桥梁课题1高性能混凝土施工技术研究Word格式文档下载.docx

1、高强混凝土动摇了钢结构在超高层建筑中的统治地位，现在世界上最高的房屋建筑已让位于钢筋混凝土结构，为位于马来西亚吉隆坡的城市中心，这一双塔大厦高450m，底层受压构件用C80高强混凝土。在钢筋混凝土房屋建筑中，其后张预应力楼层也用了C60-C70级的高强混凝土。在钢混凝土组合结构高层建筑中，强度等级用得最高的是美国西雅图的（ 双联广场），其3m直径的钢管混凝土柱中的混凝土强度等级相当于C130，采用这样高的强度等级是为了满足结构的刚度需要（要求混凝土的变形模量达到50GPa，而对混凝土的设计强度需要则仅为95MPa）。在桥梁结构中采用高性能混凝土可能具有更大的潜力，高性能混凝土能有效地降低桥梁结

2、构自重（大跨桥梁中，自重可占总荷载的60%）和提高结构刚度，有利于增大桥跨、减小桥墩，或者缩小结构的截面高度，增加桥下净空。但更为重要的还在于增加桥梁的使用寿命，降低平时的维修费用。对于许多工程尤其是基础设施工程来说，高性能混凝土的耐久性比其强度具有更重要的意义。我国在现代高性能混凝土的研究和应用上起步并不算晚。早在1980年前后，铁路部门就在铁道科学研究院系统研究的基础上，在湘桂铁路复线的红水河三跨斜拉桥预应力箱梁中用了大坍落度的高性能混凝土（实际强度超过C60级），这是我国第一个采用高强泵送混凝土的工程。近年来随着我国城市建设高潮的兴起，以及国家建设部将高性能混凝土作为八五期间重点推广新技

3、术的大力倡导，国内在高性能混凝土的应用上出现新的局面。据不完全统计，国内已建和在建的高度超过100m的超高层建筑中，应用高性能混凝土的已逾40座，辽宁物产大楼是迄今混凝土设计强度最高的一幢超高层建筑，用了C80现浇混凝土。目前上海和北京均能供应C80以上的商品预拌混凝土。上海建筑工程材料公司等单位研制开发的C80高性能混凝土，采用优质高效减水剂与超细矿粉复合的技术路线，于94年10月和95年7月分别在上海浦东的世界广场地下室工程和上海国际大厦主楼工程的第21层框架结构中成功完成C80商品混凝土泵送施工。北京城建集团总公司构件厂于95年11月在北京市财税大楼首层柱子施工中，选定4根柱子用C110

4、级商品预拌混凝土浇注成功（用525#水泥掺硅粉及优质高效减水剂配制，水胶比0.23，混凝土平均强度127.5MPa，变形模量54GPa）。二、应用高强混凝土的必然性及其不足之处由于高强混凝土应用于混凝土结构，能够大幅度提高工程结构或构件的承载能力，减小结构、构件的尺寸和自重，加速模板的周转并加快工程施工进度，能适应现代化工程结构向大跨、重载、高耸的需要。且高强混凝土在工程结构上的应用，其技术经济效果是十分显著的。高强混凝土已经成为现代混凝土技术发展的主要方向之一。其具有许多突出的优点和特性。主要表现在： 强度高、变形小，能适应现代工程结构向大跨、重载、高耸方向发展和承受恶劣环境条件的需要。 采

5、用高效减水剂配制的高强混凝土一般具有高工作性和早强性能，因而便于施工和加快模板周转速度。 抗压强度高，能使钢筋混凝土柱子和拱壳等受压构件的承载能力大幅度增加，而在相同的荷载下可使构件的截面减小。 混凝土耐久性优异。但是，从当前的混凝土技术水平来看，高强混凝土在工程上应用存在一些不足之处。同时也存在急需研究的几个方面，具体表现在以下几个方面： 收缩开裂由于高强混凝土的水灰比低，在水化凝结硬化初期，混凝土内部大量未水化的水泥吸收毛细管中的水份，开始水化，使毛细管脱水，甚至变成真空，使水泥浆体收缩（自收缩），当混凝土处于硬化早期时，抗拉强度很低，收缩力大于混凝土的抗拉强度，致使混凝土开裂。混凝土一旦

6、开裂则会降低其渗透性能和抗碳化性能，大大影响其耐久性。 延性大大降低高强混凝土的延性比普通混凝土差，素混凝土的延性随强度的增加而降低。资料表明，当普通混凝土的应变达到3时，其承载力仍然能保持一半以上，但若同样的应变值加于高强混凝土时，则实际承载力近于零。混凝土中由于湿度、温度梯度产生的应变，往往达到或超过3，在这种情况下，混凝土中会有裂纹产生。三、从高强混凝土到高耐久、高性能混凝土现代高强混凝土技术的开发，是以满足强度和工业化生产施工的需要作为追求目标的，其主要手段是依靠化学外加剂（特别是高效减水剂）和矿物掺合料（粉煤灰、磨细矿渣、硅粉等）来降低混凝土的用水量和改善混凝土的微观结构，使混凝土更

7、加致密并获得高强。但这种混凝土不仅高强，而且在许多方面具有优良特性。高强混凝土在很多场合得到应用，并不仅是为了强度的需要。譬如美国双联广场采用130MPa高强混凝土只是出于增加结构水平刚度的需要，挪威用160MPa高强混凝土修筑道路则是为了对付冬季带钉防滑轮胎造成的路面磨损。高强混凝土几乎不透水，而混凝土遭受环境侵蚀几乎都离不开以水为载体，加上高强混凝土中矿物掺合料多有抑制混凝土内部发生有害化学反应的作用，所有现代高强混凝土有独特的耐久性能。显然，“高强”混凝土的提法不足以概括这种混凝土的综合特性及其功能，它应被称为“高性能”混凝土。从高强混凝土到高性能混凝土是混凝土技术水平的一个质的转变。现

8、代高强混凝土是高性能混凝土，这一点比较清楚。但高性能混凝土是否必须高强这就有不同的看法。自高性能混凝土概念的出现至今也只有10余年,不同国家不同学者依照各自的认识实践、应用范围和目的要求的差异，对高性能混凝土的定义和解释也不尽相同。不少人认为，高性能混凝土也应该是高强混凝土，或者更确切的如美国学者Mehta提出的，高性能混凝土应具有高强度（60MPa以上）、高工作度（流态、可泵）、高体积稳定性（硬化过程中不开裂、收缩徐变小）和高抗渗性（耐久）。1992年法国Malier Y. A.认为，高性能混凝土也提出与此相似的强度要求，其特点在于有良好的工作性、高的强度和早期强度、工程经济性高和耐久性好，

9、并将强度超过100MPa并具有良好工作度和其它优良特性的混凝土称为高性能混凝土，而1990年5月，美国国家标准与技术研究所（NIST）和美国混凝土协会（ACI）主办的讨论会上，高性能混凝土被定义为具有所要求的性质和均匀性的混凝土，靠采用传统的组分和施工方法（一般的搅拌、浇注和养护方法）是不可能制备出这种混凝土的。HPC所具有的性质包括：易于浇注、密实而不离析的工作性；高的并且能够长期保持的力学性能；高早期强度；高韧性；高体积稳定性；在严酷的环境中具有长久的寿命。三年后，加拿大学者Aitcin又阐述了HPC与高强混凝土的不同，指出，高强混凝土就是强度高的混凝土。这正如Birchall和Kelly

10、能够制造含聚醋酸乙烯酯的超高强水泥基材料制品，但这种材料的耐湿性和耐久性不能令人满意；同样Roy和Gouda通过加压技术在试验室制备出470MPa的水泥砂浆，但这种材料根本没有办法进行现场浇注，仅强调强度并不是高性能混凝土特征。高性能混凝土在实际应用中，许多情况下强调的不是抗压强度，而是要求其它方面的性能。例如，高弹性模量，高密实度，低渗透性或对某种侵蚀破坏的抵抗能力。1992年日本的学者等认为：高性能混凝土应具有高工作性（高的流动性、粘聚性与可浇筑性），低温升、低干缩率、高抗渗性和足够的强度。在我国，吴中伟则概括地认为，高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上

11、采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。针对不同用途要求，高性能混凝土对下列性能有重点地予以保证：耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性。蒲心诚认为，高性能混凝土应具有大流动性，高强度，高耐久性。高性能混凝土的定义并不是绝对不变的，而是必须与一定历史阶段和工程实际相适应的。这更能反映高性能混凝土的发展趋势。这种重点从非常高的强度转向在特定环境条件下所需要的其它性能，反映出高性能混凝土观念上的根本改变。然而，无论高性能混凝土的定义如何，有一点是值得肯定的：高性能混凝土是近代混凝土技术发展的结果。相应于不同的应用领域，高性能混凝土发展方向与性能侧重点不尽相同。高耐久

12、、高性能化仍是高性能混凝土的主要发展方向之一。2、本课题的研究背景与目标国内有关调查结果表明，由于以前重视不够，我国混凝土结构建筑物因耐久性问题过早破坏造成的损失和危害，难以估计且不容乐观。建国初期的建筑均已达到大修的状态：按现行设计的大多数建筑达不到安全、经济使用50年的要求，一般使用2530年就需大修。的确，对混凝土耐久性的认识确实经历了一个曲折的过程，这是因为耐久性的检验需要有很长的年限。直到上述类似事故不断出现，人们才觉悟到混凝土并不像原来设想的那样耐久。由于硅酸盐水泥的活性不断提高，水泥用量也随着混凝土强度等级提高而增加，再加上追求早强效果，养护不足，许多水泥混凝土专家认为，今天的混

13、凝土与几十年前相比，强度是提高了，可是耐久性更差了，愈早强的混凝土，后期性能却愈差。于是人们认识到，在进行结构设计时，特别是在关系到国计民生的重大工程设计时，对使用材料的耐久性应像力学性质一样加以高度重视。我国目前正处于大规模的基本建设阶段，虽然规模化建设时间不长，但混凝土耐久性破坏的问题已经出现。高速铁路混凝土将结构与装饰功能合二为一，混凝土表面不再做保护层而将结构混凝土本身直接裸露于空气中，受到日晒、风、霜、雨、雪的侵蚀和其他化学腐蚀。因此，对混凝土的稳定性和外观耐久性就提出了更严格的要求。高速铁路混凝土外观耐久性是否满足设计使用年限的要求，也是整个高速铁路混凝土设计成功与否的重要体现。高

14、速铁路用混凝土的耐久性还具有明确的经济意义，采用外观耐久性好的混凝土材料配合比及模板材料，虽然会使混凝土建筑物的成本费用及施工难度有一定幅度的加大，但因其使用寿命延长，建筑物有效使用年限大大延长，降低了维护费用，最终使建筑物的总体费用大大降低，有效利用率显著提高，综合收益明显增大，从而得到显著的经济效益。本课题主要研究目标为：如何运用先进的施工技术，确保武广客运专线高性能混凝土结构耐久性达到100年。3、高性能混凝土配合比设计原则根据混凝土受力过程及混凝土强度理论。混凝土强度主要受混凝土中水泥石的密实度决定的，即无论是水灰比强度公式、Powers的胶空比理论，还是葛里非斯的脆性材料断裂理论都是

15、以混凝土中水泥石为研究对象，都是从不同的角度研究混凝土的密实度对混凝土强度的影响。配制高强混凝土的技术途径很多，例如：采用化学外加剂、超细矿粉、机械压实、纤维增强、聚合物增强及蒸压养护等措施。实现高强混凝土的手段，一般认为是由胶凝材料本身的高强化，增强胶凝材料与集料的界面粘结力及选择最佳集料三要素组成。在高耐久混凝土配合比设计中主要考虑的影响因素有：1） 工作性。良好的工作性是使混凝土质量均匀、获得高性能且安全可靠的前提。没有良好的工作性就不可能有良好的耐久性。高性能混凝土拌和物具有高流动性、可泵性。同时，拌和物还应具有体积稳定、不离析、不泌水等特性。为了保证施工的质量，配制时还要考虑减小流动

16、性损失。影响高性能混凝土拌和物工作性的因素主要有水泥砂浆用量（包括水胶比、胶凝材料用量以及砂率）、集料级配、减水剂品种及用量等；2） 强度。影响强度的主要因素有水胶比和矿物细掺料的用量等。受界面的影响，粗集料粒径、砂率和浆体数量也会对强度有一定的影响；3） 耐久性。高性能混凝土配制的最终目标主要是优良的耐久性，而用于承重结构，则同时强度应满足不同构件的要求。因为大多数造成混凝土劣化的（物理的或化学的）侵蚀都是有害介质通过水的渗入而发生的，所以低渗透性是混凝土的第一道防线。影响混凝土渗透性的主要因素是混凝土的内部结构。因此，配制混凝土时，影响耐久性的因素是拌和物的均匀性、稳定性，以及硬化混凝土的

17、密实度、中心质网络的形成、界面结构、尺寸稳定性和所用原材料的品质等。根据项目的前期研究，认为，对高速铁路用高耐久混凝土的配制基本原则是是通过降低水胶比、强化水泥石与集料的界面、改善水泥水化产物、降低孔隙率、提高密实度来实现高耐久、高强度、高性能。高耐久的混凝土配合比设计的基本原则是：1、掺入高效减水剂在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减小水灰比，使混凝土的总孔率，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。许多研究表明：当水灰比降低到0.38以下时，消除毛细管孔隙的目标便可以实现。研究与应用的实践表明：大掺量高效减水剂时混凝土在水胶比很低的条件下，仍能具有较大的流动性，可以成型密实，生产

18、强度与耐久性良好的高强与高性能混凝土。配制高强混凝土时，高效减水剂的掺量通常要接近或等于其饱和掺量。超塑化剂应通过试验，根据与水泥（胶凝材料）的适应性，在萘系和多羧酸系的超塑化剂中选择，必要时复配其他成分，以保证混凝土拌和物大流动度、低坍落度损失等性能。掺量按固体计，为胶凝材料用量的0.5%-2.0%。2、入高效活性矿物掺合料掺入活性矿物掺合料的目的在于改善混凝土中水泥石的胶凝物质的组成，活性矿物掺合料（硅灰、矿渣、粉煤灰等）中含有大量活性氧化硅及活性氧化铝，它们能和波特兰水泥水化过程中所产生的游离石灰及高碱性水化硅酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱性水化硅酸钙，从而达到改善水化

19、凝胶物质的组成并消除游离石灰的目的。3、耐久混凝土的配合比参数的优化高耐久混凝土的配合比参数主要有水胶比、水胶比确定下的浆集比（一定水胶比下的胶凝材料总用量或用水量）、水胶比和浆集比确定下的砂石比（反映一定浆集比下的砂率或粗骨料体积）和超塑化剂用量。这些参数不是孤立地影响混凝土的个别性能，而是相互制约的。如为了保证高流动性就要用较大的浆集比和砂率。高耐久混凝土配合比设计的任务是正确地选择原材料和配合比参数，使其中的矛盾得到统一，获得保证高耐久性的混凝土。 水胶比高强混凝土的强度与水胶比倒数之间的关系仍然近似线性，但是斜率变小。水胶比越低，混凝土强度越高。在用水量一定的情况下，水胶比反映的是胶凝

20、材料用量以及其组合。对高强混凝土来说，矿物掺合料对强度的贡献是不可替代的。水胶比是混凝土配合比设计的关键，对高耐久混凝土，水胶比应根据混凝土的工作性与强度的要求来确定。 浆集比根据简化的模型来看，混凝土是一种两相材料，即由水泥浆和骨料复合的材料。水泥浆体是骨料的胶结材，而骨料是非连续相。可以说，混凝土的渗透性，强度，工作性，尺寸稳定性和混凝土的其他性能取决于胶结材/骨料之比和两相材料各自的质量。水胶比确定下，胶凝材料用量就反映了水泥浆体和集料的比例，即浆集比。浆集比主要影响混凝土的工作性，因而也影响混凝土耐久性，在一定程度上还影响强度、弹性模量和干缩率。高耐久混凝土特点是流动性大、强度高、水胶

21、比小，为保证混凝土具有足够的流动性，就要求有较大的胶凝材料用量。随着浆集比的增大，混凝土的弹性模量会有所下降，混凝土的收缩也会有所增加。从耐久性角度来看，必须有足够的浆体浓度和数量，得到良好的工作性，才能保证混凝土的耐久性。 砂率在水泥浆量一定的情况下，砂率对混凝土的主要影响是工作性。HFS-HPC由于用水量很小，砂浆量要由增加砂率来补充，砂率宜较大。据日本资料介绍，平均坍落度每提高20mm，砂率应增加1%，而强度并无明显变化。砂率的大小与砂的粗细、级配和石子的粒径、级配有关。当砂子的细度模数大而石子最大粒径小时，应减小石子用量。砂率的选择可用砂浆富裕系数来计算。计算的原则是用砂浆填充石子空隙

22、并保证一定的富裕量。与普通混凝土相比，HPC的配合比特点是：低水胶比，胶凝材料用量大，浆集比大，砂率大，粗集料量小。根据以上应用的高耐久混凝土的配合比设计原则，可以首先采用砂浆进行力学性能优化试验，采用水泥浆体进行流动性试验与流动度损失试验，提出如下的混凝土配合比具体设计步骤使混凝土获得预期的高耐久、高流动度、高强等性能。4、高性能混凝土施工1、原材料选用要求 水泥采用品质稳定、强度等级不低于42.5级的低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥（掺合料仅为粉煤灰或磨细矿碴），禁止使用其它品种水泥。品质应符合GB175-1999规定：水泥的比表面积不宜超过350m2/kg，碱含量不应超过0.60%，游

23、离氧化钙含量不应超过1.5%，水泥熟料中C3A的含量不宜超过8%（强腐蚀环境下不应大于5%），C4AF含量小于7%、C3S、C2S含量宜在40%45%之间的水泥。 粗骨料选用质地坚硬、级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等球形、吸水率低、空隙率小的碎石，压碎指标不应大于10%，母岩立方体抗压强度与梁体混凝土设计强度之比应大于2，含泥量小于0.5%，针、片状颗粒含量不大于5%，颗粒尽量接近等径状。 粗骨料粒径宜为520mm，且分两级储存、运输、计量，510mm颗粒质量占（405）%，1020mm颗粒质量占（605）%。 选用粗骨料无碱活性（因条件所限不得不采用碱硅酸反应砂浆棒膨胀率为0.100.20

24、%的活性骨料时，由各种原材料带入混凝土中的总碱量不应超过3.0kg/m3）。 细骨料 细骨料应选择级配合理、质地均匀坚固的天然中粗砂（不宜使用机制砂和山砂，严禁使用海砂），细度模数2.63.0。 严格控制云母和泥土的含量，砂的含泥量应不大于1.5%，泥块含量应不大于0.1%。 选用无碱活性砂（因条件所限不得不采用碱硅酸反应砂浆棒膨胀率为0.100.20%的活性骨料时，由各种原材料带入混凝土中的总碱量不应超过3.0kg/m3）。矿物掺和料适当掺用优质级粉煤灰、磨细矿渣、微硅粉等矿物掺和料或复合矿物掺和料，级粉煤灰和磨细矿渣粉分别应符合GB1596和GB/T18046的规定，级粉煤灰需水量比不应大

25、于100%，磨细矿渣比表面积应大于450m2/kg。矿物掺和料掺量不超过水泥用量的30%，粉煤灰与磨细矿渣复合使用时，两者之比为1：1。 专用复合外加剂 采用具有高效减水、适当引气、能细化混凝土孔结构、能明显改善或提高混凝土耐久性能的专用复合外加剂，尽量降低拌合水用量，专用复合外加剂必须满足专用复合外加剂的规定。拌合及养护用水用水采用饮用水，并且应符合国家现行混凝土拌合用水标准（JGJ63）的要求。2、高性能混凝土施工工艺控制及要求1 高性能混凝土拌合 混凝土的拌合采用两套配有一个砂斗，两个石料斗、四个胶凝材料罐的全自动计量强制式混凝土搅拌站进行。 各种计量装置经法定计量部门定期鉴定,并在每次

26、开盘前，均应进行校核。原材料称量的允许偏差：细、粗集料为2%；其它为1%（均以质量计）。 混凝土的拌合时间：2-3min。 混凝土拌合物入模前进行含气量测试，并控制在24%高性能混凝土输送 高性能混凝土采用混凝土输送泵输送。泵送混凝土应连续进行，输送时间间隔不大于45min，且坍落度损失不大于10%。 当混凝土坍落度较低时，不准在料斗内加水搅拌。 输送泵接料斗格网上不得堆满混凝土，要控制供料流量，及时清除超径的骨料及异物。 冬季施工时宜用保温材料包扎输送管防止混凝土受冻。 夏季高温施工时宜用湿草袋等覆盖输送管，防止因输送管道温度过高造成高性能混凝土坍落度损失过大影响施工，直至造成混凝土堵管。高

27、性能混凝土浇筑混凝土的浇筑方法采用混凝土拖式输送泵浇筑。混凝土浇注时的自由倾落高度不得大于2m；混凝土的一次摊铺厚度不宜大于400mm。混凝土的入模温度为530，夏季气温较高时采用冷却水拌合混凝土，使其入模温度符合要求。模板的温度为535，夏季气温较高时采用冷却水喷洒模板，并采取遮荫措施。桥面施工时尽量减少暴露的工作面，每段浇筑完成后立即抹平进入养护程序。泵送混凝土施工工艺按照JG/T3064混凝土泵送施工技术规程执行。为确保混凝土结构保护层的厚度符合设计要求，本工程所有混凝土结构均采用定制保护层定位夹（块），其尺寸及形状符合设计要求，布置原则为4个/m2，呈梅花形布置，固定牢固。混凝土结构保

28、护层的厚度允许偏差为5mm，并采用钢筋保护层厚度检测仪进行检测。每次浇筑混凝土采取两台输送泵同时进行，浇筑时间控制在6h内，保证混凝土在达到初凝时间之前浇筑完成。混凝土的浇筑应尽量选择在一天中气温适宜时进行，并应连续进行，一次浇筑完毕。混凝土的浇筑顺序应严格按照设计要求进行，预制箱梁采取斜向分段、水平分层、对称连续浇注的方式进行。浇筑时，先浇筑腹板下部混凝土，然后浇筑底板混凝土，再浇注腹板上部混凝土，最后浇筑顶板混凝土。高性能混凝土振捣所有混凝土一经灌注，立即进行全面的捣实，使之形成密实、均匀的整体。混凝土的密实采用高频插入式振捣棒和附着式振动器联合振捣的方式进行。混凝土振捣采用操作台统一控制，操作台由专人负责，统一指挥，严格控制振动时间及振动顺序。混凝土养护控制控制混凝土的各种温度主要是为了防止温差过大引起混凝土产生裂缝。混凝土养护要注意湿度和温度两个方面。养护不仅是浇水保湿，还要注意控制混凝土的温度变化。在湿养护的同时，应该保证混凝土表面温度与内部温度和所接