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高性能混凝土桥梁

2016-02-27 10:13:30中国机械招标网

  混凝土是目前桥梁建设的主导材料,在即将跨入的21世纪,预计不会有新的材料在应用的广泛性和经济性上能够与混凝土相比然而,混凝土材料的性能并不令人十分满意,特别是在桥梁使用环境中,耐久性往往不够妊根据美国联邦公路管理署1997年统计,目前有31%的桥梁低于标准,其中17%被划为有结构缺陷,将被关闭限载或立即修复;另外14%划为功能过时,即桥面构造、净空高度或承载能力不符合标准要求低于标准的混凝土与预应力混凝土桥梁中,有超过10%的属结构或功能不良。结构不良主要是混凝土劣化而造成早期损坏。混凝土桥梁建成后10~20年就需要维修的情况非常普遍美国从1987年开始了一项“战略公路研究计划”(简称SHRP),由联邦公路管理署负责实施,许多科研机构、大学和州交通部以及加拿大有关机构参与该计划主要目标之一是研究、评价和推广高性能混凝土(简称HPC)在公路桥梁中的应甩HPC是伴随着混凝土的技术进步,在20世纪80年代中期形成的新概念,高性能主要以混凝土的高工作性、高强度和高耐久性为特征,从而区别于传统的普通混凝土99嗯吸裂人丨'谅研究与应用的原恩在。于:针bHsh设计中考虑,然而冰冻条件或环境冻融循环的年发生次数则需要重点考虑,因为冻融是导致桥梁混凝土劣化最普遍的因素之一。

  混凝土的组成、配合比、养护条件和密实度决定了其在饱水状态抵抗冻融破坏的能力,主要特性包括混凝土的气泡系统成熟度和骨料的坚固性引气是提高混凝土抗冻性的有效措施,引气量与气泡间距系数是保证抗冻性的主要参数一般引气量物~秘,平均气泡间距系数小于0.2mm,混凝土便具有良好的抗冻性。

  1.2暴露条件桥梁混凝土常受到氯盐污染,氯离子有很强的渗透扩散能力,渗入到钢筋表面,会破坏钢筋钝化膜而引起锈蚀,锈蚀反应具有膨胀性,可导致混凝土开裂剥落。氯离子渗入引起钢筋锈蚀的破坏速度快,发生非常普遍,往往成为桥梁寿命的决定因素。

  使用化冰盐不仅会引起钢筋锈蚀,还会对混凝土表面产生冷冲击,即在冰层融化的同时会吸收能量,导致冰层下面的混凝土温度急剧降低,引起混凝土表面起皮、点蚀和剥落桥梁还可能暴露于其它腐蚀性介质中,其中硫酸盐侵蚀较为常见,因为硫酸盐存在于海水及一些地区的土壤和地下水中。

  1.3荷载条件车辆和流水中的悬浮物等可磨损混凝土表面一般情况下,表面磨损不是桥面板或桥墩的主要性能指标,但在允许使用防滑链或带钉轮胎的地方或水面有大量浮冰,则磨损可能较严重,耐磨性就是混凝土的一个重要参数1.4温度应力裂缝混凝土中水泥水化反应时要放出热量,导致构件中心与边缘出现温度差而产生应力,该应力大于混凝土当时的抗拉强度,混凝土就会开裂混凝土构件尺寸越大,发生温度应力裂缝的可能性也越大减小混凝土的水泥用量和降低混凝土初始温度,是防止温度应力裂缝的主要方法。

  1.5碱性骨料反应当使用的骨料具有碱活性,单位体积混凝土含碱量(K2O与NmO)又较高时,可能发生膨胀性碱骨料反应防止的方法有:选用非活性骨料,限制水泥、外加剂等带入混凝土的总碱量,掺加适量硅粉粉煤灰或磨细矿渣当桥梁同时面临上述所有问题时,如科学地确定混凝土组成材料与配合比,是能够全面提高混凝b:土耐久性与强度的因为强度与耐久性之间具有相关性,强度高则耐久性一般较妊以加拿大跨越诺森伯兰海峡,长12. 9km的联盟大桥为例,该桥处于寒冷地区的海洋环境,所考虑的耐久性因素包括冻融循环、氯离子渗遂硫酸盐侵蚀、海冰磨损、温度应力裂缝和碱骨料反应表1列出了对混凝土组成材料的要求和对配合比的限制,综合了使桥梁达到100年使用寿命各方面耐久性要求的基本条件再通过试验优化选择具体原材料和配合比,最终确定能够满足所有性能要求且相对经济的配合比表1加拿大联盟大桥混凝土性能与配合比混凝土性能与配合比高性能混凝土配合比水泥种类(含7.5%硅粉)水泥(含32kg硅粉)胶结材用量粉煤灰最多10%砂水胶比最大ft34石91d强度水渗透性减水剂含气量高效减水剂坍落度引气剂按要求加入2高性能混凝土的特性从表1可以看出,高性能混凝土根据耐久性与强度两方面要求,来选择确定混凝土组成材料和配合比与普通混凝土相比,HPC在组成与配合比方面有如下特点:使用矿物掺和料。HPC―般都含有矿物掺和料硅粉、粉煤灰或磨细矿渣,其中以硅粉提高强度和耐久性的效果最显著。硅粉为高活性、无定性SCfe微小颗粒,粒径是水泥粒径的1 /100,可以填充在水泥颗粒之间,同时能将水泥水化产生的Ca(OH)2转化为CSH凝胶(即火山灰反应),从而大幅度提高混凝土强度和降低混凝土渗透性在非常恶劣环境中要求混凝土结构具有长寿命,或混凝土强度等级在C80以上,硅粉是HPC的必要组份ling优质粉屈灰具有物理减水:细度矿渣具有强作甩这两种掺和料也都有火山灰反应活性,能够在一定程度上降低混凝土渗透性;但粉煤灰和矿渣会降低混凝土早期强度。同时掺加硅粉和优质粉煤灰或高细度矿渣,可以配制高强同时耐久的混凝土目前这种水泥+硅粉+粉煤灰或矿渣的三组份胶结材的高性能混凝土正在获得越来越多的应甩。

  低水胶比只有水胶比低,混凝土的孔隙率或渗透性才可能低,因此低水胶比是保证混凝土高耐久性与较高强度的前提条件之一。目前己经形成共识:水胶比高于0.45的混凝土,不可能在严酷环境中具有高耐久性实际应用的高性能混凝土水胶比常常介于Q25~0.40之间最大骨料粒径小HPC骨料的最大粒径宜在10~20mm有两个原因,其一:最大粒径较小,则骨料与水泥浆界面应力差较小,因为应力差可能引起裂缝;其二:较小骨料颗粒强度比大颗粒强度高,因为岩石破碎时消除了内部裂隙。

  高效减水剂与水泥的相容性妊低水胶比和含有硅粉的HPC除必须使用高效减水剂以外,高效减水剂和水泥之间的相容性还必须好,这样才能保证混凝土拌和物有良好的工作丨性目前己基本了解出现相容性的原因是:高效减水剂与水泥的CaS4均能与水泥水化速度最快的GA反应,如果水泥的石膏不能及时释放硫酸根离子与GA反应,则大量高效减水剂就会被GA所束缚,高效减水剂就不能发挥应有的减水作用,即出现相容性问题一般GA含量高和使用硬石膏的水泥,容易出现与高效减水剂相容性不良的问题虽然HPC具有上述共性,但并不意味HPC会有标准的组成或配合比,因为每个工程的原材料和对强度、耐久性的要求都不同。表2与表3分别是美国SHRP计划中,各州演示项目预应力大梁和桥面板HPC的组成与配合比表2中虽设计抗压强度均要求达到70MPa,但不是相同的龄期;规定的预应力张拉强度也不相同;此外,这些配合比使用了不同类型的水泥、矿物掺和料和化学外加剂对于预应力混凝土大梁,配合比主要是以强度指标为基础,一般同时能够获得较高耐久性,因为高强混凝土的渗透性较低。相反,现浇桥面板的HPC配合比则一般以耐久性为基础,同时也规定了混凝土的最小抗压强度。表3中的HPC,胶凝材料的组合是甩于稼n土耐久性,而不是提高强强度nicPul表2桥梁HPC配合比桥梁地点科罗拉多州洛杉矶俄亥俄州弗吉尼亚州华盛顿州混凝土抗压强度预应力张拉强度规定强度等级强度等级龄期/d水泥类型组成材料水胶比化学外加剂引气剂/(1/m3)是减水剂/(1/m3)缓凝剂/(1/m3)高效减水剂/(1/m3)表3桥面板HPC要求与配合比桥梁地点内布拉斯加州新罕布什尔州德克萨斯州弗吉尼亚洲规定性能强度/MPa规定强度等级龄期/d氯离子渗透性能库仑测定氯离子渗透龄期/d组成磨细矿渣/(kg/m3)材料水胶比(2)配合比也包含引气剂与化学外加剂的不同组合。

  3高性能混凝土的生产、浇筑与养护HPC生产质量控制与普通混凝土质量控制的要求相同,即要求原材料质量稳定称量准确和搅拌均匀当水胶比较小时,含水量变化会引起较大的强度波动,严格控制水胶比就更加重要,要特别注意骨料含湿量的变化Ir外加剂硅粉等必须在混凝土中充分分散,才能发挥应有的作用,要适当延长搅拌时间HPC的粘聚性较好,更易于泵送目前,可以配制高流动性HPC,只需要少量振动甚至不振动就能密实由于HPC的泌水较少,含有硅粉时几乎没有泌水现象水分蒸发导致加表面出现塑性裂缝的危险,因此HPC的振捣抹面和养护必须连续进行,不得耽搁,这就需要良好的施工组织管理。HPC对养护的好坏非常敏感,养护质量控制必须严格养护方法并没有特别之处,关键是能够从开始就应有可靠的防止混凝土表面的水分蒸发和保持表面潮湿的措施湿养护应持续至少7d 4高性能混凝土桥梁的寿命混凝土桥梁的寿命能有多长,以前完全是不可预测的,但乐观地认为混凝土的强度是随着龄期的延长而长,只不过长的幅度随时间的延长而越来越小。然而现实告诉我们,混凝土同样会老化,混凝土桥梁是有寿命的,因为桥梁不可能处在恒温恒湿的标准养护环境,而要经受自然环境各种因素破坏在海湾地区,由于氯离子渗入导致钢筋锈蚀和硫酸盐侵蚀,普通混凝土桥梁的寿命只有10~20年;在美国普通混凝土桥梁的寿命也只有4045年HPC桥梁的寿命又有多长呢,目前尚没有足够长的时间来证实这个问题,但根据近20年世界各地所积累的大量试验数据及真实环境的暴露试验结果和实际工程的跟踪观测,对HPC就结构或桥梁在不同环境条件下的寿命已经初步能够定量。美国SHRP计划预测,HPC桥梁寿命可以达到75~ 100年。20世纪90年代世界上建造的一批大型HPC跨海桥梁,设计要求的使用寿命都在100120年。

  HPC本身是一个定性的概念,将HPC的性能定量后,就能根据工程具体条件预测寿命再以加拿大联盟大桥为例,该桥100年的使用寿命是如何保证的呢,在其环境条件中,控制桥梁寿命的因素为:在海洋浪溅区,氯离子渗透导致锈蚀开始时间与锈蚀扩展期的长短寿命估算的方法与步骤见混凝土结构一般难免有裂缝对于HPC结构,裂缝对耐久性会有怎样的影响呢北欧针对这个问题进行了大量长期暴露试验研究,分析有裂缝的HPC在各种环境条件下是否能够有效的保护钢筋和能在多大程度上保护钢筋,部分结果总结于表4与表5目前可以肯定的是:只要裂缝宽度不超过0.配制HPC的氯离子渗透系数为4.混凝土低10~ 30倍),电阻率470~530(比普通混凝土的50ohm-m约高10倍)氯离子渗透通过75mm厚度保护层,在钢筋表面浓度达到水泥含量的0.4%或1.6 kg/m3(钢筋钝化膜开始破坏的cr阈值浓度),保守计算至少需要60年。

  HPC具有高电阻率,锈蚀开始后的锈蚀速率很低,钢筋钝化膜开始破坏到锈蚀扩展使混凝土开始开裂剥落的周期,可提高到30年(普通混凝土只有3年)结合相应的检查与养护计划,认为100年寿命是可以达到的加拿大联盟大桥寿命预测图解表4 25水胶比< 0.30,含硅粉)钢筋锈蚀开始时间与扩展期长度的简单评估方法普通水下潮差区海洋浪溉区化冰盐区化冰盐海洋钢筋保护层环境大气区保护层25mm裂缝锈蚀扩展锈蚀扩展锈蚀扩展开始扩展宽度开始期开始期开始期时间期年注:①1ff,20等等表示达到或超过数字所述的年数;表示尚缺乏长期经验②扩展期为估计Y16mm钢筋由于锈蚀导致截面积损失10%所需时间5高性能混凝土桥梁的经济性目前,评价和比较桥梁建设经济性的方法,从单纯比较单位面积桥梁的建设成本转向比较长期成本,即比较桥梁服务周期成本(简称LCC)服务周期成本包括桥梁的初期建设费用和桥梁寿命期内会发生的维修费用折算成目前费用,基本计算方法如下式:LCC=建设成本+S mm,HPC就能氯盐环境中有效地保护钢筋fc九胞服务周期成本除以擂寿年数可得到桥梁单位bookmark3表5在恶劣环境达到50年和100年使用寿命推荐HPC保护层环境等级最大水胶比娃粉占总胶凝材料最大裂缝宽度最小保护层厚度最小钢筋直径50年大气区等级A2大气和水下区等级A3海洋浪溉区等级A4化冰盐区等级A5面积每年的使用成本目前,还需要积累有关数据,才能较准确地计算和比较服务周期成本或单位桥面积每年的使用成本,但HPC桥梁的寿命预计将延长一倍、寿命期内需要的维修大幅度减少,因此使用HPC建设桥梁肯定是经济的。

  比较单位体积的材料成本,HPC的成本肯定比普通混凝土高,但这不意味HPC桥梁的建设成本必然会高。美国SHRP计划中,研究发展HPC公路桥梁的重要内容之一,是在设计中充分利用HPC较高的强度,从以下几方面降低建桥成本:大桥梁跨径,以减少下部结构;大大梁间距,以减少梁的数量;减小构件截面尺寸,以降低混凝土体积。

  在其HPCT演示项目“中,进行了许多这方面的尝试,预应力大梁普遍采用强度等级为10 000psi(相当于立方试件强度等级C80)的HPC,HPC桥梁的造价基本能与普通混凝土桥梁持平。例如,在德克萨斯州采用HPC建造的Louetta公路跨线桥,为3跨U型梁结构,跨径为37~41.3m,南北线桥梁的造价分别为248美元/m2和269美元/m2当地同一项目的12座普通强度混凝土U型梁桥梁的造价在226~290美元/m2.SanAngelo桥梁项目,东线桥采用HPC,造价为452美元/m2;西线桥采用普通混6结语目前,在世界范围,高性能混凝土的研究在深入,应用在扩展北欧国家如挪威瑞典,桥梁基本都采用HPC建造,目前对桥梁混凝土除高耐久与高强要求外,又加了轻质的要求,因为桥梁上部结构使用轻质HPC(容重约1. 9t/m3),桥梁自重减轻了,可以降低桥梁下部结构的成本,轻质高强(56~74MPa)HPC己经成功地在挪威一些工程中应用海湾地区曾是混凝土快速劣化的重灾区,目前新建项目包括桥梁都对混凝土耐久性提出严格要求美国、加拿大在SHRP计划的研究与应用基础上,正在大力宣传和推广应用HPC建设桥梁有理由相信,高性能混凝土将获得越来越广泛的应用,并且会成为21世纪桥梁建设的优选工程材料。

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