摘 要: 高性能海工混凝土配合比設計當前還沒有統(tǒng)一的方法, 文章應用正交配合比設計, 論述了杭州灣大橋北航道橋索塔高性能海工混凝土的設計原則、方法和過程, 找到了滿足施工要求的海工混凝土配合比, 并就試驗結果進行分析, 提出了影響海工混凝土性能的幾個因素。
關鍵詞: 杭州灣大橋; 海工混凝土; 配合比設計; 試驗研究
1 工程概況
杭州灣大橋是目前最長的跨海大橋, 其中北航道橋索塔采用鉆石型空間索塔, 索塔總高為178.8 m , 下塔柱高40.225 m , 中塔柱高為95.5 m ,上塔柱高為38.075m。下塔柱橫橋向外側面的斜率為1/3.888、內側面的斜率為1/3.258; 中塔柱橫橋向外側面的斜率為1/5 .9, 內側面的斜率為1/6.289; 上塔柱下部為直線變化段, 斜率同中塔柱, 上塔柱上部為曲線變化段, 橫橋向外側面曲線半徑為100 m , 內側面曲線半徑為150 m , 上塔柱中間為斜拉索鋼錨箱, 鋼錨箱橫橋向寬2.5 m , 順橋向寬610 m , 高34.475 m; 索塔順橋向斜率為1/93.946。為增加索塔景觀效果, 索塔頂部設置塔冠, 高5.0 m , 豎直設置。下塔柱底8m 和下橫梁處為實心段, 下塔柱起步段高8.0 m , 分2 次澆筑, 每次澆筑高度均為4.0 m ,索塔采用爬模法施工, 索塔按4.5 m 高的節(jié)段進行施工。
索塔混凝土為C50 海工耐久性混凝土, 索塔混凝土設計方量為18 000 m 3, 混凝土塌落度設計要求在180～ 220 mm 之間, 混凝土初凝時間不小于8 h,夏季混凝土入模溫度控制在28°C 以下[ 1 ]。
2 設計原則
2.1 強度
標準強度是混凝土最其本的技術指標, 在海工混凝土配合比設計中, 首先要滿足強度要求, 杭州灣大橋索塔混凝土設計強度等級為C50, 施工中實際強度必須在50M Pa 以上, 才能符合質量要求。由于橋梁海工混凝土的施工在我國尚處于起步階段, 考慮到施工單位的試驗技術管理水平, 根據配合比設計規(guī)程取R= 5.0, 因此, 混凝土的配制強度應大于58.2M Pa。在索塔橫梁和鋼錨箱施工中, 涉及預應力張拉, 在張拉前, 混凝土強度不低于設計強度的85% , 混凝土彈性模量要達到設計彈性模量的80% [ 1 ]。
2.2 耐久性
高性能海工混凝土與普通混凝土的組成材料沒有區(qū)別, 它是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現代混凝土技術制作的, 是以耐久性作為設計主要指標的混凝土[ 2 ]?；炷谅入x子滲透系數是耐久性的一個主要控制指標。而海工混凝土與普通混凝土的主要區(qū)別就是體現在氯離子滲透系數這個微觀的技術指標上, 杭州灣大橋施工技術規(guī)范對海工混凝土氯離子滲透系數有很高的要求, 就索塔而言, 其海工混凝土要求84 d 氯離子滲透系數小于1.5×10- 12m 2/ s。
2.3 泵送性
高性能海工混凝土配合比采用了雙摻技術, 混凝土材料中使用了比表面積比水泥大的優(yōu)質粉煤灰和磨細礦粉等礦物摻合料, 使拌出來的混凝土的粘性比較大, 另外又受低水膠比的影響, 使海工混凝土泵送效果不是很好。在海工配比設計時通過試驗技術盡可能找到適宜的配比, 使混凝土能順利輸送到178 m 的塔頂, 盡可能地選擇有利于泵送的高性能海工混凝土配比。
2.4 水化熱
北航道橋為斜拉橋, 兩索塔為薄壁結構, 混凝土在拆模后極易開裂, 索塔對混凝土抗裂性能要求高。在施工中混凝土裂縫往往是很難避免的, 混凝土裂縫的產生也是綜合原因導致, 在施工中應該采取相應的綜合措施, 盡量減少裂縫的數量、寬度和深度,將裂縫給混凝土結構帶來的危害降低到較小程度。在配合比設計中盡量采用低水化熱的水泥, 另外摻加粉煤灰和礦粉等礦物摻合料, 降低混凝土水化后產生的熱量。
3 使用材料及試驗方法
3.1 混凝土原材料
杭州灣大橋Ê 合同段混凝土所采用的各種原材料均為業(yè)主招標采購, 各標號混凝土所用原材料均相同, 其品種、規(guī)格和來源如下[ 3 ]。
砂: 產地為福建閩江砂場, 中砂, 細度模數2.63,含泥量0.8, 表觀密度2.64 g/ cm 3。
碎石: 產地為寧波北侖, 5～ 25 mm 連續(xù)級配,壓碎值5.3% , 含泥量0.4% , 針片狀顆粒含量4.8% ,表觀密度2.63 g/ cm 3, 篩分結果符合5～ 25mm 的連續(xù)級配。
水泥: P.II42.5, 安徽海螺牌, 3 d 抗壓強度32.0M Pa, 28 d 抗壓強度52.8M Pa。
礦粉: 礦粉有安徽的朱家橋礦粉和上海寶田S95 級, 經過綜合比較, 選擇了上海寶田礦粉, 比表面積442 m 2/kg, 3 d 活性指數81% , 28 d 活性指數1.6% , 需水量比100%。
粉煤灰: 江蘇常熟電廠I 級風選灰, 細度9.1% ,需水量比91% , 燒失量3.5% , 含水量0.2% , 三氧化硫含量0.68%。
外加劑: 上海華登HP4000A 型減水劑, 為聚羧酸型減水劑, 減水率27.5% , 3 d 抗壓強度比168% ,28 d抗壓強度比145%; 水泥和外加劑相容性試驗符合要求。
拌和用水: 自來水, 各項指標符合混凝土拌和用水要求。
3.2 海工混凝土試驗方法
3.2.1 使用的主要儀器設備
主要儀器設備包括: STWJ - 60 臥式攪拌機,1 m 2振動臺, STYE- 2000 型壓力試驗機, STL Z- 2型氯離子滲透儀等。
3.2.2 主要試驗方法
混凝土強度試驗試件采用標準試件, 標準養(yǎng)護方法, 在規(guī)定的時間內, 測定海工混凝土的抗壓強度。
海工混凝土抗氯離子試驗采用A STMC1202 混凝土直流電量法, 試驗儀器采用清華大學改進的A STMC1202 電量法測試儀, 通過量測混凝土試件在30 V 直流電壓下通電6 h 通過的電量, 以評價混凝土的滲透性。試件采用標準試件, 用取芯機切割成規(guī)定直徑的圓柱體, 然后進行氯離子滲透試驗。
海工混凝土抗裂試驗采用傳統(tǒng)的平板試驗, 觀察規(guī)定齡期約束混凝土板塊的開裂情況。海工混凝土用STYE - 2000 型壓力試驗機進行, 試件采用150 mm ×150 mm ×300 mm , 測定變形情況, 根據理論公式計算彈性模量值。
4 索塔配比的設計思路及要求
4.1 設計思路
索塔配合比設計是建立在公司承建的跨海大橋索塔配比研究中得出的技術經驗的基礎上, 結合《杭州灣大橋施工技術規(guī)范》的相關要求, 首先要對原材料進行各項試驗, 滿足設計要求后, 應用正交設計方法, 有針對性地進行材料組合試驗; 然后對試驗結果逐一進行記錄, 歸納后分析比較, 找出既滿足施工技術要求又能滿足經濟指標的配合比。
4.2 設計要求
根據《杭州灣大橋施工技術規(guī)范》中對海工混凝土的相關要求, 索塔配合比應滿足表1 要求。
5 正交配比設計
高性能海工混凝土的配合比, 到目前為止仍然沒有一個大家公認的配合比方法, 只有大致的原則,這與高性能海工混凝土尚無一個明確的定義有關,但更重要的是試驗表明高性能海工混凝土的性能指標與混凝土中所摻入的材料不是簡單的線性關系。
在多因素的作用下, 很難找到混凝土性能隨所摻入材料性能不同及摻入材料量而發(fā)生變化的規(guī)律[ 4 ]。
正交試驗, 是采用正交設計方法處理多因素的試驗,在理論上和應用中已經被證明是一種科學的方法。利用規(guī)格化的正交表, 對選定的因素, 合理安排試驗。只要做較少的試驗, 就可以獲得比較多的信息,得出正確的結論和獲得較好的效果[ 5 ] , 文章就高性能海工混凝土的配合比做正交試驗, 并就試驗結果進行分析研究。
5.1 挑因素, 選水平
水膠比決定混凝土的強度, 混凝土摻合料的用量與混凝土耐久性關系密切, 決定著氯離子滲透系數的大小。
杭州灣大橋混凝土使用的原材料都是相同的,在其他部位配比設計經驗的基礎上, 選定水泥用量為300 kg/m 3, 外加劑用量為膠凝材料用量的1.1% ,為滿足泵送要求, 選定砂率為43% , 集料用量為1 750 kg/m 3。以膠凝材料用量、粉煤灰用量、礦粉用量、水膠比作為試驗因數, 通過正交試驗來選定膠凝材料、水膠比和摻合料的大致用量, 來滿足混凝土耐久性要求, 正交設計試驗水平見表2。
5.2 正交試驗
根據試驗因素及水平個數并考慮因素交互作用影響, 結合試驗的規(guī)模選取L 9 (39) 正交表來安排試驗, 如表2 所示。其中A、B、C、D 分別代表摻合料、粉煤灰、礦渣、水膠比。安排的試驗配比見表3。
5.3 試驗結果
在索塔施工前4 個月, 對原材料進行質量檢測,質量應符合國家標準和《杭州灣大橋施工技術規(guī)范》規(guī)定的要求。估算正交設計法配比試驗所需要混凝土原材料數量, 然后做好相應材料準備。
按規(guī)范規(guī)定的材料精確度稱量、攪拌、制作混凝土試件, 做塌落度試驗, 并做好試驗記錄。試件頂面用濕布覆蓋, 放置1 d 后標識用途和制作日期, 并在標準條件下養(yǎng)護試件, 記好試驗臺賬。待混凝土齡期時, 做規(guī)定齡期的抗壓強度和氯離子滲透系數試驗。
同時還要進行混凝土抗裂性試件的制作。索塔各組混凝土配比的試驗指標如表4。
6 試驗結果分析
就本次試驗的數據和現象來看, 經分析不難發(fā)現海工混凝土的技術性能及其影響因素?，F就海工混凝土在強度、抗?jié)B性能、抗裂性能、可泵性等方面的技術性能加以分析。
6.1 海工混凝土的強度
普通混凝土的水灰比決定著強度, 海工混凝土屬于高性能混凝土, 據有關技術研究表明, 高性能混凝土的強度不僅與水膠比有關, 還與砂率有關。從A 1 到A 9 的數據來看, 在砂率一定時, 強度指標與水膠比成正比, 海工混凝土水膠比越小強度越大; 在同水膠比下, 隨著混凝土膠凝材料的增多, 強度也增加。
從抗壓強度和彈性模量的試驗數據中可以看出, 海工混凝土隨著礦粉摻量的減少, 早期強度也隨之減小, 但28 d 強度卻逐漸增大, 這可能是礦粉與粉煤灰之間的摻量比例逐漸合理化, 改善了混凝土水化后的凝膠微結構, 提高了混凝土結合面的膠結能力。
6.2 海工混凝土的抗?jié)B透性
海工混凝土的抗?jié)B性能是海工混凝土區(qū)別普通混凝土最主要的指標, 從A 1 到A 9 的數據來看, 海工混凝土隨著礦粉摻量的減少, 氯離子滲透系數減小。水膠比卻與氯離子滲透系數成正比, 這是因為礦粉的比表面積比較大, 填充混凝土后能使它的結構更密實。
6.3 海工混凝土的可泵性和抗裂性
由于海工混凝土土摻加了優(yōu)質的礦粉和粉煤灰, 膠凝材料用量高, 以及高效減水劑的使用, 使得混凝土比較粘, 泵送性能不夠好。從試驗數據中也可以看出, 礦粉摻量越高, 混凝土早期強度就越高, 混凝土就越容易開裂, 從上到下, 混凝土的裂縫數量是逐漸減小的。
7 結語
在4 個月的對索塔海工混凝土的設計、配制、試驗過程中, 經過認真的分析研究, 最終選擇了A 8 組作為索塔施工配合比, 雖然按此配比攪拌的混凝土的成本比其他組要稍高, 但它滿足了海工混凝土的強度和耐久性, 混凝土的抗裂性和泵送性要明顯優(yōu)于其他組配比。
索塔配合比選定后, 又對它做了幾次校核, 發(fā)現混凝土的技術性能和試驗指標與試配時的波動很小, 在斜拉橋高塔施工中, 對混凝土泵送是十分有利的。通過對索塔海工混凝土配合比設計的試驗研究和相關技術指標的分析, 希望能對類似橋梁工程及海港工程施工, 以及對混凝土的配制和研究提供一點素材和經驗。高性能海工混凝土配制作為新技術在橋梁工程中的應用時間不長, 因而對海工混凝土相關技術的研究和施工性能的探討, 還有待工程技術人員進一步地研究和總結。
參考文獻:
[1 ] 杭州灣大橋指揮部. 杭州灣跨海大橋專用施工技術規(guī)范[S ].2005.
[ 2 ] 第五屆全國混凝土耐久性學術交流會論文集[C ].大連.2000.
[3 ] 陳儒發(fā), 李書惠, 林海.大摻量粉煤灰混凝土在海工樁基中的應用[J ].公路, 2005, (4) .
[4 ] 蔡正詠.正交設計在混凝土中的應用[M ].北京: 中國建筑工業(yè)出版社.19851.
[ 5 ] 孫久民, 郝素先. 用正交試驗法設計水泥混凝土配合比[J ].河南交通科技, 1997, (5) .
