径范围的扩大所获得良好的微观结构。本文主要从混凝土原材料的质量控制和混凝土配合比等方面来谈混凝土的耐久性[1-14]。

图1 港珠澳大桥建成后的效果图

图2 港珠澳大桥建成后的效果图

图3 港珠澳大桥建成后的效果图

图4 港珠澳大桥建成后的效果图

2 海工混凝土配合比

海工混凝土配合比设计是确保混凝土结构耐久性最关键的环节之一,限制混凝土最大水胶比、最小胶凝材料用量限值是有效而可行的措施。以往是按强度等级设计混凝土配合比,先计算水灰比,现在按耐久性指标设计混凝土配合比,是根据环境类别和作用等级确定混凝土的水胶比和各种胶凝材料用量。尽量降低水胶比,减少单方用水量和胶凝材料用量,有利于提高混凝土的密实性,降低混凝土的渗透性并减少收缩量,对提高混凝土的耐久性非常有利。降低水胶比还是发挥矿物掺和料对混凝土强度贡献和降低大体积混凝土温升的重要条件。控制好混凝土中材料总碱含量、总氯离子含量及总三氧化硫含量是保证混凝土耐久性的前提。

目前,我国铁路、公路、隧道、桥梁混凝土工程已大量采用掺合料配制混凝土,且随着混凝土配制技术的提高其掺量亦有提高的趋势。通过大量的成功例子证明了掺加矿物掺和料是改善混凝土施工性能、提高混凝土耐久性的重要技术措施。根据港珠澳大桥科研单位成果及《港珠澳大桥混凝土耐久性质量控制技术规程》(修订版 HZMB/DB/RG/1)要求,本项目所有海工混凝土均按两种矿物掺和料双掺设计配合比。港珠澳大桥工程设计采用的是120年海工混凝土,根据上述要求,海工混凝土中矿物掺和料掺量不宜小于胶凝材料总量的45%。其中,双掺时Ⅰ级粉煤灰掺量不大于30%,S95级矿渣粉掺量不大于45%；桩基混凝土的水胶比不大于0.42,承台混凝土水胶比不大于0.40,墩身、组合梁混凝土水胶比不大于0.36,实际应用中都低于限值。

本项目海工混凝土耐久性检测主要指标是氯离子扩散系数,即描述混凝土孔隙水中氯离子从高浓度区向低浓度区扩散过程的参数。本项目参照北欧标准测试方法NT Build492,采用我国国家标准《普通混凝土长期性和耐久性试验方法标准》(GB/T 50082-2009)中的混凝土抗氯离子渗透性能方法检测。相对评价混凝土密实性和抗侵入性,从而间接评价混凝土的耐久性。当混凝土水胶比较大时,氯离子扩散系数值就大；反之,氯离子扩散系数值相对就小。可见,氯离子扩散系数确实可以较好地用来相对比较混凝土的密实性和抗渗性。

3 海工混凝土原材料

现行公路桥梁混凝土结构设计不仅要考虑结构的承载能力,还要考虑环境作用引起材料性能劣化对结构耐久性带来的影响。针对港珠澳大桥高腐蚀海洋环境下混凝土结构而言,选择和控制好混凝土原材料质量是重要环节。

3.1 水泥

①水泥选用P.Ⅱ52.5、P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥,水泥中混合材为4.5%矿渣粉；不宜使用早强水泥,早强水泥具有水化热释放快、凝结硬化快等特点,不符合配制耐久性混凝土条件。

②水泥比表面积≤380m2/kg、C3A含量≤8.0%；水泥不能过细,水泥熟料中C3A含量过高,将导致水泥的水化速度过快,水化热过于集中释放,混凝土的收缩增大、内外温差偏大、抗裂性下降,对混凝土耐久性不利。

③严格控制烧失量和游离氧化钙含量；生烧熟料进入水泥中,易影响水泥体积安定性。

④水泥中的碱含量过高不仅容易引发混凝土的碱——骨料反应,而且增加混凝土的开裂倾向,故要求碱含量≤0.06%。

3.2 细骨料

①耐久性混凝土用的细骨料应选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然中粗砂,细度模数在2.6-3.0之间。不宜使用山砂,严禁使用海砂。

②砂岩的晶粒嵌固程度不好,坚固性差,不宜配制高性能混凝土。骨料的坚固性及有害物含量对混凝土的耐久性影响较大,对骨料中有机物、云母、轻物质、氯离子含量等做了严格限制。

③水份、混凝土中的总碱含量、碱活性骨料是发生碱—骨料反应的三个必要条件,缺一不可。为预防混凝土发生碱—骨料反应,选用非碱活性骨料。本项目用快速砂浆棒法测得粗细骨料碱—硅酸反应14d膨胀率小于0.1%。

3.3 粗骨料

①粗骨料应选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线胀系数小的洁净碎石,但不宜采用砂岩碎石。

②粗骨料的最大公称粒径不宜超过钢筋的混凝土保护层厚度的2/3,且不得超过钢筋最小间距的3/4。配制强度等级C50及以上混凝土时,粗骨料最大公称粒径(圆孔)不应大于25mm。

③粗骨料在运输和装卸过程中,其级配可能发生变化,为确保骨料具有良好的连续级配,采用了二级配和三级配碎石。在港珠澳大桥主体工程桥梁工程使用的是5-16mm和16-25mm的二级配碎石配制C50及以下级别的混凝土；C50以上的混凝土用碎石是5-16mm和10-20mm的二级配碎石。通过对粗骨料实行分级采购、分级存储、分级计量,以使骨料具有尽可能小的空隙率,从而降低混凝土的胶凝材料用量,这样配制的混凝土,其工作性可以得到进一步的改善。

④粗骨料松散堆积密度应大于1500kg/m3,紧密空隙率宜小于40%,吸水率应小于2%(用于干湿交替或冻融破坏环境条件下的混凝土应小于1%),以保证混凝土获得较好的密实度。

⑤粗骨料中的含泥量不大于0.5%、泥块含量不大于0.2%；否则影响新拌混凝土的和易性、坍落度保持和混凝土凝结硬化后的粘结力,最终影响强度。

⑥粗骨料中的针片状颗粒含量不大于7%,除了影响混凝土的抗折抗压强度外,在生产过程中也很容易造成离析,对泵送施工非常不利。

⑦当粗骨料为碎石时,碎石的强度用岩石抗压强度表示,且岩石抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于2.0；施工中碎石的强度可用压碎指标值进行控制。

3.4 矿物掺和料

矿物掺和料选用品质稳定的原状粉煤灰和磨细矿渣粉。

①粉煤灰的烧失量不能过大,采用烧失量大的粉煤灰配制的混凝土工作性差,将它拌和到水泥混凝土中时需水量增大,从而导致坍落度损失大、不易捣实；以及由于碳含量高减少粉煤灰的细度和硬凝活性等,强度效应差,耐久性差,这给粉煤灰的质量造成负面影响。因此,对粉煤灰的烧失量重点控制,不大于5.0%。

②粉煤灰中的游离氧化钙含量应严格控制,在混凝土中掺入含游离氧化钙多的粉煤灰后,会直接导致混凝土在凝结硬化过程中安定性不合格而出现结构开裂。

③在混凝土中掺入矿渣粉能增加和易性与耐久性。矿渣粉越细,活性越高,收缩也随矿渣粉细度的增加而增加,所以,对于大体积混凝土结构用矿渣粉还限制了细度。从减少混凝土收缩开裂的角度出发,磨细矿渣的比表面积以不超过500m2/kg为宜,最好不超过450m2/kg。本项目用矿渣粉的比表面积在430m2/kg左右。在双掺技术下,矿渣粉和粉煤灰二者的细度和活性差异可起到互补作用。

3.5 外加剂

外加剂对混凝土具有良好的改性作用,掺用外加剂是制备高性能海工混凝土的关键技术之一,它可以有效地控制混凝土的凝结时间、早期硬化能力和密实性,本项目选用的是聚羧酸系高性能外加剂。

①聚羧酸系高性能外加剂减水率高(≥25%)、坍落度损失小、适量引气、能明显提高混凝土耐久性且质量稳定的产品,与水泥之间应有良好的相溶性能的外加剂。

②外加剂的性能品质、匀质性和与水泥的相容性是成功配制高性能混凝土的基本条件。为提高混凝土的耐久性,适量的引气作用可使混凝土的抗冻融性能大大提高。混凝土中掺加引气剂后,对混凝土的工作性和匀质性有所改善,引气剂不仅能减少混凝土的用水量,降低泌水率,更重要的是混凝土引气后,水在拌和物中的悬浮状态更加稳定,因而可以改善骨料底部浆体泌水、沉陷等不良现象。

3.6 拌和水

采用自来水。拌和水的碱含量是新增要求指标,主要是为了控制混凝土的可溶性总碱含量,当采用其它来源的水时,水的品质应符合规范的要求。

4 港珠澳大桥主体工程混凝土配合比应用实例

经过全面细致地学习了解本工程项目前期课题科研成果,多次比对试验,选择了符合《港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计指南》、《港珠澳大桥混凝土耐久性质量控制技术规程》的混凝土原材料。

各配合比在港珠澳大桥主体工程桥梁工程和岛隧工程桩基、沉管、箱梁、桥面板等部分构件施工使用。在混凝土施工过程中,混凝土的和易性好,施工快捷,而且混凝土的凝聚性和流动性特别好。在控制好混凝土的入模温度,严格按照施工技术规范要求进行施工,做好夏季施工温控措施,混凝土养护及时到位,降低了大体积混凝土开裂的几率,使混凝土外观美观平整,色泽均匀一致。

在海工混凝土各工程实体浇筑过程中,按规定现场取样、成型和养护,并按规范要求,完成了海工混凝土抗压强度和氯离子渗透性试验,以质量评定标准的要求,进行海工混凝土质量评定,海工混凝土的强度和氯离子渗透指标均高标准地满足了港珠澳大桥混凝土耐久性质量技术规程及验收标准的要求。

海洋工程处于恶劣的海洋环境,具有气温高、湿度大、海水含盐度高的特点,受海水、海风、盐雾、潮汐、干湿循环等众多因素影响,工程主体的钢筋混凝土构件容易因氯离子侵蚀、化学介质侵蚀破坏等产生锈蚀,导致结构性能退化,危及结构的安全使用。为保证结构耐久性,使工程达到120年设计使用年限的要求,海工高性能混凝土使用常规材料、常规工艺,以较低水胶比、适当掺量活性掺合料和较严格的质量控制措施制作的具有高的抗氯离子渗透性、满足结构要求的较高强度、良好的工作性以及较高体积稳定。

5 结论

海工高性能混凝土对相同的配合比,不同的原材料及其参量对混凝土的强度、工作性能等有较大的影响,外加剂的影响尤为突出。

海工高性能混凝土的设计应遵循选用高效减水剂、掺入活性掺合料、优化配合比参数等基本原则。通过降低水胶比、强化水泥石与集料的界面、改善水泥水化产物、降低孔隙比、提高密实度来实现高耐久、高强度、高性能。

海工高性能混凝土的配合比设计,应根据不同的应用环境和工艺来设计并优化得到。

[1]《普通混凝土配合比设计规范》JGJ 55-2011.

[2]《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009.

[3]《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T 50476-2008.

[4]《港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计指南》(修订版 HZMB/DB/GD/1)

[5]《港珠澳大桥混凝土耐久性质量控制技术规程》(修订版 HZMB/DB/RG/1).

[6]《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTG/T B07-01-2006.

[7]《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ 275-2000.

[8]《公路桥涵施工技术规范》JTG/T F50-2011．

[9]《高性能混凝土应用技术规程》CECS 207-2006．

[10]《混凝土结构耐久性与施工指南》CECS 01-2004．

[11]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[M].北京：中国建筑工业出版社,2014．

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

[13]冯乃谦.高性能混凝土结构[M].北京：机械工业出版社,2004．

[14]李海卿.绿色高性能混凝土原材料的选用与质量控制[J].混凝土世界,2017．