海工耐久混凝土配合比試驗研究與 70米預應力混凝土箱梁裂縫控制

1、海工耐久混凝土配合比試驗研究與 70米預應力混凝土箱梁裂縫控制 趙劍發(fā)中鐵大橋局股份有限公司 摘 要 通過對C50海工耐久混凝土各種性能的試驗研究，以及杭州灣跨海大橋70米預制箱梁的工程實踐，闡述如何通過優(yōu)化配合比和低強初張拉等其它工藝措施，對預應力混凝土箱梁裂縫進行控制。關鍵詞 海工耐久混凝土 配合比研究 裂縫控制 1 前言隨著現(xiàn)代橋梁不斷向海洋化、大跨度、高耐久、整體預制安裝方向發(fā)展，橋梁工程中的混凝土對下列各項性能指標提出了更高的要求：耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟性，特別

2、是不易開裂性。鑒于目前我國海工鋼筋混凝土建筑物的使用壽命普遍偏短的狀況，我們開展了海工高耐久混凝土的試驗研究，以期提出橋梁工程用海工耐久混凝土配合比及其應用技術，有效地控制混凝土梁體早期裂縫產(chǎn)生，延長海工混凝土建筑物的使用壽命?；炷亮后w早期開裂與高性能混凝土的性能密切相關，杭州灣跨海大橋和東海大橋箱梁使用的是C50高性能海工耐久混凝土，其設計使用年限為100年，由于其獨特的海洋環(huán)境和設計使用壽命的提高，要求混凝土的密實度、抗氯離子滲透性能等都有一些更高的指標，它摻入了除水泥以外其它一些如礦粉、粉煤灰、甚至硅灰等膠凝材料；使用了性能更優(yōu)的外加劑，以及低水膠比。也正是由于這些要求使混凝土箱梁在施

3、工過程中更容易產(chǎn)生裂縫。在以往施工的許多類似橋梁中，都不同程度的存在箱梁頂板收縮裂縫、翼緣板橫向裂縫（嚴重的翼緣板裂縫會貫穿）、箱梁腹板內(nèi)外側(cè)豎向裂縫的現(xiàn)象。這些裂縫的產(chǎn)生無疑是對海工混凝土的耐久性及橋梁使用壽命的一個極大的挑戰(zhàn)。為此，我們在許多方面做了一些研究和探討以及有益的嘗試，取得了良好的效果。 2 海工混凝土的特點相對于普通混凝土，海工混凝土主要有以下特點：高耐久性。高工作性。主要包括高填充性、高抗離析、坍落度經(jīng)時損失小。高體積穩(wěn)定性，高減水率。高強度。對于梁體混凝土，還應具有高彈性模量。高摻量、多組份外摻料。低水膠比。低水化熱。低的升溫和降溫速率。 3&

4、#160;混凝土組份對抗裂性能的影響。 3.1 膠凝材料海工耐久混凝土一般要求使用P級粉煤灰或級粉煤灰和S95礦渣粉、S105礦渣粉。 3.1.1 水泥品種 水泥用量對混凝土的性能指標影響最為敏感，水泥用量大，外摻料相對減少，混凝土容重增大。由于外摻料的活性較水泥低，混凝土的早期強度及彈模迅速增長。不同品種的水泥對抗裂性能的影響首先是溫度發(fā)展的影響，不同的溫度發(fā)展對抗裂性能的影響不同。其次，不同水泥有不同的變形特性，這也會影響抗裂性能。 3.1.2 粉煤灰：眾所周知，粉煤灰由于發(fā)生火山灰反應而提高混凝土的抗裂性能，國內(nèi)許多工

5、程也采用大摻量粉煤灰來降低溫升，粉煤灰具有減少混凝土早期抗開裂的優(yōu)良特性。摻加粉煤灰能夠減少用水量，降低水膠比，由于粉煤灰可延長水化反應的時間，降低水化熱，推遲了溫度峰值的產(chǎn)生，減少了溫度裂縫的產(chǎn)生因素?；炷恋臏囟确逯惦S著粉煤灰摻量的增加而降低。 3.1.3 磨細礦渣：磨細礦渣有降低CL-擴散系數(shù)的能力，同時對開裂也具敏感性。國外有資料表明礦渣摻量達到70%80%時可有效降低混凝土的絕熱溫升。 3.1.4 硅灰：對于硅灰，其顆粒非常小，比表面積為18000m2/kg，非常大，28天活性指數(shù)為96%。它與水泥水化時吸收大量的水分，從而造成構件明顯的塑性收

6、縮、自身收縮和干燥收縮。 3.1.5 復合礦粉（含硅灰）：復合礦粉（含硅灰）具有快速降低CL-擴散系數(shù)的能力，28天強度提前。水泥、礦渣與粉煤灰協(xié)同摻入試件開裂時間最長，粉煤灰摻量增大更加明顯。 3.2 粗細骨料采用低熱膨脹系數(shù)的集料可以減少混凝土的溫度變形，減少混凝土收縮時的約束應力，從而獲得較低的開裂敏感性。粗骨料一般采用粒徑為525mm碎石，最好是類碎石，且無堿活性。采用細度模數(shù)為2.6的中粗砂，其顆粒級配要好，且有Cl、SO3含量控制要求，要求為類砂以上，并且無堿活性。 3.3 外加劑及拌合水 主要成分是聚羧酸反應型

7、高分子聚合物，具有非引氣、超塑化、高效減水和增強、低收縮等功能，產(chǎn)品性能符合國標GB80761997(高效減水劑)一等品指標。采用潔凈的自來水。 4 混凝土配合比設計及其性能 4.1 混凝土配合比優(yōu)化過程混凝土材料的性能和配合比設計固然是提高混凝土工作性能和抗裂性能的根本，也是混凝土配合比優(yōu)化設計的關鍵所在。 4.1.1 確定混凝土膠凝材料的組成：單摻粉煤灰或礦渣（或硅灰），還是雙摻粉煤灰或礦渣，除了要滿足混凝土強度、抗?jié)B性能、工作性外，另一個重要指標是混凝土配合比所決定的抗裂性能，即混凝土的水化熱。在同一種水泥條件下，混凝土的水化熱

8、取決于摻合料的材料特性和其水化機理。摻加礦渣后，混凝土的強度及抗?jié)B透性能將優(yōu)于摻加粉煤灰的混凝土。當兩者摻量相同時，單摻礦渣比單摻粉煤灰在混凝土早期硬化過程（28天以內(nèi)）產(chǎn)生的水化熱要大，即混凝土內(nèi)部的絕熱溫升要高。 4.1.2 確定混凝土膠凝材料的比例：單摻粉煤灰和單摻礦渣各有優(yōu)劣，但都不易滿足混凝土技術和施工需要。通過大量的試驗和實踐，最終形成了雙摻粉煤灰和礦渣的耐久混凝土設計思路。采用最低的膠凝材料用量，通過調(diào)整混凝土摻合料的比例，最大限度地降低混凝土水化熱，并滿足混凝土抗裂性、工作性要求。如水泥摻量小于30%，在初凝前給混凝土的保水性帶來考驗，稍有不慎極易出現(xiàn)泌水；

9、如水泥摻量超過50%，在早期將帶來過高的水化熱；如礦渣摻量超過膠凝總量的50%以上，壓力泌水的可能性就很難避免。 4.2 選擇優(yōu)質(zhì)的摻合料：礦渣、粉煤灰摻合料的質(zhì)量也將直接影響混凝土的性能。 4.2.1 燒失量：燒失量的大小在一定程度上反映了燃燒完全的程度和含碳量指標，含碳量高的粉煤灰燒失量大，需水量亦大，對混凝土的工作性、強度、耐久性和外加劑摻量等都有不利影響。 4.2.2 需水量比：礦渣、粉煤灰摻合料需水量比越小，混凝土干縮越小，在相同水膠比條件下，能保持混凝土較好的工作性。 4.2.3 細度：細度并非越小越好

10、，同一種摻合料的細度越小，比表面積越大，需水量比越大，活性指數(shù)越大，早期水化反應速度越快，放熱亦快。礦渣的比表面積宜控制在360500m2/kg，、級粉煤灰的比表面積分別為600m2/kg和400m2/kg。礦渣比表面積的大范圍波動將給混凝土早期水化熱和混凝土的保水性帶來影響。如表1：表1 膠凝材料燒失量、需水量比、比表面積表膠凝材料 密度（g/cm3） 燒失量（%） 需水量比（%） 比表面積（m2/kg）水泥 3.1 2.24 28.6 395 礦渣 2.9 1.2

11、0;97 500 粉煤灰 2.1 2.1 92 560 4.2.4 值得探討的問題：在水膠比一定的條件下，如何按照水泥、礦渣、粉煤灰膠凝材料的水化速度、需水量比等指標，來合理確定各膠凝材料的摻配比例和膠凝材料總量，降低混凝土內(nèi)部水化熱和最高絕熱溫升，并延緩混凝土內(nèi)部最高溫升出現(xiàn)的時間。 4.3 設計技術方案根據(jù)混凝土耐久性指標要求和施工的特點，混凝土配合比設計采用以下技術方案： a、低水膠比（0.33），大坍落度(1620) ； b、采用粉煤灰和礦渣粉或粉煤灰和硅灰

12、復摻方案。 5 混凝土的各種性能根據(jù)原材料分析和以往的實際經(jīng)驗，我們按耐久性理念和確定的技術方案設計了127種混凝土配合比，經(jīng)試配，得到10個最優(yōu)配合比。其中Hp1為不摻粉煤灰和礦渣粉的普通混凝土，其它為摻1015粉煤灰和2545礦渣粉的海工耐久混凝土和摻12.915粉煤灰和5%硅灰的海工耐久混凝土。 5.1 混凝土拌合物性能 從試驗可以看出，摻粉煤灰和礦渣粉或粉煤灰和硅灰的海工耐久混凝土坍落度保持更好，用粉煤灰和礦渣粉或粉煤灰和硅灰取代部分水泥和細骨料拌制的海工耐久混凝土初期壓力泌水較小，摻粉煤灰和礦渣粉比摻粉煤灰和硅灰的抗裂性好。 

13、;5.2 混凝土力學性能 混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度及靜力受壓彈性模量等試驗結果見圖1。從中可看出，摻粉煤灰和磨細礦渣粉的海工耐久混凝土的早期抗壓強度（3天）較普通混凝土低，但所有混凝土的后期力學性能均達到C50C70的設計要求。摻粉煤灰和大摻量礦渣粉或小摻量硅灰的海工耐久混凝土的后期力學性能與普通混凝土基本相同。 5.3 混凝土早期抗裂性能 5.3.1 混凝土開裂性能評價體系：我們通過溫度應力試驗，掌握了一些關鍵性的參數(shù)，如表2： 表2 溫度應力試驗抗裂評價指標評價指標 

14、;第二零應力溫度 應力儲備 開裂溫度數(shù)值 <40 >35% <14 開裂溫度是評價混凝土抗裂性能的綜合指標 。根據(jù)不同配比及實際工程驗證 ，開裂溫度應小于14。 5.3.2 平板試驗為了評價混凝土拌合物在初期凝結硬化過程中收縮開裂的性能，我們采用平板試件進行混凝土抗裂性測試。記錄試件開裂時間、裂縫數(shù)量、裂縫長度和寬度。試件早期抗裂性等級評價準則如下： 1） 僅有非常細的裂紋； 2） 平均開裂面積a10mm2； 3） 單

15、位面積開裂裂縫數(shù)目b10根m2； 4） 單位面積總開裂面積C100mm2/m2。按照上述四個準則，將抗裂性劃分為五個等級：級：全部滿足上述四個條件我們對10組配合比的混凝土試件進行了抗裂性的對比試驗，從中可看出，有些配合比拌制的混凝土早期抗裂性能好，它們在相應的環(huán)境條件下從澆注起直至24小時未開裂；早期抗裂評定等級為級。 5.4 混凝土長期性能和耐久性能為滿足杭州灣大橋海工耐久混凝土的性能要求，我們進行了180天收縮徐變試驗和Cl-擴散系數(shù)試驗。 5.4.1 收縮徐變試驗為了掌握海工耐久混凝土的收縮徐變特性及給設計部門提供早期張拉預應

16、力損失計算和橋梁線型計算的資料依據(jù)，我們進行了收縮、徐變試驗。圖2為四種混凝土徐變的對比情況。從試驗可以看出，摻粉煤灰和磨細高爐礦渣粉的海工耐久混凝土與不摻粉煤灰和磨細高爐礦渣粉的普通混凝土相比，前者的120天徐變值小6265。遺憾的是，180天以后的數(shù)據(jù)目前沒有，這種高性能混凝土的最終徐變與普通混凝土相比到底有多大差別，還沒有充分的數(shù)據(jù)說明，值得進一步研究。 5.4.2 抗Cl-滲透性能試驗對于海工混凝土來說，外界氯離子滲入速度越慢，滲入量越少，混凝土中鋼筋的腐蝕速度越慢，其結構就越耐久。因此，混凝土抗氯離子的滲透性能是衡量海工混凝土耐久性的重要指標之一。本項目利用最新的

17、RCM法（DuraCrete非穩(wěn)態(tài)電遷移試驗方法）檢測混凝土Cl-擴散系數(shù)，試驗結果見圖3。從中看出，不摻粉煤灰和礦渣粉的普通混凝土（Hp1）Cl-擴散系數(shù)較大，84天齡期的Cl-擴散系數(shù)為1.88×1012m2/s；而摻了粉煤灰和礦渣粉或硅灰的海工耐久混凝土Cl-擴散系數(shù)很小，28天齡期的Cl-擴散系數(shù)為（0.851.30）×1012m2/s，84天齡期的Cl-擴散系數(shù)為（0.310.43）×1012m2/s，僅為前者的1/6。表明摻粉煤灰和礦渣粉的海工耐久混凝土具備優(yōu)越的抗氯離子侵蝕能力，與普通混凝土相比，最少可以延長使用壽命34倍以上。工程應用情況:利用該配

18、合比在杭州灣跨海大橋70米箱梁的使用過程中沒有出現(xiàn)其它類似工程中常見的裂縫，取得了非常好的裂縫控制效果。 6 裂縫成因分析 6.1 裂縫產(chǎn)生機理（本文所討論的裂縫均為非結構裂縫）： 6.1.1 施工過程導致裂縫的原因：由于周圍環(huán)境的相互作用，以及水與膠凝材料本身的反應會使混凝土自身產(chǎn)生體積變化，如果體積變化受到內(nèi)部或外部的約束，拉應力就會在混凝土中出現(xiàn)，此時的拉應力如大于混凝土當時的抗拉能力，即產(chǎn)生裂縫。它一般有如下幾種現(xiàn)象：塑性沉降；塑性收縮；外部干燥；自身收縮；熱應力裂縫。 6.2 裂縫產(chǎn)生的形態(tài)與時間：首先要

19、分析裂縫是何時出現(xiàn)的。一般幾小時內(nèi)產(chǎn)生的裂縫叫塑性收縮或叫類裂縫，此時混凝土還沒有初凝；在幾天內(nèi)產(chǎn)生的裂縫，一般是由于溫度引起的體積變化，叫熱應力裂縫或叫類裂縫；如果是在幾周內(nèi)產(chǎn)生的裂縫，則是收縮引起的體積變化，或外部干燥引起的，叫干縮裂縫，或叫類裂縫。 6.3 以前箱梁施工常見裂縫對照分析： 6.3.1 箱梁頂板裂縫：此種裂縫一般產(chǎn)生在混凝土澆注完畢12h24h內(nèi)（具體與混凝土的配合比有關），或產(chǎn)生在頂板混凝土初凝前后，這是一種典型的塑性收縮，是由于新鮮混凝土暴露于空氣中，蒸發(fā)和風速引起的。 6.3.2 箱梁翼緣板橫向裂縫：主要指翼

20、緣板下側(cè)，一般在幾天內(nèi)或模板拆除一天內(nèi)即會出現(xiàn)。這是在硬化階段形成的溫度應力裂縫，但它的產(chǎn)生與翼緣板縱向鋼筋的布置數(shù)量多少、間距、鋼筋直徑大小等有關系。此類裂縫嚴重時會貫穿翼緣板，有時從頂板向下滲水，非常明顯。 6.3.3 箱梁腹板內(nèi)外側(cè)豎向裂縫：此類裂縫大約出現(xiàn)在3到4天左右，此類裂縫也是由于箱內(nèi)混凝土溫度達最高點后，然后開始下降時，由于體內(nèi)外的溫差變化，混凝土體積變小，但由于受模板特別是不規(guī)則的內(nèi)模如變截面、鋸齒塊等各方面的約束，不能自由收縮引起的。此時混凝土的強度、彈模均較低，特別是混凝土的抗拉強度完全不足以抵抗此時由于體內(nèi)溫度收縮引起的混凝土的拉應力，致使箱梁腹板內(nèi)

21、、外側(cè)產(chǎn)生裂縫。 7 裂縫控制措施： 7.1 優(yōu)化混凝土配合比： 7.1.1在配合比設計階段：首先要控制原材料的配合比，盡量避免早強、超強。配合比設計應遵循：試配階段應進行抗裂性能的對比試驗，還要進行混凝土彈模，不同齡期自由收縮和徐變試驗。為提高混凝土的結構耐久性，改善混凝土配合比應遵循的一般原則如下： 選用質(zhì)量穩(wěn)定，并有利于改善混凝土抗裂性能的水泥和集料等原材料，在混凝土中摻入礦物摻和料，并摻量合適。 控制混凝土的絕對溫度，即控制膠凝材料的總用量或膠凝材料總的熱量，并設法推遲產(chǎn)生溫度峰值產(chǎn)生的時間。 適當降低混凝

22、土的水膠比，在混凝土中添加引氣劑。 7.1.2 拌制混凝土時，應嚴格執(zhí)行配合比。摻和料的任何微小的變化均有可能導致混凝土性能的變化，如早期強度、彈模、塌落度、其它工作性能、裂縫等各種不利情況發(fā)生。并應確?；炷恋陌柚茣r間。對原材料的入機溫度、混凝土初始入模溫度等各方面均要嚴格控制。 7.1.3 施工時保證新拌混凝土能及時并有連續(xù)較長的養(yǎng)護時間。 7.1.4 嚴格控制一些關鍵溫度： 控制混凝土的入模溫度，不宜超過28，不應大于30； 混凝土的表面接觸物與混凝土的表面溫差不大于15； 大體積混凝土入模后30分

23、鐘的最大溫升應小于30； 混凝土的初始溫度及出機溫度應控制在528之間。 7.2 溫度監(jiān)測：針對70m預應力混凝土箱梁C50海工耐久混凝土的特點，由于其830立方混凝土要在約810h內(nèi)一次連續(xù)澆注完畢，為控制箱梁體內(nèi)外溫差引起的溫度應力引起構件開裂的難題。分別針對常溫和夏季高溫在普通養(yǎng)護條件下水化熱的溫度場進行了監(jiān)控測試。 下面為氣溫分別為20和35時最不利截面端部加厚處的混凝土水化熱溫度時程曲線圖。其它標準截面明顯偏小，最高溫度一般低10左右。從曲線圖中可以看出，水化熱溫度大體成“溫升高溫持續(xù)溫降平衡”規(guī)律進行，且截面尺寸影響較大，較厚的梁端截面明顯高

24、于較薄的標準截面。水化熱溫度上升過程時間約為3036h，高溫持續(xù)時間 也均為3036h，然后開始下降，最高溫差20，均發(fā)生在端部加厚處腹板與頂板交接處。常溫時箱梁腹板厚度方面的溫度梯度不大，在15以內(nèi)，故不會產(chǎn)生裂縫。高溫環(huán)境能夠促進水化熱的發(fā)展過程，與常溫相比，水化熱發(fā)生時間提前約10h，最高溫度高出約25，水化熱過程中溫度變化幅度大大提高，溫差超出15，可見環(huán)境溫度對溫度變化幅度影響很大。因此，夏季應采取措施，諸如加冰水、骨料隔熱等控制混凝土入模溫度（還有其它一些工藝措施）。如果把混凝土的澆筑溫度降低10，可以降低開裂時的應變10%15%；同時控制拆模時間，拆模時構件內(nèi)部和表面溫

25、差宜小于15。且夏季時養(yǎng)護的要求更高，采取適當措施控制混凝土溫度升高和溫度變化速度，使之產(chǎn)生的拉應力小于混凝土的抗拉強度，就可避免出現(xiàn)裂縫。 7.3 低強初張拉的工藝措施。為防止箱梁混凝土早期出現(xiàn)裂縫。我們在杭州灣跨海大橋70m箱梁預制時作了一些有益的嘗試，即對箱梁進行二次張拉，即低強初張拉和終張拉。在此，我們把它作為控制混凝土早期裂縫的一種工藝措施，它的原理就是在混凝土早期溫度增長過程中，水化熱變化大，混凝土抗拉強度非常低，極易產(chǎn)生裂縫，此時我們采取初張拉，給其施加一定的壓應力，以補償由于早期混凝土彈模及強度，特別是抗拉強度的不足，這樣可以有效地控制混凝土早期裂縫的出現(xiàn)。根據(jù)我們對箱梁的測溫試驗記錄和溫度監(jiān)測，我們控制初張拉時混凝土的強度不小于C25，彈模不小于18.8GPa，張拉控制力按箱梁腹板設計索力的30%控制。此值應