東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略及高性能混凝土在工程中的應(yīng)用
由于東海大橋是連接港區(qū)和大陸的集裝箱物流輸送動脈,對上海深水港的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到不可或缺的支撐保障作用,因此在國內(nèi)首次采用100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期,可謂世紀(jì)工程。為保證東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,工程采取了以高性能混凝土技術(shù)為核心的綜合耐久性技術(shù)方案。然而我國目前大型海洋工程超長壽命服役的相關(guān)技術(shù)規(guī)范,高性能混凝土的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工技術(shù)在工程中的應(yīng)用方面尚為空白,因此結(jié)合東海大橋工程的具體需要,研究跨海大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性策略和高性能混凝土的應(yīng)用技術(shù)極為迫切和重要。
1、東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)布置
2、東海大橋附近海域氣象環(huán)境
3、東海大橋面臨的耐久性問題
東海大橋位于典型的亞熱帶地區(qū),嚴(yán)重的凍融破環(huán)和浮冰的沖擊磨損可不予考慮;鎂鹽、硫酸鹽等鹽類侵蝕和堿骨料反應(yīng)破壞則可以通過控制混凝土組分來避免;這樣鋼筋銹蝕破環(huán)就成為最主要的腐蝕荷載【1】。
混凝土中鋼筋銹蝕可由兩種因素誘發(fā),一是海水中Cl-侵蝕,二是大氣中的CO2使混凝土中性化。國內(nèi)外大量工程調(diào)查和科學(xué)研究結(jié)果表明,海洋環(huán)境下導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕破壞的主要因素是Cl-進(jìn)入混凝土中,并在鋼筋表面集聚,促使鋼筋產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。在東海大橋周邊沿海碼頭調(diào)查中亦證實(shí)【1】,海洋環(huán)境中混凝土的碳化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Cl-滲透速度,中等質(zhì)量的混凝土自然碳化速度平均為3mm/10年。因此,影響東海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-滲透速度。
國內(nèi)外相關(guān)科研成果和長期工程實(shí)踐調(diào)研顯示,當(dāng)前較為成熟的提高海洋鋼筋混凝土工程耐久性的主要技術(shù)措施有【2、3、4、6、7】:
(1)高性能海工混凝土
(2)提高混凝土保護(hù)層厚度
(3)混凝土保護(hù)涂層
(4)涂層鋼筋
(5)阻銹劑
(6)陰極保護(hù)
因此,東海大橋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性方案的設(shè)計(jì)遵循的基本方案是:首先,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基本措施是采用高性能混凝土。同時(shí),依據(jù)混凝土構(gòu)件所處結(jié)構(gòu)部位及使用環(huán)境條件,采用必要的補(bǔ)充防腐措施,如內(nèi)摻鋼筋阻銹劑、混凝土外保護(hù)涂層等。在保證施工質(zhì)量和原材料品質(zhì)的前提下,混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性將可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
對于具體工程而言,耐久性方案的設(shè)計(jì)必須考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況——如原材料的可及性、工藝設(shè)備的可行性等,以及經(jīng)濟(jì)上的合理性。也就是說應(yīng)該采取有針對性的,因地制宜的綜合防腐方案。
結(jié)構(gòu)部位 |
海洋環(huán)境分類 |
保護(hù)層厚度mm |
混凝土強(qiáng)度等級 |
混凝土品種 |
輔助措施 |
備注 |
鉆孔灌注樁 |
水下區(qū)、樁頭水位變動區(qū) |
70 |
C30 |
大摻量摻合料混凝土 |
上部為不拆除的鋼套筒 |
|
承臺 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū) |
90 |
C40 |
高性能混凝土 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層 |
|
墩柱 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū) |
70 |
C40 |
高性能混凝土 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層 |
|
箱梁 |
大氣區(qū) |
40 |
C50 |
高性能混凝土 |
|
|
橋面板 |
大氣區(qū) |
40 |
C60 |
高性能混凝土 |
|
|
塔柱 |
下部為水位變動區(qū)、浪濺區(qū),上部為大氣區(qū) |
70 |
C50 |
高性能混凝土 |
水位變動區(qū)、浪濺區(qū)部位涂防腐蝕涂層 |
|
5.1.1水泥
物理分析 |
密度
g/cm3 |
細(xì)度
0.08mm篩余
% |
比表面積
m2/kg |
凝結(jié)時(shí)間(h) |
標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量
(%) |
安定性 |
抗折強(qiáng)度(MPa) |
抗壓強(qiáng)度(MPa) | |||||||||||||
初凝 |
終凝 |
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d | ||||||||||||||
3.12 |
1.00 |
427 |
1:45 |
3:18 |
26.00 |
合格 |
6.3 |
8.6 |
10.0 |
33.1 |
58.9 |
67.9 | |||||||||
化學(xué)分析 |
化學(xué)組成(%) | ||||||||||||||||||||
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
SO3 |
K2O |
Na2O |
MgO |
LOSS | |||||||||||||
21.48 |
5.44 |
3.15 |
63.40 |
2.02 |
0.75 |
0.44 |
1.12 |
2.19 | |||||||||||||
5.1.2磨細(xì)礦渣(礦渣微粉)
物理分析 |
流動度比% |
比表面積(勃氏法)m2/kg |
7d活性指數(shù)% |
28d活性指數(shù)% |
密度g/cm3 | |||||
試驗(yàn)結(jié)果 |
102 |
470 |
77 |
98 |
2.91 | |||||
化學(xué)分析 |
化學(xué)組成(%) | |||||||||
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
SO3 |
MgO | |||||
試驗(yàn)結(jié)果 |
31.0 |
14.2 |
2.08 |
40.95 |
0.89 |
7.75 | ||||
5.1.3粉煤灰
物理分析 |
45μm篩余% |
需水量比% |
活性指數(shù)
(28d抗壓強(qiáng)度比)% |
含水率% |
燒失量% |
SO3
% |
密度
g/cm3 | |||||||
試驗(yàn)結(jié)果 |
10.5 |
105 |
26.4 |
0.2 |
1.98 |
0.83 |
2.1 | |||||||
化學(xué)分析 |
化學(xué)組成(%) | |||||||||||||
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
SO3 |
K2O |
Na2O |
MgO | |||||||
試驗(yàn)結(jié)果 |
51.04 |
32.86 |
8.26 |
3.35 |
0.83 |
0.50 |
0.31 |
0.36 | ||||||
5.1.4硅粉
物理分析 |
45μm篩余
% |
比表面積
(勃氏法)
m2/kg |
活性指數(shù)
% |
含水率
% |
燒失量
% |
SiO2含量
% |
試驗(yàn)結(jié)果 |
1.0 |
18000 |
103 |
0.9 |
2.4 |
92 |
5.1.5粗骨料
項(xiàng)目 |
表面
密度
(kg/m3) |
堆積
密度
(kg/m3) |
空隙率
(%) |
含泥量
(%) |
累 計(jì) 篩 余 (%) |
細(xì)度模數(shù)
μf | ||||||
10.0 |
5.00 |
2.50 |
1.25 |
0.63 |
0.315 |
0.16 | ||||||
試驗(yàn)
結(jié)果 |
2632 |
1538 |
41.6 |
1.0 |
0 |
1 |
6 |
14 |
48 |
84 |
94 |
2.4 |
5.1.7減水劑
檢 驗(yàn) 項(xiàng) 目 |
GB8076-1997
高效減水劑規(guī)定值 |
試驗(yàn)結(jié)果 | ||
一等品 |
合格品 |
LEX-9H | ||
減水率(%)不小于 |
12 |
10 |
27 | |
泌水率(%)不大于 |
90 |
95 |
27 | |
含氣量(%) |
≤3.0 |
≤4.0 |
2.9 | |
凝結(jié)時(shí)間
之差(min) |
初凝 |
-90~+120 |
+17 | |
終凝 |
+15 | |||
抗壓強(qiáng)度比(%) |
1d |
140 |
130 |
193 |
3d |
130 |
120 |
183 | |
7d |
125 |
115 |
173 | |
28d |
120 |
110 |
150 | |
收縮率比(%)不大于 |
135 |
99 | ||
對鋼筋銹蝕作用 |
鈍 化 |
鈍 化 |
5.1.8拌和用水
5.2試驗(yàn)方案和主要試驗(yàn)方法
用濃度曲線法測試混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)方法,參照NT Build 443方法,將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天的混凝土試件浸泡于質(zhì)量濃度為3.0%的NaCl溶液中至指定齡期(90d)后,用剖面切削機(jī)從混凝土表面以不大于2mm的厚度取樣,并用化學(xué)方法測試樣本氯離子濃度,做混凝土氯離子濃度-深度曲線并用Fick第二定律進(jìn)行非線性回歸求得混凝土表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)。
5.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)
編號 |
摻合料類型 |
水膠比 |
每立方砼中材料用量(kg/m3) | ||||
水泥 |
摻合料 |
砂 |
石 |
外加劑 | |||
35J |
基準(zhǔn)組 |
0.36 |
400 |
0 |
686 |
1168 |
3.6 |
35I |
I |
0.36 |
120 |
280 |
668 |
1188 |
3.6 |
35II |
II |
0.36 |
120 |
280 |
668 |
1188 |
3.6 |
50J |
基準(zhǔn)組 |
0.32 |
470 |
0 |
641 |
1139 |
4.23 |
50I |
I |
0.32 |
188 |
282 |
641 |
1139 |
4.23 |
50II |
II |
0.32 |
188 |
282 |
641 |
1139 |
4.23 |
5.4高性能混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果及分析
混凝土 |
抗壓強(qiáng)度(MPa) |
劈拉強(qiáng)度
(MPa) |
抗折強(qiáng)度
(MPa) |
軸壓強(qiáng)度(MPa) |
彈性模量(104MPa) |
35基準(zhǔn)砼 |
43.3 |
4.0 |
7.4 |
29.4 |
3.35 |
海工I |
38.7 |
3.9 |
7.7 |
26.7 |
3.27 |
海工II |
41.0 |
4.1 |
7.6 |
28.9 |
3.55 |
50基準(zhǔn)砼 |
58.5 |
4.0 |
9.0 |
32.2 |
3.69 |
海工I |
52.4 |
3.9 |
8.7 |
31.3 |
3.65 |
海工II |
66.7 |
4.5 |
9.9 |
32.9 |
4.13 |
混凝土 |
碳化深度(mm) |
滲透高度(mm) |
抗凍(凍融循環(huán)100次) | |||
碳化深度
(mm) |
強(qiáng)度損失(%) |
最大滲水壓力(MPa) |
滲水高度
(mm) |
質(zhì)量損失
(%) |
相對動彈性模量損失(%) | |
35基準(zhǔn)砼 |
0.30 |
0.63 |
2.5 |
26.3 |
0.9 |
8.1 |
海工I |
0.16 |
0.42 |
2.5 |
7.1 |
0.6 |
6.9 |
海工II |
0.16 |
0.46 |
2.5 |
6.5 |
0.6 |
7.2 |
50基準(zhǔn)砼 |
0.25 |
0.50 |
2.5 |
20.5 |
0.7 |
7.2 |
海工I |
0.17 |
0.38 |
2.5 |
6.6 |
0.5 |
6.8 |
海工II |
0.14 |
0.37 |
2.5 |
5.4 |
0.4 |
6.4 |
編號 |
電通量(C) |
表觀Cl-擴(kuò)散系數(shù)Da(E-12m2/s) |
備注 |
35基準(zhǔn)砼 |
1263 |
4.85 |
此中Da值為浸泡90天時(shí)的測試值 |
海工I |
826 |
1.28 | |
海工II |
741 |
1.10 | |
50基準(zhǔn)砼 |
1112 |
4.26 | |
海工I |
750 |
1.15 | |
海工II |
637 |
0.95 |
(1)預(yù)先質(zhì)量控制與評估(PreQC&QA),是在了解工程背景、使用環(huán)境以及混凝土材料在海洋環(huán)境中的性能特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,通過對材料性能的試驗(yàn)研究,建立混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)和依據(jù),并預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用性能
(2)耐久性方案設(shè)計(jì)(Design link to SLP),充分考慮各種可變因素對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響,如環(huán)境溫度、混凝土內(nèi)應(yīng)力、裂縫等,以建立使用壽命預(yù)測系統(tǒng),為耐久性方案的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。再以使用壽命預(yù)測系統(tǒng)為基礎(chǔ),制定有針對性的耐久性解決方案。
(3)質(zhì)量控制與評估(QC&QA),是指在方案的實(shí)施過程中如何控制各方面的質(zhì)量以及如何對已完成部分的質(zhì)量進(jìn)行評估的過程。在質(zhì)量控制與評估環(huán)節(jié)中,主要需要確立各種質(zhì)量控制措施和實(shí)施標(biāo)準(zhǔn),建立各種性能試驗(yàn)的評價(jià)體系,保證混凝土性能符合方案設(shè)計(jì)要求。
(1)高性能混凝土保護(hù)層厚度質(zhì)量控制和保證措施
(2)高性能混凝土的養(yǎng)護(hù)
在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),頂面混凝土由于陽光直射溫度較高產(chǎn)生溫差過大的現(xiàn)象,同時(shí)由于風(fēng)速較大也容易造成混凝土表面失水過快,混凝土表面收縮較大而導(dǎo)致混凝土開裂。因此,在實(shí)際施工過程中,箱梁混凝土澆注完畢后即在頂面加蓋塑料薄膜頂棚以保溫保濕。對于預(yù)制箱梁等大型預(yù)制構(gòu)件,由于預(yù)制場地的限制和施工進(jìn)度要求,采用低溫蒸養(yǎng)的方式。
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監(jiān)督:0571-85871667
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