桥梁混凝土耐久性设计

　　根据所处的地区不同，桥梁混凝土受到不同破坏因素，如冻融循环、干湿交替、某些化学物质的侵蚀和温度变化的作用，以及机械磨损作用，优质混凝土在各种暴露条件下，相对来说是耐久的，而对于质量不良的混凝土，在一般的风化条件下也会遭到破坏。混凝土材料品质低下和混凝土配比选择不当导致混凝土性能不良，施工操作粗糙形成的潜在的混凝土缺陷，都极易使混凝土很快受到破坏例如水灰比大、有害孔隙多，容易受到各种破坏因素的侵蚀，混凝土结构体积大，容易因温度差异引起开裂，长度较大的构件也容易因为混凝土干缩而产生裂缝寒冷地区的混凝土易遭受冻融破坏，桥面混凝土也因为除冰盐的作用而使钢筋锈蚀产生剥落，炎热地区的海工混凝土易因钢筋锈蚀而破坏，有碱活性集料地区的混凝土存在碱-集料反应破坏的危险，外加剂使用不当也会产生破坏作甩1材料与配合比选择桥梁混凝土不仅强度满足设计要求，还要根据工作环境进行耐久性设计，新拌混凝土应有良好施工性能与足够的强度高性能混凝土一定要掺加高效减水剂和辅助胶凝材料如矿渣、粉煤灰或硅灰高性能混凝土与普通混凝土没有基本的区别，但高性能混凝土胶凝材料用量较多，水灰比较小，具有低渗透性根据混凝土结构所处的环境，有100年以上的使用寿命。

　　高效减水剂可以减少混凝土用水量，也可以认为是一种耐久性外加剂，混凝土用水量大，其干缩大，渗透性高，在较恶劣的环境下，水、氧及其他侵蚀性介质极易渗透造成混凝土破坏粉煤灰和矿碴微粉是优良的辅助胶凝材料，可以改善新拌混凝土和易性，减少混凝土泌水和离析，可以改善混凝土的孔结构，减少混凝土的渗透性尤其是减少氯离子渗透，可以减少氯盐对混凝土中钢筋的锈蚀破坏，同时还可以改善混凝土抗硫酸盐侵蚀，减少碱一集料反应破坏等。

　　根据工程结构类别和所处环境不同，高性能混凝土的材料和配比有不同的选择例如水泥可以用普通水泥或低热水泥、低碱水泥等，外加剂一般宜采用高浓萘系高效碱水剂，复合其他成分或其他品种的外加剂等，根据需要选用钠盐或钙盐型高效减水剂，对于桥梁混凝土，一般要求应用坍落度损失小的外加剂，现在有性能更好的高效减水剂如聚羧酸氨基苯碘酸也可应用，在日本聚羧酸己取代萘磺酸盐成为用量更大的高效减水剂品种。辅助胶凝材料可用粉煤灰矿渣微粉或硅灰，硅灰价格较贵，需要时可以应用。粗集料宜选用大粒径25mm或40mm的碎石，粗集料应坚硬、清洁不粘附粘土或粉尘，针片状颗粒少，且是非碱活性的，细集料宜选用较粗的，例如细度模量为2 7~3.0的清洁的河砂。

　　加外剂可以改善新拌混凝土和硬化混凝土性能，例如可以拌制高流动性自密实混凝土用于构造复杂、钢筋密集的结构施工，对大体积混凝土可以减少水泥用量延缓凝结时间以减少混凝土水化温升推迟高温度出现时间等。但外加剂品种多成分不明给应用带来困难，有些早强型高效减水剂被推荐用于冷天混凝土施工，但经分析其成分为萘磺酸盐+氯盐+硫酸盐，氯盐是钢筋钝化膜危险破坏者，氯盐带来的钢筋混凝土结构物的破坏十分严重现在海工钢筋混凝土和美国大量公路桥梁的破坏也都是氯盐引起的钢筋锈蚀破坏硫酸盐会引起混凝土体积不稳定，产生硫酸盐侵蚀破坏，海湾地区的研究证明，硫酸盐与高温助长钢筋锈蚀，硫酸盐还有害于混凝土的碱一集料反应很显然，这种萘系早强减水剂用于桥梁混凝土，必将会给混凝土结构带来破坏。

　　桥梁混凝土一般均是现浇混凝土，要求混凝土坍落度损失小，有一定的缓凝性，低坍落度损失组份也具有不同的缓凝性目前一种误解是把初凝时间作为混凝土施工间歇时间的限值，这不够正确，在前一层混凝土贯入阻力达1.5~20MPa前覆盖第二层新混凝土有利于保证混凝土结构的整体性有人用密胺磺酸钙盐与密胺磺酸钠盐对比试验说明，掺纳盐的混凝土膨胀量比掺钙盐的混凝土的膨胀量大很多，当存在碱一集料反应危险时，应当应用钙盐型高效减水剂粉煤灰除了经济与社会效益外，粉煤灰对混凝土性能有以下改善作用：减少泌水和离析，改善混凝土的微观结构；由于粉煤灰反应缓慢，一般要11d后才开始水化反应，可以减少水化热；由于与氯离子结合并降低氯离子渗透速度，可以加抗氯盐引起钢筋锈蚀的耐久性；高掺量时，由于与氢氧化钙和碱的氢氧化物结合，可以加抗碱一集料反应和抗硫酸盐侵蚀的耐久性。

　　矿渣磨得更细一些（相对于矿渣水泥而言）会加矿渣的辅助胶凝材料性能，普通水泥或中热水泥加矿渣和粉煤灰可以用作大体积混凝土的低热水泥，掺矿渣和粉煤灰的水泥混凝土具有低的或很低的氯离子渗透性，见表1与先进国家比较，我国混凝土用水量偏大，大部分生产集料的石场从石料的破碎、清洗分级等工序糙级配不良，结果是混凝土用水较多，造成混凝土缺陷。石场应细化集料分级，提配质量，同时应改善破碎机械，减少针片状含量表1掺混合材混凝土的渗透性胶凝材料水泥类别28d的渗透性/C抗压强度注：胶凝材料为水泥矿渣硅灰的重量百分数2大体积混凝土近年来在长江上新建的大桥多为斜拉桥及悬索桥，许多是大体积混凝土结构物，普遍采取了温控措施以避免混凝土开裂如计算分析了混凝土的温度场和温度应力，采用低热水泥，埋设了冷却水管降低混凝土温度，采用保温措施，以减少混凝土温差，同时对混凝土的温度变化进行了监控等，采用上述措施很大程度避免或减少了混凝土的开裂，取得了一定的成绩。

　　黄石长江大桥和江阴长江大桥采用的低热水泥是华新425号矿渣水泥掺加125和25的粉煤灰，根据华新425号矿渣水泥的成分换算，黄石长江大桥用低热水泥的成分为水泥44.625，矿渣39.375，石灰石3. 5，粉煤灰12.5.江阴长江大桥用低热水泥的成分是水泥44. 85，矿渣25.725，石灰石4.425，粉煤灰25.两者3d与7d的水化热分别为145/g 208/g和163/g199/g从上述数据可以看出其水化热与425号低热大坝水泥接近，而胶凝材料的价格则大大低于大坝水泥均不够细致存在的缺点是状颗粒较多分级乳1的试验资料厉鼻乎不宜大于5华新水泥厂425号矿渣水泥的细度为280~ /kg，由于矿渣比水泥熟料难磨，水泥中的矿渣细度可能只有23屮240m2/kg左右，矿渣的潜在水硬性没有充分发挥现在可以供应磨细矿渣，用以等量取代水泥用量并改善其性能，但矿渣磨细到什么程度水化热降低较多而强度长较好，需要进一步研究高强度混凝土可以应用磨得更细的矿渣，对于较低强度要求的大体积混凝土，从葛州坝水泥厂（4）试拌调整超塑化剂和水灰比以保证自密性混混疑土出现问题原因，其中el个原因Wishing！日本应用的ig3种自密实混凝土配合比见表2et矿渣磨得较细，低热水泥可以适当加矿渣含量调整水泥和粉煤灰的比例。

　　目前对大体积混凝土的浇筑温度尚缺乏有效控制，不利于大体积混凝土的裂缝控制，尤其是对于悬索桥的大型锚锭，需加强对浇筑温度的控制，例如安置一台LSKF212 5螺杆冷水机组在5d内可以把1000t30C的水冷却到5C，用以冷却粗集料和拌制混凝土，可以达到更好的温控效果3碱一集料反应集料的活性Si2与水泥混凝土中碱发生反应，生成硅酸盐凝胶，吸水膨胀，引起混凝土开裂破坏，集料中的活性SO2，包括无定形结晶差的SO2等，如蛋白石、玉髓微晶石英等。

　　黄石长江大桥应用华新水泥厂525号普通水泥，其总碱量为0.56，低于Q6，砂不含活性成份，碎石不具备活性成份和结构特征，其84d的膨胀率为0.003~0.010，远低于0.1的危害标准。不会发生碱一集料反应的危害江阴长江大桥是一座悬索桥，委托南京化工大学采用中国工程建设标准化协会标准砂石碱活性快速试验方法（CECS48）对工程用砂石进行快速碱活性试验工程用江阴八一采石场的碎石和安徽繁昌朱家桥的砂均是非碱活性的，但八一采石场的碎石含有少量微晶石英和玉髓使碎石具有一定的膨胀性，个别试样膨胀值达0.099，接近011的限值，所以对工程用水泥和外加剂碱含量加以限制，控制混凝土的碱含量不超过4kg/m3在安徽繁昌荻港采石场开采面我们划分左、中、右3部分取样发现左侧和中间部分的碎石为非碱活性，但右侧部分碎石的膨胀性达到0. 181，具有碱硅酸反应活性，故没有用作混凝土集料。

　　从上述可以认为有的采石场存在碱活性集料，并且在同一个采石场同时存在非碱活性和碱活性集料，由于大桥工程的重要性，在没有工程或集料有关资料可以借鉴的情况下，应该进行集料碱活性检测4应用自密实混凝土无论混凝土材料选择、配合比设计和生产控制做得多好，均符合设计要求的强度和耐久性，但混凝土终要在模板内完成捣实，才能得到合格的结构就是捣实不良造成混凝土缺陷引起混凝土结构物的损坏。捣实不良不仅修补困难，加费用且修补质量难以得到满意结果，大桥有的结构物钢筋密集，宜采用自密实混凝土1988年日本东京大学首先成功开发了自密实混凝土，日本进行过大量试验，并己把自密实混凝土列为常用的混凝土在土木建筑工程中广泛应甩日本政府支持到2003年所有浇筑的混凝土中自密实混凝土要超过50欧洲也大力研究开发自密实混凝土的应用，英国、德国、瑞典、西班牙联合研究自密实混凝土，RILEM在1999年9月份召开了自密实混凝土学术会议与普通混凝土比较，新拌自密实混凝土具有以下特性：（1填充性：自密实混凝土必须能够流到并填满模板内每个角落，这要求混凝土有良好的流动性，可用坍落流动度量测；（2）通过性：自密实混凝土必须在自重条件下流过钢筋密集狭小的空间，浇筑过程中不能产生堵塞现象；（3抗离析性：自密实混凝土在符合上述两个条件的情况下保持混凝土原来的均匀性当混凝土流动经过钢筋时，粗集料的位置被迫发生变化，粗集料位置的改变在水泥浆内产生剪应力，剪应力应当小以利粗集料相对位移，相对位移要求的剪应力取决于水泥浆的水灰比，加水灰比可以加水泥浆的流动性但也降低水泥浆粘性，所以为得到自密实性要用超塑化剂超塑化剂可以使水泥浆得到高流动性的同时具有适宜的粘性。

　　在狭小断面内发生堵塞是由于集料间的接触阻滞，如果粗集料的接触超过一定限值，尽管砂浆粘性合适，混凝土还是发生堵塞，这个粗集料限值以松散体积计大概是50左右。同样，砂浆内砂粒间的接触超过一定限值时，尽管砂浆粘性适度，但砂浆的变形能力降低，砂浆内砂的限值取40粗集料的松散体积固定为50，普通混凝土粗集料体积约为70；9~1.0，由水泥和外加剂的性质而定；表2自密实混凝土配合比实例自密实混凝土类别高性能AE减水剂种类：粗集料大粒径目标坍落度水胶凝材料比水粉体体积比含气量单位粗集料体积单位用量/（kg/m3）水W水泥C混合材F细集料S粗集料G高性能减水剂减水剂AE剂增粘剂mmmmm3/m3粉体类萘系40550t5055.8100.注：1-C二组分低热水泥F：石灰石粉2-.C高炉水泥B种F：海外分级粉煤灰3-C三组分低热水泥F：石灰石粉增粘剂：W/elam胶4-.C低热波特兰水泥增粘剂：Welam胶5——C普通波特兰水泥减水剂：木质磺酸盐增粘剂：水溶纤维素醚5桥面混凝土由于使用环境条件较差与重复荷载影响，桥面容易破坏，修复费用巨大且影响交通据1997年报道，美国577 000座公路桥梁中，69以上的桥梁有混凝土桥面板，在过去25年中大部分桥面板己经更换或者需要修复桥面混凝土应具有高耐久性、低水灰比、低渗透性，混凝土拌和物应有良好的施工性能，有助于保证施工质量，以及足够的强度。

　　1993年美国联邦公路管理局发起了在全国公路桥梁推广应用高性能混凝土的计划，1996年美国公路与运输协会和美国联邦公路管理局运输研究委员会联合成立了高性能混凝土前导州工作小组以实施高性能混凝土在公路和公路结构上的应用，其中4个州报导了高性能混凝土桥面板应用经验。这4个州位于北掉30 4（地处不同气候条件和交通量，有不同的地方材料和施工技术，这些不同因素有不同的途径建造高性能混凝土桥梁配合比如表3所示。

　　表3桥梁混凝土配合比材料单位桥下部结构桥面下部结构桥面波特兰水泥矿渣粗集料细集料水胶比分别为898C和1 109C，抗压强度分别为60.桥桥面和下部结构混凝土的渗透性分别为983C和2强度分别为46.1MPa和44.4MPa新罕布什尔位于北纬45，新芳河桥为单跨3车道钢筋混凝土桥，跨度为20m，宽17.5m大梁强度50MPa，桥面板强度41MPa采用桥面混凝土配合比如表4所示。

　　表4桥面混凝土配合比水泥掺有8的硅灰细集料砂粗集料水引气剂减水剂超塑化剂阻锈剂在工地现场加入为夯救V，桥面和下结构的e子渗透feblish时不浇筑'混凝1土gh桥面试验结果见表/ww.cnki.netbookmark3桥面板顶部钢筋的保护层为75mm，施工时超塑化剂在现场加入，为减少含气量损失和防止自由落下，泵送出料口为水平位置，浇筑完毕后即覆以干棉毡并加以淋湿，保持湿润4d抹面完毕后立即覆盖是很重要的，这样可以避免水分迅速损失导致塑性收缩裂缝对浇筑时的水份蒸发条件有严格的规定，在蒸发速度大于Q5kg/m2表5桥面混凝土试验结果试验目标结果试验方法坍落度单位重含气量28d园柱体强度弹性模量氯离子渗透性冻融耐久性6结语就悬索桥和斜拉桥而言，主要的承重构件有塔、箱梁、承台和锚碇等，塔和箱梁为高强混凝土，承台、锚碇为大体积混凝土，还有易损坏的桥面混凝土等，桥梁是重要的工程结构，各构件均应采用高性能混凝土，应根据构件的具体情况分别采用具有下述性能或具有部分下述性能的高性能混凝土：①低水胶凝材料比例，②易于浇筑；③不会离析；④足够强度；⑤低渗透性；⑥低水化热；⑦低积稳定；⑧在使用环境下寿命长的高性能混凝土