高强与高性能混凝土20用于桥面板的高性能混凝土.docx

1、高强与高性能混凝土20用于桥面板的高性能混凝土高性能混凝土桥面板 -导论和总结由James A.Moore撰写桥梁是国家运输网络中的极为重要的环节。由于严酷环境和重复荷载的影响，混凝土桥面板需要不断进行昂贵的修复，这给公共交通带来了很大麻烦。为了尽量提高和延长桥的使用寿命，联邦公路局（FHWA）在1993年开始启动一项全国性的项目，以促进高性能混凝土（HPC）在桥梁上的使用。1996年，在一份达到最新技术发展水平的报告中，Zia将HPC广泛地定义为“任何满足为克服普通混凝土局限性提出的准则的混凝土”。这种品质提高了的混凝土用于结构中时可望能提供更好的耐久性与强度。为了继续在桥梁中应用HPC的工

2、作，美国国家道路与交通公务员协会（AASHTO）下属的道路战略研究项目（SHRP）的专题研究组与FHWA和交通研究委员会通力协作，在1996年成立了一个HPC试验州小组以协调工作，HPC试验州小组的任务是促进实现HPC技术在公路及公路结构中的应用并和其余的州及其客户共享知识、利益和挑战。与这个任务报告书相一致的，HPC试验州小组的4个成员内不拉斯加州（Nebraska）、新罕布什尔州（N.H.）、德克萨斯州（Texas）和弗吉尼亚州（Virginia）将会共同分享他们在HPC桥面板上的经验。这些州拥有的桥梁处于不同的气候条件、交通荷载和流量中。另外，它们分布的地区具有不同的当地可用材料和建造方

3、法。这些因素是采用不同方法建造HPC桥时所必须考虑的。弗吉尼亚的HPC桥面板 -Celik Ozyildirim暴露在自然环境中的混凝土的耐久性很大程度上取决于它抵抗水及其腐蚀性组分侵蚀的能力。在钢筋混凝土中有4种主要的环境破坏：钢筋锈蚀、碱骨料反应、冻融破坏以及硫酸盐侵蚀。发生钢筋锈蚀是最普遍的。在所有情况下，水或溶液的渗透引起或加速混凝土的破坏，必然导致昂贵的修补。具有低渗透性的引气混凝土被用来抵御有害物质的渗透，当暴露在环境中时又能提供必需的耐久性。低渗透性混凝土在严酷环境下要比普通波特兰水泥混凝土的性能好，因此可以被划归为高性能混凝土（HPC）。渗透性为了测定混凝土的渗透性，弗吉尼亚交

4、通局（VDOT）采用了两个标准试验。一个是AASHTO T259中所述的“混凝土抗氯离子渗透性”浸泡试验。在这个试验中，桥面板被浸泡在氯化钠溶液池中90天，然后测量混凝土不同深度的氯离子含量。但是使要混凝土产生明显区别需要更长的浸泡时间，一年或者还要长。另一个试验是AASHTO T 277或ASTM C1202中所述的“混凝土抵御氯离子渗透的电性能指标”快速渗透性试验。在这个试验中，测出60V直流电压加在一个厚为50mm（2 in）、直径为100mm（4 in）的饱和试件上6小时所通过的电量（以库仑为单位），低电量值说明试件对溶液的侵蚀有较高的抵抗力。这个间接的试验较好提供了一个表示渗透性的指

5、标。两个试验都可以用于区分具有不同抵御有害溶液渗透能力的混凝土。例如使用乳液、火山灰材料（F级粉煤灰或硅粉）或者矿渣的混凝土，它的抗氯离子渗透的能力提高。这些混凝土在28天时通过的电量从很低到高分布，但是都随着时间的延长而减小到一个低的或非常低的水平。用于桥面板的低渗透性混凝土是通过采用低水灰比（0.45或更低）和掺用火山灰材料（粉煤灰或硅粉）或矿渣而实现的。从1992年起，VDOT就在不加入火山灰材料或矿渣时要求碱含量在0.4%（最近改为0.45%）以下，以防止碱硅反应（ASR）的发生。如果掺用火山灰材料或者矿渣，碱含量可放宽到1.0% 。由于弗吉尼亚所用的大量水泥中碱含量在0.45%以上，

6、因此VDOT通常掺用火山灰材料。VDOT正在试验一种低渗透性的新规范来延长交通设施的使用寿命，这个规范包括使用快速测试方法评价渗透性的要求加上关于强度和新拌混凝土性能要求。VDOT的低渗透性规范VDOT建议的低渗透性特别规定要求需要测试28天的试件，这些试件先在室温下养护一周后，再在38（100）温度下养护3周。由于高温作用，28天所测得的电量与在23（73）条件下养护6个月的试件近似相同5。特殊规定要求：所测电量值对于预应力混凝土不得大于1500库仑，对桥面板不得大于2500库仑，对基础不得大于3000库仑。需要进行一批试验来确认规范中的限制已实现。对每一组用于抗压强度试验的圆柱体试件，另外

7、需要两个圆柱体试件来测试渗透性。如果未达到渗透性要求，相应的处罚和弥补措施也在规范中有所规定。新规范同时对保证混凝土质量的建造实践做出了规定。对桥面板和表层，要求至少有7天湿养并且强度达到28天最小设计抗压强度的70% 。要通过喷雾以防止混凝土表面迅速干燥，直到此后用湿麻布和塑料薄膜覆盖为止。除了使用乳液者外，湿养后的试件需要使用养护剂。这里要强调（使用）正确的捣实方法。在桥面板浇筑中，规定要求使用震捣棒和平板震捣器。其中，震捣棒的最小震捣频率为8000转/分钟；平板震捣器的最小震捣频率为3000转/分钟。现场应用19951997年的施工期，VDOT建造了七座高性能混凝土桥，如表1-1中所示6

8、，其中的五座桥采用了新的低渗透规范。所有的桥全部完工，而且六座已经开放交通。剩下的Rte.250桥是一个道路拓宽项目的一部分，将在新路完工后通车。其中有两座桥都掺用了矿渣作为火山灰材料，描述如下：在Rte.40桥中：基础混凝土的水胶比为0.44，掺有40的矿渣；桥面板混凝土的水胶比为0.40，并掺有50的矿渣。配合比在表1-2中给出。除了水胶比（W/C）较低外，该配合比是1992年后所建桥梁的普通混凝土用典型配比。具有代表性、按规定混凝土的最大水胶比，对于基础应为0.49，对于桥面板则为0.45。然而，由于低渗透性的特别规定，对于基础和桥面板混凝土的最大水胶比均为0.45。对桥面板选择较小的水

9、胶比，是为了保证满足通过电量的规定。表11 ：弗吉尼亚州的HPC桥*桥面板渗透性要求最大电量值为2500库仑，对于基础则为3500库仑。特别是要根据规范中的价格调整条款。桥长度（m）跨距（m）梁强度要求（MPa）桥面板强度要求（MPa）是否要求低渗透性？*Rte.4097.524.45528是Rte.629365.830.55528否Telegraph Rd.55.527.7钢28是Rte.10654.429.65528否Rte.25016.216.24828是Second St.27.127.14828是Virginia Ave.44.522.36941是表12 混凝土配合比Rte.40桥T

10、eligraph Road桥材料基础(Kg/m3)桥面板(Kg/m3)基础(Kg/m3)桥面板(Kg/m3)波特兰水泥209195174195矿渣139195174195粗骨料1052105210601060细骨料747696716687水胶比0.440.400.450.38基础的含气量要求为（6+_2）%，桥面板则为（6.5+_1.5）%混凝土的28天平均抗压强度，对于基础为40.9MPa，对于桥面板为60.1MPa。这些值都远远高于规范中最小28天抗压强度值，基础混凝土21MPa和桥面板混凝土28 MPa。后三周在38条件下养护的混凝土的28天平均通过电量：基础部位为1109库仑，而桥面板

11、上为898库仑。水胶比为0.44的基础混凝土可以满足桥面板混凝土的强度和渗透性要求。建设中的Rte.40桥如图1所示。按照规定要求，使用了震捣棒和平板震捣器。为了养护，混凝土按照规定覆盖了湿麻布和塑料薄膜。在Telegraph Road桥中，混凝土的水胶比，对于基础部分为0.45，对于桥面板上则为0.38，并且两者都掺用了50的矿渣。具体配合比在表2中给出。基础混凝土的28天平均抗压强度为44.4MPa，桥面板上混凝土的28天平均抗压强度为46.1MPa。基础混凝土的平均通过电量值为2147库仑，桥面板混凝土则为983库仑。同样，水胶比为0.45的基础混凝土亦满足桥面板混凝土的要求。结论实验室

12、和现场的研究都表明，在火山灰材料或者矿渣的掺入时，采用0.45或更低水胶比的传统桥面板混凝土满足VDOT的关于电量值的规定。另外，需要进行适当的建筑实践来生产出质量良好的混凝土构件。（混凝土）快速渗透试验方法得到了较为满意的结果，并应用于混凝土验收规范中。高性能混凝土（HPC）在新罕布什尔州一座桥中的应用-Christopher M.Waszczuk和Michelle L.Juliano这座高性能混凝土（HPC）桥坐落在新罕布什尔州的布里斯托尔(Bristol)，跨过Newfound桥并连接104国道。该桥是一座20米单跨结构桥，宽度为17.5米，设计有三条机动车车道和一条人行道。上部结构包括

13、一个现浇的桥面板，并与五根预应力AASHTO型梁结合在一起。梁按中心间距3.8米布置。引桥面板在最后阶段完成。桥面板和引桥面板都采用素混凝土作为最终通行路面。和新罕布什尔州交通局（NHDOT）所有桥梁一样，这座桥按照标准AASHTO MS22(HS25)卡车荷载规定设计。梁混凝土的28天强度规定为55MPa，并可放宽至45MPa。直径为13mm的低松弛钢索每隔51mm被放置。桥面板混凝土要求28天强度为41MPa，钢筋要求用环氧树脂包裹。引桥面板也要求用41MPa混凝土，然而为了将来作对比，所用钢筋没有用环氧包裹。按照AASHTO的公用设施得荷载设计方法，钢筋混凝土板设计为230mm厚，以为宽

14、梁提供空间，并使得混凝土保护层（厚度）增加。增加的保护层是用来保护上部钢筋；与 N.H (新罕布什尔州) 65mm相比，厚度为75mm，这是根据没有磨耗层并考虑到表面抗滑构造深度做出的规定。混凝土配合比新罕布什尔州大学（UNH）先提供了一个设计高性能混凝土桥面板的建议。在对3种不同配合比进行现场和实验室评价的基础上，最终确定了一种配合比。对这三种配合比的要求是：设计强度41MPa；28天圆柱体强度为50MPa；56天最大氯离子渗透试验值为1000库仑。代表每种配合比的实验板被安装在位于Rochester的新罕布什尔州大学的桥面板的测试装置上。这些桥面板在冬季承受6个月的重型卡车交通量（记录重量

15、达到65吨）。在这些条件下，表现出最好性能的配合比被选中用于桥面板。桥面板施工混凝土生产商采用多组试验优化桥面板配合比。一旦配合比被NHDOT批准，在浇筑桥面板混凝土之前，试铺了一块3.8立方米的板，用于模拟实际的施工和养护环境。然后对配比又做了一些小的调整：多加了一些高效减水剂以获得所期望的工作度；同时纠正了一个影响生产商计算配合比中用水量的计算机的干扰因素。HPC桥面板混凝土配合比的标准在表2-1中列出（N.H的AA级桥面板混凝土的标准也同时列出），实际被批准的配合比设计在表2-2中列出。这种HPC的配合比与N.H的标准AA级配合比相比，只是多了要求总胶凝材料中掺有7.5%的硅粉而已。此外

16、，规定28天圆柱体强度要高于50MPa，氯离子渗透性实验值要小于1000库仑。由于与NHDOT的有关用保护膜和沥青层保护混凝土桥面板的标准实践有偏差，所以必须要加入阻锈剂。表21 混凝土规范HPC配比标准配比水泥型型或IP型硅粉7.5W/C0.38（最大）0.38（最大）含气量695828天圆柱体强度，fcr50MPa30MPa氯离子渗透性1000库仑（最大）阻锈剂20升/米3养护工艺湿棉垫养护4天湿麻袋养护3天桥面板按照标准桥面板的施工技术修建。为了更容易浇筑，采用了泵送工艺。为了限制含气量损失和防止混凝土出现自由下落，软管的尾部在泵送过程中一直水平放置。一台自动抹面机用来整平混凝土表面，在

17、整平板后面加了一个抹面板和一个湿麻袋拖曳，这样同时完成整平和表面修饰。每当一块桥面板处理完毕，15分钟内要盖上干棉垫（麻袋中缝入棉花作填充材料），然后洒水使其湿润。养护包括维持湿棉垫覆盖混凝土表面4天。在抹面完成后必须立即把混凝土表面覆盖，以防止混凝土表面的水分损失，否则会使混凝土产生塑性收缩而可能导致开裂。水泥Ciment Quebec-SF（约8硅粉）300Kg细骨料砂540Kg粗骨料67号石子（19mm）823Kg水114升115Kg引气剂Daravair-1000150 mL减水剂WRDA w/hycol600mL*高效减水剂Daracent-1004.7升阻蚀剂DCI-S15升W/C

18、0.384表22 桥面板混凝土配合比 *在现场加入表桥面板混凝土的实验结果实验项目目标结果实验方法塌落度125180mm125180mmAASHTO T119单位重量65.3-66.7kgAASHTO T121含气量6-9%4.0-5.8%AASHTO T152W/C0.380.39#28d圆柱体抗压强度50Mpa56.3-66.3MpaAASHTO T22弹性模量，30.6GPa30.6GPaASTM C 469氯离子渗透性1000库仑609896库仑AASHTO T271冻融耐久性80%9699%AASHTO T161*剥蚀01ASTM C 672*实验结果由新罕布什尔州大学的研究生Che

19、ryl Wilson测得。结果来自新罕布什尔州交通局（NHDOT）的微波炉干燥实验。基于混凝土浇筑时环境的水分蒸发速率的要求必须严格把握。如果蒸发速率超过0.5kg/m2/hr或者环境温度超过29，混凝土就不能浇筑。一旦混凝土的强度足够，在硬化的混凝土抹面上，每隔40mm横向锯割出宽约3mm，深约6mm的凹槽。由于过桥时的车速低，所以没有采用减少噪音的随机分布的凹槽。在桥面板浇筑过程中，为保持规定的含气量和一致的坍落度，遇到了一些困难。为了获得预期的混凝土工作性，在现场使用了比试浇筑时的高效减水剂剂量大。混凝土在运往现场过程中，抗腐蚀剂和其他外加剂的反应也许是导致混凝土含气量和塌落度变化的原因

20、。不管怎样，28天平均圆柱体强度很好的超过了50Mpa的要求，并且对桥面板钻芯取样进行56天快速氯离子渗透性实验，其结果也非常好。即使含气量低于规范要求，对棱柱体试件做冻融耐久性实验达到300次循环后仍然得到了很好的结果。NHDOT的桥面板混凝土实验结果及目标值和实验方法在表2-3中列出。总结作为项目的一部分，新罕布什尔州大学（UNH）对3种配比进行了现场和实验室测试。性能最好的一个配比最终被选为高性能混凝土(HPC)桥面板规范的基础。最终的产品（性能）超出了预计。在几次由研究人员、施工人员和设计人员共同主持的验收中，没有在桥面板顶部表面发现可见裂缝。混凝土28天强度超过了规范要求。但是，需要

21、指出的是混凝土的弹性模量低于预期值。冻融耐久性、氯离子渗透性、抗剥落实验都表现出优异的性能。基于以上结果，混凝土桥面板有极好的抵抗氯离子渗透和抗冻融破坏能力，将会提供长久的使用寿命。德克萨斯州的高性能混凝土桥面板 -Mary Lou Ralls在德克萨斯州，由联邦公路局（FHWA）和德克萨斯州交通局（TXDOT）资助并与位于Austin的德克萨斯州大学（UT）交通研究中心合作的项目中，已经建造了两座高性能混凝土跨线桥。利用从这两个项目所获得的知识，德克萨斯州大学的研究者与德克萨斯州交通局的人员制定了关于桥梁板和基础混凝土的耐久性规范。一些使用普通强度高性能混凝土的桥梁建筑合同已经纳入了新的耐久

22、性规范，更多的正在计划中。随着研究和应用的继续，耐久性规范将不断更新。桥梁细节位于休斯敦西北的249国道上的Louetta公路跨线桥，包括两座相邻的三跨桥。HPC被用于桥梁的面板、预制U型梁和预制的后张基础结构中。跨越North Concho河的67号桥、在San Angelo市的South Orient铁路和87号桥，包含有两座相邻的多跨桥。HPC被用于Eastbound桥8个跨的桥面板、AASHTO型桥梁桁架和基础结构中，以及9跨的Westbound桥15跨的桥面板上。以上两个项目中的上部结构均为单跨设计，桥面板用构造或者控制铰固定在支承上，每块板跨过23个支承。这些桥面板由预制的预应力混

23、凝土桥面板下层和现浇的混凝土面层复合组成。表3-1列出这些桥的尺寸和设计抗压强度。LouettaSan Angelo尺寸NorthboundSouthboundEastboundWestbound跨的长度，m37.041.319.447.911.242.8桥面板横向净跨长度，m1.0-1.60.8-2.71.5-2.831.1-2.0板的厚度,mm现浇预制板总的厚度959018529010011902抗压强度，MPa28天CIP桥面板放松的面板28天的面板27.6141.455.255.241.455.241.427.6141.427.6127.6134.51表31 桥梁的尺寸和设计抗压强度1

24、德克萨斯州标准；2德克萨斯州标准中名义上最小值为200mm；3梁间隔最大为3.35m；在德克萨斯州，使用标准预制混凝土板的典型梁间距为米。现浇HPC桥面板配比的优化本文主要基于以下原因，将重点论述现浇HPC，同时涉及预制预应力下部桥面板的一些细节。1）现浇混凝土是行车路面；2）它是在现场浇筑而不是在预制工厂的可控制条件下进行；3）它是钢筋混凝土，而面板是预应力（预压）混凝土。从HPC桥梁的成本经济性出发，只要可能，都强调使用当地原材料并采用通常的施工方法。各项目附近的预拌混凝土厂所用当地原材料，被运到位于Austin的德克萨斯州大学建筑材料研究组实验室。表32 现浇混凝土配合比组成Louett

25、aSan AngeloNorthboundSouthboundEastboundWestbound 1-5跨Westbound 6-9跨1粗骨料类型最大粒径用量碎石灰石38mm1101 kg/m3碎石灰石25mm1074 kg/m3碎砾石32mm1127 kg/m3碎砾石32mm1101 kg/m3碎砾石32mm1101 kg/m3细骨料的类型用量天然砂FM2.54737 kg/m3天然砂FM2.54773 kg/m3天然砂FM2.70721 kg/m3天然砂FM2.70735 kg/m3天然砂FM2.70737 kg/m3水136 kg/m3145 kg/m3128 kg/m3153 kg/

26、m3153 kg/m3水泥类型用量型227 kg/m3型281 kg/m3型292 kg/m3型253 kg/m型362kg/m粉煤灰288kg/m328%131 kg/m332%125 kg/m330%109 kg/m330%无0阻蚀剂mL/m31744 853 1085 1008 1008 减水剂mL/m3无47296047 无无引气剂78mL/m3无116 mL/m3116 mL/m3116mL/m31非；2ASTM C级，此外，还要符合德克萨斯州交通局（TXDOT）材料部的特别规定，D-9-8900；3阻锈剂剂量随浇注时候天气条件不同，而做调整。这儿给出的数值，是在热天条件下用量的上限

27、值。该阻锈剂是在冬天里启用的。4高效减水剂。在Ramon Carrasquillo的指导下，研究者们最初在ACI指南的基础上开发了一组配比，并进行了大量配比实验以评价不同各种组成材料的交互作用，达到优化混凝土性能的目的。现浇桥面板配合比设计主要关注结构用高性能混凝土所具备的长期耐久性特征：低氯离子渗透性、抗冻融性能、抗剥蚀性能和抗磨耗性能。德克萨斯州大学的研究者们与预拌工厂的相关人员紧密合作，以指导他们使用基于最优实验室配比基础上的现浇配比。他们又进行了现场试验，以研究从实验室到现场混凝土产品的强度损失，并评估了混凝土的凝结时间、可泵性、工作性和易修整性。预拌厂的人员获得了使用粉煤灰部分取代水

28、泥和在更高强的桥面板配比中使用高效减水剂（HRWRA）的经验。表3-2给出了以上项目中所用的现浇桥面板的配合比。与San Angelo市的Westbound桥的桥面板比较表明：在相同水胶比的条件下，由于掺入粉煤灰，水泥的用量减少了。在组成材料的选择中，应该要考虑桥梁所在地点的环境条件。例如，硫酸盐含量较高的土壤或地下水能对掺有氧化钙含量超过10粉煤灰的混凝土产生危害。在这些情况下，需要另外做一些试验研究。表33 现浇桥面板新拌混凝土性能组成LouettaSan AngeloNorthboundSouthboundEastboundWestbound 1-5跨Westbound 69跨1W/C0

29、.430.350.310.420.42含气量5.01.42666坍落度75100mm200240mm180230mm75100mm75100mm单位重2294 kg/m32406 kg/m32395 g/m32327 kg/m32332 kg/m3注：1非HPC；2无引气剂；表33给出了现浇桥面板的新拌混凝土性能。Louetta Southbound桥和San Angelo Eastbound桥的面板的设计抗压强度都很高，所以要求非常低的水胶比。自然高效减水剂的使用就成为必然。尽管如果没有潮湿冻融循环发生，就不需要掺用引气剂以提高抗冻融能力。但是在德克萨斯州境内的现浇桥面板都规定要掺用引气剂。例如， Louetta Northbound桥的面板有5的含气量，是在Huston施工的典型桥面板。而强度更高的Louetta Southbound桥的桥面板，规定不需要掺引气剂，这是由于Huston市并不是显著地暴露在潮湿冻融循环下。（以后）将会对这些桥面板的长期性能作对比。表3-4给出了根据AASHTO T 277的“混凝土抵御氯离子渗透的电性能指标标准试验方法”而进行的现场的56天渗透性测试结果。“Louetta 和San Angelo高性能混凝土桥”项目的德克萨斯州大学（UT）的研究者们，在