高性能混凝土在高架橋上的應用

李顯潮，伍二發

（中交公路規劃設計院有限公司貴州分公司，貴州貴陽 550003）

0 前言

國家和行業規范對橋梁的設計使用年限都有明確規定。因此，橋梁結構的耐久性應是設計關注的重點之一。近期，國內多位院士和著名橋梁專家均指出：混凝土結構設計中，混凝土強度的選用，不僅要滿足強度計算的要求，還必須滿足耐久性設計的要求[1]。這應是當代混凝土結構設計的重要理念之一。而高性能混凝土是確保結構物耐久性的重要措施。

貴陽市某高架橋為了城市美觀及節約用地，選用了獨柱墩、橫向大懸臂、魚腹式線型連續箱梁的結構型式，橋墩外輪廓采用花瓶式造型，與上部箱梁的曲線相協調。橋梁上部結構跨徑有30 m，38 m及52.9 m，均為現澆等截面預應力混凝土連續箱梁，高架橋全長為911 m，橋面寬度為26.1 m及33.6 m，獨柱墩墩頂支座橫向距離為6m，道路等級為城市主干道，設計中除了滿足結構設計安全度外，從結構耐久性設計出發，選取了橋梁結構中主要部位混凝土等級，對主梁及橋墩采用高性能混凝土進行設計。

1 主體結構設計使用年限的確定

高架橋主要結構包括：箱梁、橋墩、承臺、樁基礎。

《混凝土結構耐久性設計規范》（GB/T50476-2008）[2]第3.3條規定：“城市快速路及主干道上的橋梁及其他道路上的大型橋梁，設計使用年限不低于 100 a”。

《工程結構可靠性設計統一標準》（GB50153-2008）[3]第A.3條規定：“公路橋涵的設計使用年限，特大橋、大橋、重要中橋為100 a”。第3.3條規定：“工程結構設計時，應規定結構的設計使用年限”（強制性條文）。

《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2004）[4]第1.0.6條規定：“公路橋涵的設計基準期為100 a”（強制性條文）。

該高架橋的主要結構，設計使用年限采用100 a，按此進行混凝土結構耐久性設計。

2 混凝土強度等級的確定

影響混凝土強度等級選用的主要因素，除結構受力條件外，最主要的是環境作用。根據該橋各主要部位的環境情況和設計使用年限為100 a，主要結構混凝土強度等級確定如下。

2.1 箱梁

箱梁頂部有復合式橋面鋪裝，能有效防止雨水浸蝕主梁，但在大雨并伴有大風的情況下，箱梁側面仍可能偶爾接觸雨水。所以，箱梁的環境作用等級，按《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》（JTGTB07-01-2006）[5]規定應為 B級，按《混凝土結構耐久性設計規范》（GB/T50476-2008）[6]規定應為Ⅰ-B級，則混凝土強度最低等級為C35。箱梁為部分預應力混凝土A類構件，橋面寬度達26.1 m和33.6 m，并采用獨柱式橋墩，橫向為超大懸臂結構，結經構計算，正應力、主應力和剪應力均較大，有必要適當提高混凝土強度等級，故采用C55級混凝土。

2.2 橋墩墩身

處于干濕交替環境，按JTG/TB07-01-2006規定，環境作用等級應為C級；按GB/T50476-2008規定應為Ⅰ-C級，則混凝土度最低等級為C40。設計采用C50混凝土。

2.3 樁基與承臺

埋于地下，溫度、濕度相對穩定的基礎構件，環境作用等應為B級或Ⅰ-B級，則混凝土強度最低等級為C35。采用C35混凝土。

3 箱梁和墩身采用高性能混凝土的基本要求

箱梁和墩身為本橋結構受力最大、最復雜的部位，也是影響耐久性和安全性的關鍵部位。根據國內已建橋梁的成功經驗，采用高性能混凝土。

高性能混凝土的定義：具備施工性（即高工作性）、高抗滲性、高體積穩定性（硬化過程中不開裂、收縮徐變?。?、較高強度（≥C40），并保持強度持續增長，最終獲得最佳耐久性（使用年限不小于100 a）的優質混凝土[7]。（文獻[7]即：鐵建設（2005）157號，鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定，以下簡稱《鐵規》）

該橋箱梁和墩身高性能混凝土設計要點如下。

3.1 原材料

3.1.1 水泥

水泥宜用硅酸鹽水泥（P.Ⅰ或P.Ⅱ）和普通硅酸鹽水泥（P.0）；選用低水化熱和含堿量低的水泥；避免使用早強水泥和C3A含量高的水泥；與高效減水劑有很好的相容性；水泥的技術要求，可參閱《鐵規》[8]第4.1條規定。

3.1.2 粗骨料

碎石粒徑為5～25 mm。也可采用碎卵石，不宜采用砂巖碎石；碎石顆粒的外形，應盡量接近等徑狀。針片狀顆粒盡量少，其含量應小于碎石總量的5%，碎石應級配良好。碎石應有較高的強度，其抗壓強度應大于100 MPa，飽和狀態下應大于80 MPa，密度應大于等于2.65 g/cm3；碎石應是清潔的，含泥量應小于1%；碎石中不含能與堿反應的活性成分（例如微晶石英巖、安山巖、硅質巖和玄武巖等）；碎石壓碎指標應符合《鐵規》[8]表4.4.5的規定；碎石的其他質量要求應符合《公路橋涵施工技術規范》（JTJ041-2000）（簡稱《公規》）[9]、《建筑用卵石、碎石》（GB/T14685-2001）（簡稱《建石》）[10]、《鐵規》[8]的規定。

3.1.3 細骨料

采用中粗砂，優先采用優質河砂，也可選用由專門機械生產的人工砂，不宜使用天然山砂。應級配良好，細度模量3～2.3，砂率在32%～40%之間優選；含泥量小于1%；0.63 mm篩的累計篩余大于70%；0.315 mm篩的累計篩余為85%～95%；0.15 mm篩的累計篩余大于98%；其他質量要求，應符合《公規》[9]、《建石》[11]、《鐵規》[8]的規定。

3.1.4 細?；钚缘V物摻料

常用的主要細粒活性礦物摻料有：硅灰、粉煤灰、超細礦渣等。是高性能混凝土必要的組成部分。硅粉、粉煤灰和水泥均為膠凝材料，參與水膠比計算。

3.1.4.1 硅粉（代號SF）

硅粉中的二氧化硅含量不應小于85%，比表面積（BET-N2吸附法）不小于15000 m2/kg。硅粉和粉煤灰應同時摻入。硅粉摻量應控制在膠凝材料總量的8%以內。硅粉粒徑應小于1μm，平均粒徑0.18～0.26μm；硅粉密度為2.2 g/cm3。

在混凝土中摻入適當硅粉水劑，可以提高強度、改善工作性能、增加彈性模量、減小收縮徐變、降低混凝土的滲透性、增強混凝土的耐久性。硅粉采用水劑后，在混凝土中分布更均勻、能提高工效、降低對環境的污染。

3.1.4.2 粉煤灰（代號FA）

須采用Ⅰ級粉煤灰。燒失量不大于5%；需水量比不大于95%；細度不大于12%（45 mm方孔篩篩余）；三氧化硫含量不大于3%，其中最主要的是燒失量和需水量比、必須從嚴控制。

粉煤灰摻入量不宜大于20%。外加劑對混凝土的質量影響巨大，務必嚴格控制。

在混凝土中摻入適當粉煤灰，有明顯的減水作用，較大幅度地提高混凝土的工作性能，并有明顯的減水作用。通過粉煤灰抑制混凝土的升溫，可有效地減少混凝土的開裂。摻入粉煤灰的混凝土，早期強度較一般的混凝土低，但后期強度有較大增長，高于一般混凝土，其抗滲性（不透水性）在后期有明顯增大，高于一般的混凝土。能降低混凝土中氯離子的擴散。摻入粉煤灰的混凝土，體積穩定性良好，干燥收縮率降低。

3.1.5 纖維摻合料

高性能混凝土中摻入一定量的網狀樹脂纖維，可以提高混凝土的抗拉強度，降低混凝土的脆性，改善混凝土的抗裂性能，提高混凝土的延性。該橋可以采用網狀聚丙烯纖維或聚丙烯腈纖維。摻入量約為1 kg/m3。

3.1.6 高效減水劑

使用高效減水劑，并同時摻入活性礦物質超細粉（即“雙摻”），是降低單方混凝土用水量的主要途徑，也是使混凝土獲得高性能的途徑。所以，高效減水劑成為高性能混凝土必不可少的組成材料。高效減少劑應具有對水泥的分散能力強、減水率高、控制坍落度損失、提高混凝土的耐久性，以及與水泥有良好的相容性等功能。

高效減水劑的基本性能，如表1所列[14]。

3.2 配合比設計

3.2.1 配合比設計的基本目的

在保證混凝土設計強度的前提下，盡量提高混凝土的工作性能和耐久性，同時采用最優水灰比、最小水泥用量，減小混凝土的水化熱、提高混凝土的彈性模量、減小混凝土的后期收縮和徐變。高性能混凝土的配合比特點是：水膠比低、粉體量大、漿集比大、粗集料量小。

表1 GB 8076-1997對高效減水劑的技術要求一覽表

該橋高性能混凝土必須進行專門的多組配合比試驗，通過對比分析，擇優選用。擇優的基本要求是：強度滿足設計要求、彈性模量高、工作性能好、抗裂性好，以及粘聚性與保水性好。

3.2.1.1 耐久性

高性能混凝土配制的目標主要是耐久性。低滲透性是混凝土確保耐久性的第一道防線。要盡量降低水泥水化熱和混凝土內部的溫度升高值。要從原材料的選擇和配合比上盡量降低混凝土的干縮。

3.2.1.2 強度

施工過程、使用期的混凝土抗壓強度，要達到設計要求。水灰比應小于0.4。

3.2.1.3 工作性

高性能混凝土拌合物的工作性比強度還重要，是保證混凝土澆筑質量的關健。要求拌和物具有高流動性和可泵性。坍落度應大于180 mm；當要求免振時，坍落度應大于250 mm。還應具有體積穩定、不離析、不泌水的性能。

要求坍落度和坍落鋪展度（拌和物坍落終了時鋪展的直徑，稱為鋪展度）的比值約為0.4。

3.2.2 配合比設計的基本法則

3.2.2.1 灰水比法則

混凝土的強度與水泥強度成正比，與灰水比成反比。灰水比一經確定，絕不能隨意變動。對于高性能混凝土，“灰”包括所有膠凝材料，故灰水比稱為膠水比。

3.2.2.2 混凝土密實體積法則

由水泥（膠凝材料）、水、砂、石組成的混凝土達到最佳密實度，同時在可塑狀態時，又具有足夠的流動性。

3.2.2.3 最小單位加水量或最小膠凝材料用量法則

在灰水比固定、原材料一定的情況下，使用滿足工作性的最小加水量（即最小的漿體量），可得到體積穩定的、經濟的混凝土。

3.2.2.4 最小水泥用量法則

為降低混凝土的溫升、提高混凝土抗環境因素侵蝕的能力，在滿足混凝土早期強度的前提下，應盡量減小膠凝材料中的水泥用量。

3.2.3 配合比主要參數的選擇

3.2.3.1 水膠比

為達到混凝土的低滲透性以保證其耐久性，無論設計強度是多少，配制高性能混凝土的水膠比都不能大于0.4（對所處環境不惡劣的工程可以適當放寬），以保證混凝土密實度。

該橋要求水泥用量應控制在500 kg/m3以內。用水量應控制在185 kg/m3以內。水膠比應控制在0.24～0.38之間。

3.2.3.2 漿集比（或用膠凝材料總用量表示）

漿集比主要影響混凝土的工作性，因而也影響耐久性，在一定程度上還影響強度、彈性模量和干縮率。

根據經驗，膠凝材料總用量以不超過550 kg/m3為宜，但為了保證耐久性，膠凝材料總量最少也不能低于300 kg/m3，重要工程則還要提高。

3.2.3.3 砂石比（或用砂率或粗集料用量表示）

砂率在混凝土中主要影響工作性?！痘炷两Y構施工及驗收規范》（GB50204-92）[15]第 4.2.8條規定，泵送混凝土的砂率宜控制在40%～50%之間。當水灰比不同時，最優砂率有所不同，但都在38%～46%之間。

4 關于結構耐久性設計的其它方面

（1）混凝土中最大氯離子含量的限值：

所有配筋的混凝土結構的氯離子含量，RC構件應不大于0.30%，PC構件應不大于0.06%（氯離子含量指氯離子與水泥用量的比值）。

（2）混凝土中最大堿含量的限值：

混凝土中最大堿含量應不大于1.8 kg/m3。

（3）鋼筋的混凝土保護層厚度：

參照文獻[5]中的有關規定，結合構件受力情況從嚴控制各配筋混凝土結構的鋼筋保護層厚度。

5 結語

（1）該高架橋已建成通車運營近2 a，作為貴陽市內主干道工程，高性能混凝土的應用不僅提高了橋梁結構安全性，而且為橋梁結構在運營過程的耐久性提供了保障。

（2）高性能混凝土是一種耐久性優異的混凝土，以其優異的性能使得普通混凝土向高性能混凝土發展成為必然趨勢。我國在發展高性能混凝土方面才剛剛起步，需要科研、設計、施工部門攜手協作，共同促進高性能混凝土的發展。

[1]嚴允中，余勇繼，楊虎根，等.橋梁事故實例評析[M].北京：人民交通出版社，2013.

[2]GB/T50476-2008，混凝土結構耐久性設計規范[S].

[3]GB50153-2008，工程結構可靠性設計統一標準[S].

[4]JTGD60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[5]JTGTB07-01-2006，公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范[S].

[6]吳中偉，廉慧珍.高性能混凝土[M].北京：中國鐵道出版社，1999.

[7]鐵建設（2005）157號，鐵路混凝土結構耐久性設計暫行規定[S].