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高性能混凝土在橋梁建設(shè)中的應(yīng)用探討論文
[摘要]本文介紹了三個(gè)方面的內(nèi)容:一是高性能混凝土產(chǎn)生的背景。二是高性能混凝土的特性。三是高性能混凝土在施工中需注意的問題。
[關(guān)鍵詞]高性能混凝土 橋梁建設(shè) 應(yīng)用
高性能混凝土是20世紀(jì)80年代末90年代初，一些發(fā)達(dá)國家基于混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提出的一種全新概念的混凝土，它以耐久性為首要設(shè)計(jì)指標(biāo)，這種混凝土有可能為基礎(chǔ)設(shè)施工程提供100年以上的使用壽命，如香港的青馬大橋、加拿大的聯(lián)盟大橋等，這些跨海大橋的設(shè)計(jì)使用壽命均在100年以上，而建設(shè)部于20世紀(jì)90年代組織了對(duì)國內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)工業(yè)建筑及露天構(gòu)筑物在使用25～30年后即需大修，處于有害介質(zhì)中的建筑物使用壽命僅15～20年。為了區(qū)別于傳統(tǒng)混凝土，高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高強(qiáng)度和高體積穩(wěn)定性等許多優(yōu)良特性，被認(rèn)為是目前全世界性能最為全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特別是在橋梁、高層建筑、海港建筑等工程中顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性，在工程安全使用期、經(jīng)濟(jì)合理性、環(huán)境條件的適應(yīng)性等方面產(chǎn)生了明顯的效益，因此被各國學(xué)者所接受，被認(rèn)為是今后混凝土技術(shù)的發(fā)展方向。
一、高性能混凝土產(chǎn)生的背景
1.現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的需要。各種超長、超高、超大型混凝土構(gòu)筑物，以及在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的重大混凝土結(jié)構(gòu)工程施工難度大，使用環(huán)境惡劣、維修困難，因此要求混凝土不但施工性能要好，盡量在澆筑時(shí)不產(chǎn)生缺陷，更要耐久性好，使用壽命長。
2.全世界都面臨早年用普通混凝土修建的橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施老化問題嚴(yán)重，需要投入巨額資金進(jìn)行維修或更新。
3.混凝土作為用量最大的人造材料，它的使用對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響巨大。傳統(tǒng)混凝土的原材料都來自天然資源，每用1t水泥，大概需要0.6t以上的潔凈水，2t砂、3t以上的石子;每生產(chǎn)1 t硅酸鹽水泥約需1.5 t石灰石和大量燃煤與電能，并排放1tCO2，而大氣中CO2濃度增加是造成地球溫室效應(yīng)的原因之一。為了滿足龐大的混凝土用量，過度開采礦石和砂、石骨料已在不少地方造成資源破壞并嚴(yán)重影響環(huán)境和天然景觀。再者，由于混凝土過早劣化，如何處置費(fèi)舊工程拆除后的混凝土垃圾也給環(huán)境帶來威脅。因此，未來的混凝土必須從根本上減少水泥用量，必須更多地利用各種工業(yè)廢渣作為其原材料;必須充分考慮廢棄混凝土的再生利用，未來的混凝土必須是高性能的，尤其是耐久的。耐久和高強(qiáng)都意味著節(jié)約資源。高性能混凝土正是在這種背景下產(chǎn)生的。
二、高性能混凝土的特性
與普通混凝土相比，高性能混凝土在組成與配合比方面有如下特點(diǎn):
1.使用礦物摻合料。高性能混凝土一般都含有礦物摻和料硅粉、粉煤灰或磨細(xì)礦渣，經(jīng)過國內(nèi)外大型橋梁中的實(shí)際應(yīng)用表明，其中以硅粉提高強(qiáng)度和耐久性的效果最顯著。硅粉為高活性、無定性SiO2微小顆粒，粒徑是水泥粒徑的1/100，可以填充在水泥顆粒之間，同事能將水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2轉(zhuǎn)化為CSH凝膠(即火山灰反應(yīng))，從而大幅度提高混凝土強(qiáng)度和降低混凝土滲透性。在非常惡劣環(huán)境中要求混凝土結(jié)構(gòu)具有長壽命，或混凝土強(qiáng)度等級(jí)在C80以上，硅粉是高性能混凝土的必要組成部分。優(yōu)質(zhì)粉煤灰具有物理減水作用，高細(xì)度礦渣具有增強(qiáng)作用。這兩種摻和料也都有火山灰反應(yīng)活性，能夠在一定程度上降低混凝土滲透性;但粉煤灰和礦渣會(huì)降低混凝土早期強(qiáng)度。同時(shí)摻加硅粉和優(yōu)質(zhì)粉煤灰或高強(qiáng)度礦渣，可以配置高強(qiáng)同時(shí)耐久的混凝土。目前這種水泥+硅粉+粉煤灰或礦渣的三組份膠結(jié)材的高性能混凝土正在獲得越來越多的應(yīng)用。
2.低水膠比。只有水膠比低，混凝土的孔隙率或滲透性才可能低，因此低水膠比是保證混凝土高耐久性于較高強(qiáng)度的前提條件之一。目前已形成共識(shí):水膠比低于0.45的混凝土，不可能在嚴(yán)酷環(huán)境中具有高耐久性，實(shí)際應(yīng)用的高性能混凝土水膠比常常介于0.25~0.40之間。
3.最大骨料粒徑小。高性能混凝土骨料的最大粒徑宜在10~20mm。有兩個(gè)原因，其一;最大粒徑較小，則骨料與水泥漿界面應(yīng)力差較小，一位應(yīng)力差可能引起裂縫;其二:較小骨料顆粒強(qiáng)度比大顆粒強(qiáng)度高，因?yàn)閹r石破碎時(shí)消除了內(nèi)部裂隙。
4.高效減水劑與水泥的相容性好。低水膠比和含有硅粉的高性能混凝土除必須使用高效減水劑以外，高效減水劑和水泥之間的相容性還必須好，這樣才能保證混凝土拌和物有良好的工作性。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用已基本了解出現(xiàn)相容性的原因是:高效減水劑與水泥的CaSO4均能與水泥水化速度最快的C3A反應(yīng)，如果水泥的石膏不能及時(shí)釋放硫酸根離子與C3A反應(yīng)，則大量高效減水劑就會(huì)被C3A所束縛，高效減水劑就不能發(fā)揮應(yīng)有的減水作用，即出現(xiàn)相容性問題。一般C3A含量高和使用硬石膏的水泥，容易出現(xiàn)與高效減水劑相容性不良的問題。
雖然高性能混凝土具有上述共性，但并不意味高性能混凝土?xí)袠?biāo)準(zhǔn)的組成或配合比，因?yàn)槊總�(gè)工程的原材料和對(duì)強(qiáng)度、耐久性的要求都不同，配合比使用中也會(huì)根據(jù)橋梁的實(shí)際需要使用不同類型的水泥、礦物摻和料和化學(xué)外加劑。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土大梁，配合比主要是以強(qiáng)度指標(biāo)為基礎(chǔ)，一般同時(shí)能夠獲得較高耐久性，因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土的滲透性較低。相反，現(xiàn)澆橋面板的高性能混凝土配合比則一般以耐久性為基礎(chǔ)，同時(shí)也規(guī)定了混凝土的最小抗壓強(qiáng)度。
三、高性能混凝土在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的問題
高性能混凝土的突出特點(diǎn)就是摻加礦物摻合料、降低水泥用量、低水膠比、摻用復(fù)合外加劑等。2000年的《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 041-2000)中，就已經(jīng)明確提出，水泥用量是指“水泥與礦物摻合料總量”，水灰比就是水膠比。在這之后的《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JTG/T B07-01-2006)中明確提出了各種環(huán)境下最小膠凝材料用量，與《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)中的水泥用量基本一致，如表2，同時(shí)提出最小水泥用量應(yīng)不低于240 kg/m3。作為施工人員在實(shí)際應(yīng)用中一定要認(rèn)真學(xué)習(xí)規(guī)范，靈活運(yùn)用規(guī)范，而不被規(guī)范束縛，和普通的混凝土應(yīng)用區(qū)別開來。
四、高性能混凝土在施工中需注意的問題
高性能混凝土的特點(diǎn)是低水膠比、高礦物摻和料、復(fù)摻外加劑，這與普通混凝土是不同的，這使得高性能混凝土在施工的質(zhì)量控制、養(yǎng)護(hù)措施都與普通混凝土不同。低水膠比決定于混凝土的粘性變大，在混凝土的運(yùn)輸、澆注、振搗工藝上必須嚴(yán)格控制，有的施工人員為方便施工而摻水，結(jié)果強(qiáng)度、耐久性大幅度下降;高礦物摻和料要求混凝土的養(yǎng)護(hù)必須到位，普通混凝土早期強(qiáng)度高水化快，對(duì)養(yǎng)護(hù)不是很敏感，但高性能混凝土則不同，高性能混凝土用水量低，易發(fā)生自身收縮而產(chǎn)生裂縫，所以澆筑搗實(shí)后，蓋上濕布或草簾進(jìn)行早期養(yǎng)護(hù)。保證水化反應(yīng)的正常進(jìn)行是保證高性能混凝土高性能的重要工藝措施，在混凝土澆筑完畢后12小時(shí)以內(nèi)，通過濕潤養(yǎng)護(hù)，使混凝土在良好的條件下進(jìn)行水化反應(yīng)。因?yàn)閾胶土系幕钚员人嘈〉枚�，�?duì)硅粉混凝土，要求潮濕養(yǎng)護(hù)14d，而粉煤灰混凝土則要養(yǎng)護(hù)21d才能達(dá)到預(yù)期效果，否則會(huì)發(fā)生表面掉面、耐磨性差等;復(fù)摻外加劑要求混凝土的拌合時(shí)間必須要長，外加劑的用量很小，若不保證拌合時(shí)間，根本分散不開，均勻性變差，致使外加劑不僅起不到作用，反而使混凝土表面質(zhì)量下降。
五、結(jié)束語
目前，在世界范圍內(nèi)，高性能混凝土的研究和應(yīng)用正在不斷創(chuàng)新發(fā)展，而由于高性能混凝土能有效的降低構(gòu)件的截面尺寸，降低造價(jià)，節(jié)省材料費(fèi)用，壽命期延長又能大幅度減少經(jīng)濟(jì)開支，因而高性能混凝土是今后橋梁建設(shè)中很有發(fā)展前途的優(yōu)質(zhì)材料。
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