高性能混凝土在滨海地区新建桥梁中的应用
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引言
20世纪50年代，天津塘沽至汉沽一线的混凝土电线杆，在一次大风中全部折断（从地面以上约0.5m处），无一幸存，调查表明，罪魁祸首是盐腐蚀。天津滨海地区是我国目前开发开放的热点，而本地区又是典型的盐渍土环境，加之地处北方，在盐类的物理和化学侵蚀下兼有冻融循环，混凝土结构工作环境极其恶劣，劣化速度极快，曾有三年桥墩烂根现象发生。由此，对此类环境下的混凝土耐久性专题研究有着非常现实的意义，本文中，结合具体工程，提出混凝土高性能化的技术措施。
1 项目概况
天津某公路一期工程全长6.15公里，双向6车道，全部为高架桥梁。根据所处环境对结构的腐蚀作用，按不同分区由中等程度至严重程度，桥梁结构设计基准期为100年，对混凝土性能要求高。
2 结构混凝土耐久性要求
根据《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》、《混凝土结构耐久性设计及施工指南》、《桥梁结构高耐久性混凝土设计及施工规程》、《公路工程钢筋混凝土结构防腐蚀技术规范》、《天津市钢筋混凝土桥梁耐久性设计规程》等相关规范，结合国内外关于混凝土预防性保护的最新研究进展，并针对桥梁不同部位的工作环境进行耐久性设计。本工程中桥梁不同部位的环境侵蚀作用等级及相应的抗冻要求见表1和表2。
表1 混凝土抗氯离子侵蚀等级划分[2]
D级 | E级 | F级 | |
Cl—渗透系数（RCM法）/(m2/s) | <7.0×10-12 | <4.0×10-12 | <4.0×10-12 |
表2 桥梁各部位环境作用等级划分与混凝土抗冻要求
部位 | 环境作用等级 | 典型侵蚀类型 | 抗冻耐久性指数DF(％) |
桩、墩柱 | D级 | 盐结晶、地表水的化学腐蚀 | 60/80 |
承台 | E级 | 氯离子、硫酸盐、冻融 | 70 |
盖梁 | D级 | 盐结晶、氯离子（伸缩缝下） | 60 |
箱梁 | D级 | 氯离子、碳化 | 60 |
桥面铺装 | E级 | 氯盐，盐冻，结晶侵蚀， | 80 |
防撞墙 | E级 | 氯盐、盐冻、结晶侵蚀 | 80 |
3 原材料
1）水泥：太行山PO42.5普通硅酸盐水泥，其物理性能如表3。
表3 水泥物理性能
细度（80um方孔筛筛余量）% | 标准稠度用水量/% | 凝结时间 | 抗压强度/MPa | 抗折强度/MPa | 安定性 (沸煮法) | |||
初凝 | 终凝 | 3d | 27d | 3d | 27d | |||
1.2 | 29.0 | 1:50 | 3:05 | 35.6 | 51.4 | 7.1 | 9.5 | 合格 |
2）矿粉：山东建安建筑S95矿粉，密度2.92g/cm3，比表面积432m2/kg。
3）减水剂：天津冶建生产的JG-3减水剂，其性能指标如表4。
表4 外加剂的技术指标
减水率 /% | 泌水率比 /% | 含气量 /% | 抗压强度比/% | 收缩率比/% | 对钢筋腐蚀作用 | ||
3d | 7d | 28d | |||||
24 | 50 | 1 | 125 | 147 | 129 | 107 | 无 |
4）砂：福建江砂，中砂，技术指标如表5。
表5 砂的技术指标
细度模数 | 含泥量/% | 泥块含量/% | 表观密度/(kg/m3) |
2.7 | 0.7 | 0 | 2670 |
5）石：天津蓟县碎石，技术指标入表6。
表6 石的技术指标
颗粒粒级/mm | 含泥量/% | 泥块含量/% | 压碎值/% |
5~25 | 1.0 | 0.2 | 16.9 |
4.高性能混凝土配合比设计
根据不同的强度等级、施工工作性和耐久性系数等要求，参照《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》等五个相关规范，使用掺合料等量取代法设计了不同矿粉掺量、不同水胶比的高性能混凝土的配合比。通过综合比较造价和硬化混凝土性能两个因素，得到了适用于工程不同耐久性和强度要求的C30D级环境、C35D级环境、C30E级环境和C50D级环境配合比，如表7。
表7 筛选后的配合比
使用部位 | 设计强度等级 | 水泥kg/m3 | 细骨料（kg/m3） | 粗骨料（kg/m3） | 水（kg/m3） | 外加剂（kg/m3） | 掺合料（kg/m3） | W/C | |
减水剂 | 防腐剂 | ||||||||
配比一 （灌注桩） | C30 D级环境 | 200 | 699 | 1141 | 160 | 10 | 36 | 164 | 0.44 |
配比二 （管道基础、墩柱、盖梁） | C35 D级环境 | 232 | 655 | 1164 | 160 | 8.42 | —— | 189 | 0.38 |
配比三 （承台、防撞护栏） | C30 E级环境 | 236 | 644 | 1146 | 155 | 12.77 | 27 | 193 | 0.36 |
配比四 （箱梁、盖梁） | C50 D级环境 | 336 | 672 | 1144 | 154 | 12 | —— | 144 | 0.32 |
5.高性能混凝土的性能
1） 塌落度
试配混凝土出料时即刻对其进行塌落度试验，并与设计要求塌落度进行对比，如表8。分析结果表明工作性完全符合要求。
表8 塌落度对比数据
配比一 | 配比二 | 配比三 | 配比四 | |
要求塌落度/mm | 180-220 | 120-160 | 120-160 | 120-160 |
实际塌落度/mm | 220 | 160 | 160 | 160 |
2）抗压强度
对实验室试配成型混凝土3d、7d、28d抗压强度分析，表9是不同龄期不同配比的抗压强度测定值。
表9 抗压强度测定值
配比一 | 配比二 | 配比三 | 配比四 | |||||||||
3d | 7d | 28d | 3d | 7d | 28d | 3d | 7d | 28d | 3d | 7d | 28d | |
抗压强度（MPa） | 15.3 | 27.3 | 42.3 | 19.2 | 37.1 | 43.4 | 18.0 | 36.0 | 46.8 | 25.0 | 48.0 | 59.5 |
图1 抗压设计强度比
图2 28天的抗氯离子渗透系数
由图一可以看出，混凝土7天强度都超过设计强度的90％，能很好的适应工程进度的需要。同时混凝土28天抗压强度都合格，保证了工程的质量，所以在一定范围内高掺矿粉不影响混凝土初期强度。
3）氯离子渗透系数
试验中使用RCM法测定试配混凝土28天的抗氯离子渗透系数，图为四组配合比的DRCM大小。
通过对比可以很明显看出，三组D级防腐的混凝土通过掺加矿粉后，其抗氯离子渗透系数已经达到了E级。而E级防腐配比三的系数仅为2.11，相对很低。
4）抗冻融性
使用快速冻融机测定各配比的抗冻融性能，并用抗冻融耐久性指数表征其耐久性。
图3 四组配比的耐久性指数
由图三可以得出各高性能混凝土的配比都表现出良好的抗冻融性能，符合工程耐久性设计规范，混凝土的抗冻融性提高跟防腐剂的引气作用有很大关系。
6.现场耐久性指数跟踪
选定最终的配合比之后，配合比被运用于工程中。并对现场混凝土性能进行跟踪，主要针对RCM氯离子扩散系数跟踪，然后与试验室试配混凝土性能对比分析，如表10和图四所示。
表10现场与室内RCM对比
配合比一 | 配合比二 | 配合比三 | 配合比四 | |||||
试配 | 现场 | 试配 | 现场 | 试配 | 现场 | 试配 | 现场 | |
DRCM大小 | 3.39 | 5.14 | 2.88 | 5.36 | 2.11 | 3.42 | 3.06 | 5.46 |
图4 试配与现场抗渗透系数对比分析
通过质量跟踪，发现实验室试配性能与现场配合比性能有较大区别，抗氯离子渗透波动比较大。究其原因，主要在于以下两方面：
现场采用泵送，，当混凝土工作性不理想时，加泵送剂或者直接加水，增大混凝土的水灰比，从而增大了混凝土的渗透系数，降低混凝土的抗氯离子渗透性。
现场混凝土浇注方量巨大，振捣效果不如室内，使得现场混凝土的密实性不如室内，从而降低了混凝土的密实性，导致混凝土的抗氯离子渗透性降低。
同时发现掺矿粉的混凝土拆模之后表面光滑，美观性好。这可能是由于矿粉的密度比水泥小，虽然是等质量掺加，但是体积增大，导致浆体总体积增大，从而提高混凝土表面密实性。
7.结论
1.通过掺加大掺量的矿粉，同时结合高性能减水剂，可以得到综合性能优良的高性能混凝土。其抗氯离子渗透性能、抗冻融性等都有很大提高。
2.由于矿粉具有自水化性能，所以大量掺加矿粉并不影响混凝土早期和后期强度的发展。
3.掺加矿粉的混凝土总浆体量增多，从而提高混凝土的抗裂性，使表观光滑明亮，美观性好。
4.室内试验和现场的抗氯离子渗透系数差别挺大，所以建议在以后的工程中，应该适当提高室内混凝土的抗氯离子渗透系数来应对现场原材料的波动、施工不规范等影响因素。