港珠澳大橋長壽命120年高性能海工混凝土耐久性質量控制

李海卿

(中交第二航務工程局有限公司,廣東 珠海 519000)

1 前言

港珠澳大橋主體工程島隧及橋梁工程設計使用壽命120年,對高腐蝕海洋環境下混凝土結構耐久性提出了很高要求,配制出高性能耐腐蝕混凝土是必要前提。見圖1-4港珠澳大橋建成后的效果圖。

高性能海工混凝土的配制技術途徑是選用優質的水泥、級配良好的優質骨料、合理的摻和料和高效減水劑,并利用高減水率盡量降低混凝土的水膠比。高性能海工混凝土具有高耐久性,特別具有高的抗氯離子滲透性,同時還具有高強度、高工作性及高尺寸穩定性。高性能海工混凝土的力學性能和耐久性性能遠遠優于傳統混凝土,其主要原因是低水膠比、高效減水劑及活性膠凝性礦物摻和料的使用,合理的施工配合比的設計,使得混凝土密實度相對提高以及水泥顆粒的解聚和粒徑范圍的擴大所獲得良好的微觀結構。本文主要從混凝土原材料的質量控制和混凝土配合比等方面來談混凝土的耐久性[1-14]。

圖1 港珠澳大橋建成后的效果圖

圖2 港珠澳大橋建成后的效果圖

圖3 港珠澳大橋建成后的效果圖

圖4 港珠澳大橋建成后的效果圖

2 海工混凝土配合比

海工混凝土配合比設計是確保混凝土結構耐久性最關鍵的環節之一,限制混凝土最大水膠比、最小膠凝材料用量限值是有效而可行的措施。以往是按強度等級設計混凝土配合比,先計算水灰比,現在按耐久性指標設計混凝土配合比,是根據環境類別和作用等級確定混凝土的水膠比和各種膠凝材料用量。盡量降低水膠比,減少單方用水量和膠凝材料用量,有利于提高混凝土的密實性,降低混凝土的滲透性并減少收縮量,對提高混凝土的耐久性非常有利。降低水膠比還是發揮礦物摻和料對混凝土強度貢獻和降低大體積混凝土溫升的重要條件。控制好混凝土中材料總堿含量、總氯離子含量及總三氧化硫含量是保證混凝土耐久性的前提。

目前,我國鐵路、公路、隧道、橋梁混凝土工程已大量采用摻合料配制混凝土,且隨著混凝土配制技術的提高其摻量亦有提高的趨勢。通過大量的成功例子證明了摻加礦物摻和料是改善混凝土施工性能、提高混凝土耐久性的重要技術措施。根據港珠澳大橋科研單位成果及《港珠澳大橋混凝土耐久性質量控制技術規程》(修訂版 HZMB/DB/RG/1)要求,本項目所有海工混凝土均按兩種礦物摻和料雙摻設計配合比。港珠澳大橋工程設計采用的是120年海工混凝土,根據上述要求,海工混凝土中礦物摻和料摻量不宜小于膠凝材料總量的45%。其中,雙摻時Ⅰ級粉煤灰摻量不大于30%,S95級礦渣粉摻量不大于45%；樁基混凝土的水膠比不大于0.42,承臺混凝土水膠比不大于0.40,墩身、組合梁混凝土水膠比不大于0.36,實際應用中都低于限值。

本項目海工混凝土耐久性檢測主要指標是氯離子擴散系數,即描述混凝土孔隙水中氯離子從高濃度區向低濃度區擴散過程的參數。本項目參照北歐標準測試方法NT Build492,采用我國國家標準《普通混凝土長期性和耐久性試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)中的混凝土抗氯離子滲透性能方法檢測。相對評價混凝土密實性和抗侵入性,從而間接評價混凝土的耐久性。當混凝土水膠比較大時,氯離子擴散系數值就大；反之,氯離子擴散系數值相對就小。可見,氯離子擴散系數確實可以較好地用來相對比較混凝土的密實性和抗滲性。

3 海工混凝土原材料

現行公路橋梁混凝土結構設計不僅要考慮結構的承載能力,還要考慮環境作用引起材料性能劣化對結構耐久性帶來的影響。針對港珠澳大橋高腐蝕海洋環境下混凝土結構而言,選擇和控制好混凝土原材料質量是重要環節。

3.1 水泥

①水泥選用P.Ⅱ52.5、P.Ⅱ42.5硅酸鹽水泥,水泥中混合材為4.5%礦渣粉；不宜使用早強水泥,早強水泥具有水化熱釋放快、凝結硬化快等特點,不符合配制耐久性混凝土條件。

②水泥比表面積≤380m2/kg、C3A含量≤8.0%；水泥不能過細,水泥熟料中C3A含量過高,將導致水泥的水化速度過快,水化熱過于集中釋放,混凝土的收縮增大、內外溫差偏大、抗裂性下降,對混凝土耐久性不利。

③嚴格控制燒失量和游離氧化鈣含量；生燒熟料進入水泥中,易影響水泥體積安定性。

④水泥中的堿含量過高不僅容易引發混凝土的堿——骨料反應,而且增加混凝土的開裂傾向,故要求堿含量≤0.06%。

3.2 細骨料

①耐久性混凝土用的細骨料應選用級配合理、質地均勻堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中粗砂,細度模數在2.6-3.0之間。不宜使用山砂,嚴禁使用海砂。

②砂巖的晶粒嵌固程度不好,堅固性差,不宜配制高性能混凝土。骨料的堅固性及有害物含量對混凝土的耐久性影響較大,對骨料中有機物、云母、輕物質、氯離子含量等做了嚴格限制。

③水份、混凝土中的總堿含量、堿活性骨料是發生堿—骨料反應的三個必要條件,缺一不可。為預防混凝土發生堿—骨料反應,選用非堿活性骨料。本項目用快速砂漿棒法測得粗細骨料堿—硅酸反應14d膨脹率小于0.1%。

3.3 粗骨料

①粗骨料應選用級配合理、粒形良好、質地均勻堅固、線脹系數小的潔凈碎石,但不宜采用砂巖碎石。

②粗骨料的最大公稱粒徑不宜超過鋼筋的混凝土保護層厚度的2/3,且不得超過鋼筋最小間距的3/4。配制強度等級C50及以上混凝土時,粗骨料最大公稱粒徑(圓孔)不應大于25mm。

③粗骨料在運輸和裝卸過程中,其級配可能發生變化,為確保骨料具有良好的連續級配,采用了二級配和三級配碎石。在港珠澳大橋主體工程橋梁工程使用的是5-16mm和16-25mm的二級配碎石配制C50及以下級別的混凝土；C50以上的混凝土用碎石是5-16mm和10-20mm的二級配碎石。通過對粗骨料實行分級采購、分級存儲、分級計量,以使骨料具有盡可能小的空隙率,從而降低混凝土的膠凝材料用量,這樣配制的混凝土,其工作性可以得到進一步的改善。

④粗骨料松散堆積密度應大于1500kg/m3,緊密空隙率宜小于40%,吸水率應小于2%(用于干濕交替或凍融破壞環境條件下的混凝土應小于1%),以保證混凝土獲得較好的密實度。

⑤粗骨料中的含泥量不大于0.5%、泥塊含量不大于0.2%；否則影響新拌混凝土的和易性、坍落度保持和混凝土凝結硬化后的粘結力,最終影響強度。

⑥粗骨料中的針片狀顆粒含量不大于7%,除了影響混凝土的抗折抗壓強度外,在生產過程中也很容易造成離析,對泵送施工非常不利。

⑦當粗骨料為碎石時,碎石的強度用巖石抗壓強度表示,且巖石抗壓強度與混凝土強度等級之比不應小于2.0；施工中碎石的強度可用壓碎指標值進行控制。

3.4 礦物摻和料

礦物摻和料選用品質穩定的原狀粉煤灰和磨細礦渣粉。

①粉煤灰的燒失量不能過大,采用燒失量大的粉煤灰配制的混凝土工作性差,將它拌和到水泥混凝土中時需水量增大,從而導致坍落度損失大、不易搗實；以及由于碳含量高減少粉煤灰的細度和硬凝活性等,強度效應差,耐久性差,這給粉煤灰的質量造成負面影響。因此,對粉煤灰的燒失量重點控制,不大于5.0%。

②粉煤灰中的游離氧化鈣含量應嚴格控制,在混凝土中摻入含游離氧化鈣多的粉煤灰后,會直接導致混凝土在凝結硬化過程中安定性不合格而出現結構開裂。

③在混凝土中摻入礦渣粉能增加和易性與耐久性。礦渣粉越細,活性越高,收縮也隨礦渣粉細度的增加而增加,所以,對于大體積混凝土結構用礦渣粉還限制了細度。從減少混凝土收縮開裂的角度出發,磨細礦渣的比表面積以不超過500m2/kg為宜,最好不超過450m2/kg。本項目用礦渣粉的比表面積在430m2/kg左右。在雙摻技術下,礦渣粉和粉煤灰二者的細度和活性差異可起到互補作用。

3.5 外加劑

外加劑對混凝土具有良好的改性作用,摻用外加劑是制備高性能海工混凝土的關鍵技術之一,它可以有效地控制混凝土的凝結時間、早期硬化能力和密實性,本項目選用的是聚羧酸系高性能外加劑。

①聚羧酸系高性能外加劑減水率高(≥25%)、坍落度損失小、適量引氣、能明顯提高混凝土耐久性且質量穩定的產品,與水泥之間應有良好的相溶性能的外加劑。

②外加劑的性能品質、勻質性和與水泥的相容性是成功配制高性能混凝土的基本條件。為提高混凝土的耐久性,適量的引氣作用可使混凝土的抗凍融性能大大提高。混凝土中摻加引氣劑后,對混凝土的工作性和勻質性有所改善,引氣劑不僅能減少混凝土的用水量,降低泌水率,更重要的是混凝土引氣后,水在拌和物中的懸浮狀態更加穩定,因而可以改善骨料底部漿體泌水、沉陷等不良現象。

3.6 拌和水

采用自來水。拌和水的堿含量是新增要求指標,主要是為了控制混凝土的可溶性總堿含量,當采用其它來源的水時,水的品質應符合規范的要求。

4 港珠澳大橋主體工程混凝土配合比應用實例

經過全面細致地學習了解本工程項目前期課題科研成果,多次比對試驗,選擇了符合《港珠澳大橋混凝土結構耐久性設計指南》、《港珠澳大橋混凝土耐久性質量控制技術規程》的混凝土原材料。

各配合比在港珠澳大橋主體工程橋梁工程和島隧工程樁基、沉管、箱梁、橋面板等部分構件施工使用。在混凝土施工過程中,混凝土的和易性好,施工快捷,而且混凝土的凝聚性和流動性特別好。在控制好混凝土的入模溫度,嚴格按照施工技術規范要求進行施工,做好夏季施工溫控措施,混凝土養護及時到位,降低了大體積混凝土開裂的幾率,使混凝土外觀美觀平整,色澤均勻一致。

在海工混凝土各工程實體澆筑過程中,按規定現場取樣、成型和養護,并按規范要求,完成了海工混凝土抗壓強度和氯離子滲透性試驗,以質量評定標準的要求,進行海工混凝土質量評定,海工混凝土的強度和氯離子滲透指標均高標準地滿足了港珠澳大橋混凝土耐久性質量技術規程及驗收標準的要求。

海洋工程處于惡劣的海洋環境,具有氣溫高、濕度大、海水含鹽度高的特點,受海水、海風、鹽霧、潮汐、干濕循環等眾多因素影響,工程主體的鋼筋混凝土構件容易因氯離子侵蝕、化學介質侵蝕破壞等產生銹蝕,導致結構性能退化,危及結構的安全使用。為保證結構耐久性,使工程達到120年設計使用年限的要求,海工高性能混凝土使用常規材料、常規工藝,以較低水膠比、適當摻量活性摻合料和較嚴格的質量控制措施制作的具有高的抗氯離子滲透性、滿足結構要求的較高強度、良好的工作性以及較高體積穩定。

5 結論

海工高性能混凝土對相同的配合比,不同的原材料及其參量對混凝土的強度、工作性能等有較大的影響,外加劑的影響尤為突出。

海工高性能混凝土的設計應遵循選用高效減水劑、摻入活性摻合料、優化配合比參數等基本原則。通過降低水膠比、強化水泥石與集料的界面、改善水泥水化產物、降低孔隙比、提高密實度來實現高耐久、高強度、高性能。

海工高性能混凝土的配合比設計,應根據不同的應用環境和工藝來設計并優化得到。

[1]《普通混凝土配合比設計規范》JGJ 55-2011.

[2]《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T 50082-2009.

[3]《混凝土結構耐久性設計規范》GB/T 50476-2008.

[4]《港珠澳大橋混凝土結構耐久性設計指南》(修訂版 HZMB/DB/GD/1)

[5]《港珠澳大橋混凝土耐久性質量控制技術規程》(修訂版 HZMB/DB/RG/1).

[6]《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》JTG/T B07-01-2006.

[7]《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》JTJ 275-2000.

[8]《公路橋涵施工技術規范》JTG/T F50-2011．

[9]《高性能混凝土應用技術規程》CECS 207-2006．

[10]《混凝土結構耐久性與施工指南》CECS 01-2004．

[11]住房和城鄉建設部標準定額司.工業和信息化部原材料工業司.高性能混凝土應用技術指南[M].北京：中國建筑工業出版社,2014．

[12]馮乃謙.高性能與超高性能混凝土技術[M].北京：中國建筑工業出版社,2015．

[13]馮乃謙.高性能混凝土結構[M].北京：機械工業出版社,2004．

[14]李海卿.綠色高性能混凝土原材料的選用與質量控制[J].混凝土世界,2017．