半山特大桥高性能耐久混凝土施工技术

                               (中铁六局呼和浩特铁建公司，内蒙古 呼和浩特 010050)
摘 要：文章就施工过程中对高性能混凝土含义的定义及其应具备的性能的理解，分析了对其原材料的基本要求和对混凝土产生的作用，并结合铁路特大桥工程实践对高性能混凝土的配制及测试结果做了详细的阐述。
关键词：高性能混凝土；耐久性；工作性能；应用
中图分类号：U448.135.4  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)03—0055—03
      半山特大桥是新建铁路温福线(福建段)站前工程第Ⅲ标段的一座特大桥，设计时速200km/h （预留250km/h），使用寿命100年；桥梁跨越海湾及其岸边农田、鱼塘，经过海水区严重腐蚀环境（氯盐环境 L2、 L3级），设计采用国内最近几年才提出的高性能耐久（防腐蚀）混凝土。
1 高性能耐久混凝土的概念
      混凝土结构在自然环境和使用条件下，随着时间的推移，材料逐渐老化和结构性能劣化，出现损伤甚至损坏，是一个不可逆的过程。混凝土结构耐久性可定义为，在预定作用和预期的维护与使用条件下，结构及其部件能在预定的期限内维持其所需的最低性能要求的能力。结构在规定的使用年限内，在各种环境条件作用下，不需要额外的费用加固而保持其安全性、正常使用性和可接受的外观的能力。
2 高性能耐久混凝土的性能
      高性能耐久混凝土的性能包括强度、碳化深度、氯离子渗透性（即电通量）、抗冻性能、耐腐蚀性能、抗渗性能、抗裂性等。
      现行的普通铁路混凝土结构，主要考虑荷载作用下的承载力要求，所依赖的是材料的强度。耐久性混凝土设计要考虑结构长期使用过程中由于环境作用引起材料性能劣化对结构安全性与适用性的影响，所依赖的是结构的设计使用年限、环境类别及其作用等级。参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，结合我国铁路混凝土结构的具体情况，将环境类别分为碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境、冻融破坏环境和磨蚀环境，作用等级分别为3～4级。半山特大桥主要是氯盐环境L2－L3、化学侵蚀环境H2。传统上人们采用混凝土抗高压水渗透的能力——抗渗标号来表示混凝土的密实性能。实践证明，抗渗标号比较适合于判定低强度等级混凝土的密实性，但却难以区分现代混凝土的密实性，因为强度等级超过C30的混凝土，抗渗等级几乎均能达到P20及以上的水平，单靠抗渗标号已难以区分混凝土抵抗外界水、气及溶于水汽中的其他有害物质侵入混凝土内部能力的大小。CO₂和氧气等气体介质主要是通过扩散向混凝土内部传输的，其驱动力是浓度差而不是压力差。因此，采用以美国ASTM C1202快速电量测定方法为基础的标准试验方法——电通量，相对评价混凝土密实性或抗侵入性，从而间接评价混凝土的耐久性。当混凝土水灰比较大时，电通量值就大；反之，电通量值相对就小。
      当混凝土结构处于含氯盐的海水或空气环境中时，氯离子也会从混凝土表面逐渐扩散到钢筋表面并使钢筋脱钝。防止氯离子渗入混凝土内部最为简便和有效的途径就是提高混凝土的抗侵入性和增加钢筋的保护层厚度。
      混凝土抵抗化学侵蚀的能力取决于两个方面的因素，一方面，混凝土的胶凝材料本身应能有效抵抗环境中有害离子的化学侵蚀。另一方面，混凝土抗化学侵蚀的能力还取决于混凝土本身的密实性。混凝土愈密实，环境中的有害离子愈难渗入其内。
3 高性能耐久混凝土原材料的选用
      高性能耐久混凝土的配制技术途径是用符合要求的优质水泥、级配良好的骨料、性能稳定的掺和料和高效减水剂，降低混凝土的水胶比。高性能混凝土具有高耐久性，特别具有较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。高性能耐久混凝土的力学性能和耐久性性能远远优于传统混凝土，其主要原因是低水灰比、高效减水剂及矿渣和粉煤灰等胶凝性矿物掺和料的使用，合理的施工配合比的设计，使得混凝土结构密实度相对提高，增加了混凝土结构的耐久性。
3.1 水泥
      水泥过细，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，表现为混凝土的收缩增大、内外温差偏大、抗裂性下降，对混凝土耐久性不利。因此，应对水泥比表面积及C₃A含量加以限制。如要求水泥比表面积≤350m²/kg；C₃A≤8.0%。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。不宜采用碱含量过高的水泥，要求碱含量≤0.06%。半山特大桥选用的江苏双龙集团有限公司的P.O42.5级水泥，各项指标符合要求。
3.2 掺和料
      采用烧失量大的粉煤灰配制的混凝土工作性差（烧失量大意味着含碳量大，从而需水量大导致坍落度损失大、不易捣实），强度效应差（波特兰效应降低），耐久性差（封孔固化和致密效应降低）。因此，对粉煤灰的烧失量应予重点控制，而对于细度不必过于苛求。在混凝土中掺入矿渣能增加耐久性，矿渣越细，活性越高，但收缩也随矿渣细度的增加而增加，所以太细了也不好。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。现在选用的矿渣的比表面积在400m²/kg左右。所以，我们考虑用双掺（即矿渣和粉煤灰）的办法，利用二者的细度和活性差异可使二者起到互补作用。半山特大桥选用的粉煤灰是福州榕能粉煤灰开发有限公司F类Ⅱ级灰和漳州后石电厂F类Ⅰ级灰；选用的矿渣是福州新丰建材有限公司的S95级，各项指标符合要求。
3.3 骨料
      细骨料选用级配合理、质地均匀坚固、吸水率低、空隙率小的洁净天然中粗河砂。选用的砂是福安赛岐河砂，细度模数2.6以上，各项指标均符合耐久混凝土用细骨料要求。粗骨料选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固、线胀系数小的洁净碎石。在运输和装卸过程中，其级配可能发生变化。为了确保骨料具有良好的级配，半山特大桥采用的碎石是温福铁路霞浦盐田隧道洞渣，由5～16mm和16～31.5mm的二级配碎石配制C50以下级别的混凝土，而C50以上的混凝土用碎石是5～16mm和10～20mm的二级配碎石。使用过程中对粗骨料实行分级采购、分级存贮、分级计量，配合比试配时再确定各级配碎石的具体用量，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。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。为预防混凝土发生碱—骨料反应，选用的是非碱活性骨料。
      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。其松散堆积密度应大于1 500kg/m³，紧密空隙率宜小于40%，吸水率应小于2%。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2.0。施工中碎石的强度可用压碎指标值进行控制。
3.4 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混凝土的关键技术之一。外加剂应采用减水率高、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。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。经过对多厂家和多品种的外加剂进行筛选，选择了福州创先工程材料有限公司生产的聚羧酸系列CX-8型。该外加剂通过铁道部质量监督检测中心铁建所和福建省工程质量检测中心等权威部门的检测，从而确保外加剂的质量和使用安全性。外加剂的性能满足相关规范要求。
3.5 拌和水
      采用的是自来水。拌和水的碱含量是新增要求，主要是为了控制混凝土的可溶性总碱含量。经外委检测各项指标均满足要求。
4 高性能耐久混凝土配合比设计原则
      胶凝材料的凝结硬化过程是混凝土获得强度及耐久性的重要环节，混凝土的破坏常常是从水泥石凝胶的变形开始的。过高的胶凝材料用量，不仅可使混凝土开裂趋势增大，而且可能造成混凝土的泛浆分层，对混凝土的耐久性反而不利。胶凝材料的数量主要是满足工作性和胶结强度的需要，单方胶凝材料用量应尽可能减少。
      在水泥品质得到保障的前提下，可以使用大掺量矿物掺合料—磨细矿渣和粉煤灰。但矿物掺合料掺量增加太多也可能带来负面影响（如硬化初期对温、湿度的敏感性），应充分考虑掺合料品质、水胶比影响、外加剂的掺入效应、养护技术等要求。耐久混凝土的保证措施之一是严格控制混凝土的总碱含量和总氯离子含量，措施之二是掺加矿物掺合料。配合比设计是确保混凝土耐久性最关键的环节之一，提出混凝土最大水胶比、最小胶凝材料用量限值，就是有效而可行的措施。在以往按强度设计混凝土配合比的设计方法中，首先按强度等级计算水灰比；按耐久性要求设计混凝土配合比时，首先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。在条件许可的情况下，尽量选用较低的水胶比，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。
5 高性能耐久混凝土配合比设计成果
      按耐久性要求设计的混凝土应满足工作性、强度和长期耐久性的要求，其中混凝土耐久性能的试验周期比较长，一般为2～3个月，混凝土配合比的耐久性试验也不可能一次成功，所以混凝土的配合比试验应充分考虑这种情况，要预留足够的时间。
      配合比设计全过程如下：掌握耐久混凝土配合比理论——配合比计算书——选择原材料——试配观测拌和物性能——配比调整——反复试配——拌和物性能测试——混凝土力学性能测
试——整理报告资料（满足要求时）——提交报告——监理审批——铁道部质量监督检测中心（桥基站）验证（有要求时）。全桥耐久混凝土配合比设计成果见表1。
6 高性能耐久混凝土的检测
      首先是新拌混凝土的性能检测，包括和易性、坍落度、泌水率、含气量等；混凝土凝结硬化后的抗裂性、强度、弹性模量、电通量等。其中预制梁的配合比和材料送铁道部质量监督检
测中心（桥基站）验证，六项耐久性指标全部符合要求。配合比检测情况见表2。

注：均按泵送混凝土施工考虑。
      半山特大桥混凝土质量均达到高性能耐久混凝土标准，实体浇注试件强度和56d电通量值全部满足设计要求。
7 高性能耐久混凝土施工
7.1 混凝土拌制、生产
      半山特大桥砼由水泥、掺合料、粗集料、水和外加剂组成。将各种组分材料按确定的施工配合比进行配料和拌制生产，一般情况下，配料和拌制是混凝土生产的连续过程。采用现场集中拌制，通过砼搅拌车运输，将砼供应到各使用地点，由砼泵泵送入模。半山特大桥投入1台HZS75m³/h水泥混凝土搅拌站，性能优良、可靠，计量系统定期校定。每盘搅拌时间90～120s。
7.2 混凝土运输
      运输混凝土所应采用的方法和选用的设备，取决于构筑物的结构形式，混凝土总体积，每天或者每小时浇筑的混凝土量，水平和垂直运输距离和道路条件等因素而定。使用混凝土搅拌车运输混凝土应注意以下事项：
7.2.1 混凝土必须能在最短的时间内均匀无离析地排出。出料干净、方便，能满足施工的要求。当与混凝土地泵联合输送时，其排料速度应能相匹配。
7.2.2 从搅拌车运卸的混凝土中分别取1/4和3/4处试样进行坍落度试验，两个试样的坍落度值之差不得超过3cm。
7.2.3 混凝土搅拌车在运送混凝土时通常的搅动转速为2～r/min；整个输送过程中拌筒的总转数应控制在300r以内。
7.2.4 混凝土搅拌输送车因路途之中失水，到工地需要加水调整混凝土的坍落度时，搅拌筒应以6～8 r/min搅拌速度搅拌。
7.3 混凝土浇筑
      混凝土出料时应观察混凝土和易性、均匀程度，检测坍落度、含气量、泌水性，泵送浇注过程中也要加强检查。
      钻孔桩封孔中应注意首次灌注量、导管埋置深度，检查泵管漏水、漏浆情况，加强孔内混凝土面标高测量，不断核对入孔数量、理论数量、孔深三者之间的关系。
      承台最大面积约为140m²,考虑竖向分层，横向分块。混凝土、钢筋、模板各工序相互配合，流水进行、分层厚度按30cm控制。浇筑工作应尽可能连续，不间断的进行。
      墩身平面积最大约为30m²,采用竖向分层，逐层灌注工艺。灌注时在墩顶布置两套串筒，间隔交互由串筒下料，分层灌注，逐层振捣，保证上、下层混凝土能结合良好。
      梁体结构复杂，要制定专门工艺。总体按照两端向中间同时灌注，先底板、再腹板、后顶板的顺序灌注。
      浇筑混凝土时，应经常观察模板、支架、钢筋、预埋件和预留孔洞的情况，当发现有变形、移动时，应立即暂停浇筑，迅速恢复、固定。
7.4 混凝土振捣
      通过振捣使混凝土密实，使混凝土混合料液化。采用插入式振捣棒振捣为主。一般有两种方法，一种是垂直振捣，一种是斜向振捣，斜度约为40～45°。振捣器的操作要做到“快插快拔”。移动间距不宜大于振捣器作用半径的1.5倍，且插入下层混凝土内的深度宜为50～100mm，与侧模应保持50～100mm的距离。 每一振点的振捣延续时间宜为20～30s，高频振捣器约为10s，以混凝土不再沉落，不出现气泡，表面呈现浮浆为度，防止过振，漏振。
7.5 混凝土养护
      半山地区气候温和，可以采用自然养护。
      承台灌注完成散水养护，终凝后用麻袋或土工布覆盖，浇水养护，3～4d拆模,保湿养护14d。墩身养护，拆模前顶口蓄水养护，四周喷水养护，2～3h一次，5d后拆模。拆模后用塑料薄膜包裹并定期浇水，包裹保湿养护20d。
      箱梁顶板终凝后用麻袋或土工布覆盖，浇水养护，注意箱内的养护。底板和腹板必要时喷涂养护剂。
8 需要研究和探讨的问题
8.1 加强相关实用经验的收集整理工作
      高性能耐久混凝土推广使用时间仅10多年，成熟的经验不多，相应规范、指南刚刚出版，需要尽快加强相关实用经验的收集整理工作。规范、指南的宣传、贯彻和学习尚不能满足高性能耐久混凝土施工的要求。
8.2 加强原材料层面的研究与开发
      高性能耐久混凝土的概念提出来了，但原材料仍和以前普通混凝土使用的原材料区别不大，需要加强原材料层面的研究与开发。
8.3 加强高性能耐久混凝土的实验研究
      高性能耐久混凝土成型后，外观光洁度和普通混凝土相比要差很多，色差也比较大，需经过更多的实验研究。
［参考文献］
［1］ 刘秉京.混凝土技术［M］.北京：人民交通出版社，1998.
［2］ 铁建设［2005］157号，铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定［S］.
［3］ 铁建设［2005］160号，铁路混凝土工程施工质量验收补充标准［S］.
［4］ JGJ55—2000《普通混凝土配合比设计规程》［Z］.
［5］ 客运专线高性能混凝土暂行技术条件［Z］.

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