高性能海工混凝土在桥梁工程中的应用及发展

高性能海工混凝土在桥梁工程中的应用
1 高性能海工混凝土简介
在国内外已建沿海桥梁工程中, 很多桥梁结构的破坏其主要原因来自混凝土病害, 因此混凝土耐久性研究受到国内外研究混凝土的专家的高度重视, 经过多年的研究, 他们对跨海大桥高性能海工混凝土的研究、应用趋于成熟。

虽然我国的工程技术研究人员对高性能海工混凝土的研究已有多年, 但高性能海工混凝土在跨海桥梁工程中的应用还属于起步阶段, 在2005年通车的东海大桥上，我国第一次采用了高性能海工耐久性混凝土技术，经过东海大桥的设计和施工实践的过程，尽管有关工程技术人员对高性能海工混凝土的技术性能有所认识,但所积累的技术经验毕竟有限, 不同海洋环境下的桥梁工程中的高性能海工混凝土配合比设计和施工技术仍然不够充分和完善。

高性能海工混凝土是用混凝土常规原材料、常规工艺, 经配合比优化而制作的, 在海洋环境中具有高耐久性、高尺寸稳定性和良好工作性的高性能结构混凝土材料。

混凝土的氯离子渗透性和含气量是目前海工混凝土区别于其它混凝土最主要的两个控制指标。

2 高性能海工混凝土的特点
2.1 高强度
在混凝土材料、施工工艺及养护条件相同, 当普通混凝土的水灰比与高性能海工混凝土的水胶比相等时, 海工混凝土的28d 的标准强度要高于普通混凝土, 这是因为: 一方面海工混凝土掺加优质掺合料, 填充混凝土水化后产生的多余孔隙, 使混凝土结构变得更加密实; 另一方面海工混凝土掺加了超高效减水剂, 使配合比设计中的水胶比大大减小, 使海工混凝土具有较高的强度。

2.2 耐久性好
海工混凝土是高性能混凝土的一个分支, 它有高性能混凝土的高强和工作特性, 但又不同于其它高性能混凝土, 主要区别在于海工混凝土的耐久性指标上, 高性能混凝土耐久性指标主要包括抗氯离子渗透性、抗冻性、抗裂性、抗碳化、抗碱- 骨料反应、抗化学腐蚀和表面磨损性能等。

其它类型的高性能混凝土对抗氯离子渗透性和抗冻性指标没有作具体要求。

海工混凝土耐久性指标是根据不同海洋环境和海域气候条件来决定的, 但无论在何种海洋环境下设计和建造桥梁, 海工混凝土氯离子的渗透性都会有严格的要求, 桥梁工程各部位海工混凝土都有不同的氯离子渗透指标来控制, 以满足不同部位混凝土的在海洋环境下的耐久性要求, 海洋环境不同, 氯离子渗透指标的要求也不同; 抗冻性指标也是海工混凝土的一个耐久性设计指标, 当海洋区域内气候寒冷时才加以考虑, 杭州湾大桥施工规范对海工混凝土抗冻性要求不高, 只是要求新拌混凝土中含气量一般控制在4%~6%, 气泡间隔系数小于250μm即可。

2.3 良好工作性
无论什么混凝土, 即使它具有高的强度和好的耐久性, 如果不能应用于施工实践, 那是没有意义的, 同样, 高性能海工混凝土具有良好的工作性。

海工混凝土具有的良好的工作性体现在它的流动性、可塑性、易密性和保水性能上, 海工混凝土不仅易于振捣, 稳定性好,坍落度相对普通混凝土较大, 流动性大, 而且集料的包裹性能良好, 不易产生分层和泌水, 极大地加快了混凝土的浇筑速
度。

3 高性能海工混凝土在跨海大桥中的应用
海洋环境下钢筋混凝土构筑物的过早破坏,是混凝土构筑物劣化的典型表现。

我国对该方面研究较早的是海港行业,80年代初对华南沿海码头的腐蚀情况进行调查,其中海南、湛江、北海、汕头等18座码头,发现已腐蚀损坏的占8.9%。

90年代,四航研究院又对华南地区的深圳赤湾港和惠州港等20余个泊位码头进行调查,发现经10年左右,不少钢筋混凝土构件中均出现了锈蚀裂缝,其中最严重的是1992年建成的惠州港油气码头,虽然使用仅8年,但锈蚀严重,不得不考虑停产修复"在我国沿海地区,使用7一25年的桥梁,就出现钢筋锈蚀向题,连云港某桥梁使用不到三年、宁波某桥梁使用不到10年,就出现了梁柱顺筋开裂的现象，大量的事实表明,我国已有为数不少的海工混凝土构筑物,在远低于设计寿命期内就发生严重破坏,有的仅在10~20年内就必须大修或重修,而有的甚至在3污年内就需要彻底更换,其损失是非常严重的，由此可见,沿海地区特别是直接处于海洋环境下的混凝土构筑物腐蚀劣化问题十分严重。

因而传统的混凝土结构无法满足使用要求,海工高性能混凝土在这种背景下应运而生,并很快发展起来。

跨海大桥所处环境恶劣,海水对钢筋混凝土构筑物有很强的腐蚀作用,国内外有大量遭到严重破坏的类似工程实例损失巨大。

同时,海工混凝土的技术性能尤其是耐久性是工程长期维持其安全性和适用性能力的重要前提,对处于氯离子包围环境中的跨海大桥更加重要。

目前大量的试验表明,绝大多数混凝土构筑物的破坏并不是单独由于荷载而引起,但是我国现有的建筑设计与施工规范中,缺少与跨海大桥相关的性能标准(特别是耐久性标准),因此不能保证工程的耐久性要求。

目前,高性能海工混凝土被认为是提高海工构筑物防腐蚀及耐久性最经济最有效的措施。

高性能海工混凝土的性能主要包括物理力学性能和耐久性能。

高性能海工混凝土的力学性能是海工混凝土构筑物结构安全性的基础,是构筑物承载力的基本要素。

目前,结构设计中对混凝土的要求仍以抗压强度为主要指标，所以在高性能海工混凝土的配合比设计中仍将抗压强度作为重要指标之一。

高性能海工混凝土的物理性能包括膨胀收缩和绝热温升等性能,通过对物理性能的研究,可以采取合理的措施降低混凝土的收缩和混凝土内部温升,提高大体积混凝土的抗裂性能。

混凝土结构耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下,在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全，使用功能和外观要求的能力。

混凝土构筑物在长期使用过程中,在内部或外部的、人为的或自然的因素作用下,随着时间的推移,将发生材料老化与结构损伤,这是一个不可逆转的过程,这种损伤的累积将导致结构性能的劣化、承载力和耐久性的降低，从而显著降低构筑物的耐久性,加大构筑物维护的成本和投入,造成巨大的损失。

美国学者用“五倍定律”形象地说明了耐久性问题的重要性,即在设计时,对新建项目在钢筋防护方面每节省l美元,就意味着发现钢筋锈蚀时采取措施多追加5美元,顺筋开裂时多追加25美元,严重破坏时多追加125美元。

海工混凝土以其突出的耐久性，近十余年更被广泛应用跨海大桥的建设。

以杭州湾大桥为例，为了确保杭州湾跨海大桥主体混凝土结构使用寿命达到100 年,杭州湾大桥混凝土采用高性能海工混凝土。

高性能海工混凝土共计约15 万立方米, 其中C30 桩基高性能海工混凝土约9 万余立方米, C30 承台高性能海工混凝土约2 万余立方米, C40 墩身高性能海工混凝土约2 万立方米, C50 塔
身高性能海工混凝土约2 万余立方米。

在施工前对所用高性能海工混凝土强度、氯离子含量、渗透性进行了严格试验。

并结合《杭州湾大桥施工规范》、《海港工程施工规范》和相关的配合比设计规范要求设计出各构件所用高性能海工混凝土的配合比。

在建的港珠澳大桥的桥梁墩台和沉管隧道等结构也大量使用了高性能海工混凝土以使其设计基准期能达到120年。

4高性能海工混凝土的发展趋势
与普通混凝土的不同在于其对使用材料的谨慎挑选与合理搭配,并在可控的条件下,使混凝土在新拌和硬化阶段获得所期望的性能特征。

这些混凝上具有低的水灰比或水胶比,并用工业废渣部分地取代水泥。

腐蚀性介质的渗透非常困难并被限制在表面区。

在新拌阶段具有高的流动性、可泵性和自密实特征,在硬化阶段则具有更高的抗弯强度,低的渗透性,高的抗腐蚀能力和更加优良的耐久性。

随着社会的发展,实际工程对海工混凝土不断提出更高的要求,所以对高性能海工混凝土的研究,仍将集中在采取合理的途径和措施提高其技术性能的领域,具体表现在以下几个方面:
1）功能型复合矿物掺合料的应用研究
根据吴中伟院士的研究,复合矿物掺合料,往往存在“超叠加效应”和“复合作用效应"。

在混凝土配合比设计中,调整矿物组分的掺量,从而最大程度地发挥各自的优点,发挥出复合作用效应,并尽可能使其产生“超叠加效应“。

对提高海工混凝土的物理力学性能及耐久性能具有重要意义。

2）高效减水剂的应用性能研究
更多类型高效减水剂不断产生,与各种类型的水泥及矿物掺合料的良好适应性,成为其工程应用的前提条件。

高效减水剂在混凝土中应用时,尤其是在流态混凝土中应用时,往往具有坍落度经时损失大的问题,低坍落度损失的高效减水剂的应用,可以给混凝土工程施工带来极大的便利。

3）大掺量矿物掺合料对混凝土性能影响研究
矿物掺合料对混凝土耐久性及相关性能的提高己经得到证实,但是受到混凝土早期强度的限制,矿物掺合料的掺量往往停留在较低掺量的水平上,以粉煤灰为例,掺量大多在20%~30%的水平上取代部分的水泥,从而节约成本,井改善混凝土的工作性。

但是在研究中己经发现,当粉煤灰掺量低于25%时,其很多的优点并不明显,如降低混凝土水化热、混凝土抗氯离子渗透性能等。

而在海洋混凝土工程中,为了最大限度的防止氯离子对钢筋的锈蚀,开始更倾向于采用大掺量矿物掺合料,甚至在个别情况下达到了70%的水平。

大掺量矿物掺合料对混凝土的性能存在利弊之分,为了更加深刻的认识矿物掺合料对混凝土性能的影响,避免对其某一性能的盲目乐观而忽视其不利影响,有必要对大掺量矿物掺合料高性能海工混凝土进行性能研究。