摘 要: 高性能海工混凝土配合比设计当前还没有统一的方法, 文章应用正交配合比设计, 论述了杭州湾大桥北航道桥索塔高性能海工混凝土的设计原则、方法和过程, 找到了满足施工要求的海工混凝土配合比, 并就试验结果进行分析, 提出了影响海工混凝土性能的几个因素。
关键词: 杭州湾大桥; 海工混凝土; 配合比设计; 试验研究
1 工程概况
杭州湾大桥是目前最长的跨海大桥, 其中北航道桥索塔采用钻石型空间索塔, 索塔总高为178.8 m , 下塔柱高40.225 m , 中塔柱高为95.5 m ,上塔柱高为38.075m。下塔柱横桥向外侧面的斜率为1/3.888、内侧面的斜率为1/3.258; 中塔柱横桥向外侧面的斜率为1/5 .9, 内侧面的斜率为1/6.289; 上塔柱下部为直线变化段, 斜率同中塔柱, 上塔柱上部为曲线变化段, 横桥向外侧面曲线半径为100 m , 内侧面曲线半径为150 m , 上塔柱中间为斜拉索钢锚箱, 钢锚箱横桥向宽2.5 m , 顺桥向宽610 m , 高34.475 m; 索塔顺桥向斜率为1/93.946。为增加索塔景观效果, 索塔顶部设置塔冠, 高5.0 m , 竖直设置。下塔柱底8m 和下横梁处为实心段, 下塔柱起步段高8.0 m , 分2 次浇筑, 每次浇筑高度均为4.0 m ,索塔采用爬模法施工, 索塔按4.5 m 高的节段进行施工。
索塔混凝土为C50 海工耐久性混凝土, 索塔混凝土设计方量为18 000 m 3, 混凝土塌落度设计要求在180～ 220 mm 之间, 混凝土初凝时间不小于8 h,夏季混凝土入模温度控制在28°C 以下[ 1 ]。
2 设计原则
2.1 强度
标准强度是混凝土最其本的技术指标, 在海工混凝土配合比设计中, 首先要满足强度要求, 杭州湾大桥索塔混凝土设计强度等级为C50, 施工中实际强度必须在50M Pa 以上, 才能符合质量要求。由于桥梁海工混凝土的施工在我国尚处于起步阶段, 考虑到施工单位的试验技术管理水平, 根据配合比设计规程取R= 5.0, 因此, 混凝土的配制强度应大于58.2M Pa。在索塔横梁和钢锚箱施工中, 涉及预应力张拉, 在张拉前, 混凝土强度不低于设计强度的85% , 混凝土弹性模量要达到设计弹性模量的80% [ 1 ]。
2.2 耐久性
高性能海工混凝土与普通混凝土的组成材料没有区别, 它是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的, 是以耐久性作为设计主要指标的混凝土[ 2 ]。混凝土氯离子渗透系数是耐久性的一个主要控制指标。而海工混凝土与普通混凝土的主要区别就是体现在氯离子渗透系数这个微观的技术指标上, 杭州湾大桥施工技术规范对海工混凝土氯离子渗透系数有很高的要求, 就索塔而言, 其海工混凝土要求84 d 氯离子渗透系数小于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双掺技术, 混凝土材料中使用了比表面积比水泥大的优质粉煤灰和磨细矿粉等矿物掺合料, 使拌出来的混凝土的粘性比较大, 另外又受低水胶比的影响, 使海工混凝土泵送效果不是很好。在海工配比设计时通过试验技术尽可能找到适宜的配比, 使混凝土能顺利输送到178 m 的塔顶, 尽可能地选择有利于泵送的高性能海工混凝土配比。
2.4 水化热
北航道桥为斜拉桥, 两索塔为薄壁结构, 混凝土在拆模后极易开裂, 索塔对混凝土抗裂性能要求高。在施工中混凝土裂缝往往是很难避免的, 混凝土裂缝的产生也是综合原因导致, 在施工中应该采取相应的综合措施, 尽量减少裂缝的数量、宽度和深度,将裂缝给混凝土结构带来的危害降低到较小程度。在配合比设计中尽量采用低水化热的水泥, 另外掺加粉煤灰和矿粉等矿物掺合料, 降低混凝土水化后产生的热量。
3 使用材料及试验方法
3.1 混凝土原材料
杭州湾大桥Ê 合同段混凝土所采用的各种原材料均为业主招标采购, 各标号混凝土所用原材料均相同, 其品种、规格和来源如下[ 3 ]。
砂: 产地为福建闽江砂场, 中砂, 细度模数2.63,含泥量0.8, 表观密度2.64 g/ cm 3。
碎石: 产地为宁波北仑, 5～ 25 mm 连续级配,压碎值5.3% , 含泥量0.4% , 针片状颗粒含量4.8% ,表观密度2.63 g/ cm 3, 筛分结果符合5～ 25mm 的连续级配。
水泥: P.II42.5, 安徽海螺牌, 3 d 抗压强度32.0M Pa, 28 d 抗压强度52.8M Pa。
矿粉: 矿粉有安徽的朱家桥矿粉和上海宝田S95 级, 经过综合比较, 选择了上海宝田矿粉, 比表面积442 m 2/kg, 3 d 活性指数81% , 28 d 活性指数1.6% , 需水量比100%。
粉煤灰: 江苏常熟电厂I 级风选灰, 细度9.1% ,需水量比91% , 烧失量3.5% , 含水量0.2% , 三氧化硫含量0.68%。
外加剂: 上海华登HP4000A 型减水剂, 为聚羧酸型减水剂, 减水率27.5% , 3 d 抗压强度比168% ,28 d抗压强度比145%; 水泥和外加剂相容性试验符合要求。
拌和用水: 自来水, 各项指标符合混凝土拌和用水要求。
3.2 海工混凝土试验方法
3.2.1 使用的主要仪器设备
主要仪器设备包括: STWJ - 60 卧式搅拌机,1 m 2振动台, STYE- 2000 型压力试验机, STL Z- 2型氯离子渗透仪等。
3.2.2 主要试验方法
混凝土强度试验试件采用标准试件, 标准养护方法, 在规定的时间内, 测定海工混凝土的抗压强度。
海工混凝土抗氯离子试验采用A STMC1202 混凝土直流电量法, 试验仪器采用清华大学改进的A STMC1202 电量法测试仪, 通过量测混凝土试件在30 V 直流电压下通电6 h 通过的电量, 以评价混凝土的渗透性。试件采用标准试件, 用取芯机切割成规定直径的圆柱体, 然后进行氯离子渗透试验。
海工混凝土抗裂试验采用传统的平板试验, 观察规定龄期约束混凝土板块的开裂情况。海工混凝土用STYE - 2000 型压力试验机进行, 试件采用150 mm ×150 mm ×300 mm , 测定变形情况, 根据理论公式计算弹性模量值。
4 索塔配比的设计思路及要求
4.1 设计思路
索塔配合比设计是建立在公司承建的跨海大桥索塔配比研究中得出的技术经验的基础上, 结合《杭州湾大桥施工技术规范》的相关要求, 首先要对原材料进行各项试验, 满足设计要求后, 应用正交设计方法, 有针对性地进行材料组合试验; 然后对试验结果逐一进行记录, 归纳后分析比较, 找出既满足施工技术要求又能满足经济指标的配合比。
4.2 设计要求
根据《杭州湾大桥施工技术规范》中对海工混凝土的相关要求, 索塔配合比应满足表1 要求。
5 正交配比设计
高性能海工混凝土的配合比, 到目前为止仍然没有一个大家公认的配合比方法, 只有大致的原则,这与高性能海工混凝土尚无一个明确的定义有关,但更重要的是试验表明高性能海工混凝土的性能指标与混凝土中所掺入的材料不是简单的线性关系。
在多因素的作用下, 很难找到混凝土性能随所掺入材料性能不同及掺入材料量而发生变化的规律[ 4 ]。
正交试验, 是采用正交设计方法处理多因素的试验,在理论上和应用中已经被证明是一种科学的方法。利用规格化的正交表, 对选定的因素, 合理安排试验。只要做较少的试验, 就可以获得比较多的信息,得出正确的结论和获得较好的效果[ 5 ] , 文章就高性能海工混凝土的配合比做正交试验, 并就试验结果进行分析研究。
5.1 挑因素, 选水平
水胶比决定混凝土的强度, 混凝土掺合料的用量与混凝土耐久性关系密切, 决定着氯离子渗透系数的大小。
杭州湾大桥混凝土使用的原材料都是相同的,在其他部位配比设计经验的基础上, 选定水泥用量为300 kg/m 3, 外加剂用量为胶凝材料用量的1.1% ,为满足泵送要求, 选定砂率为43% , 集料用量为1 750 kg/m 3。以胶凝材料用量、粉煤灰用量、矿粉用量、水胶比作为试验因数, 通过正交试验来选定胶凝材料、水胶比和掺合料的大致用量, 来满足混凝土耐久性要求, 正交设计试验水平见表2。
5.2 正交试验
根据试验因素及水平个数并考虑因素交互作用影响, 结合试验的规模选取L 9 (39) 正交表来安排试验, 如表2 所示。其中A、B、C、D 分别代表掺合料、粉煤灰、矿渣、水胶比。安排的试验配比见表3。
5.3 试验结果
在索塔施工前4 个月, 对原材料进行质量检测,质量应符合国家标准和《杭州湾大桥施工技术规范》规定的要求。估算正交设计法配比试验所需要混凝土原材料数量, 然后做好相应材料准备。
按规范规定的材料精确度称量、搅拌、制作混凝土试件, 做塌落度试验, 并做好试验记录。试件顶面用湿布覆盖, 放置1 d 后标识用途和制作日期, 并在标准条件下养护试件, 记好试验台账。待混凝土龄期时, 做规定龄期的抗压强度和氯离子渗透系数试验。
同时还要进行混凝土抗裂性试件的制作。索塔各组混凝土配比的试验指标如表4。
6 试验结果分析
就本次试验的数据和现象来看, 经分析不难发现海工混凝土的技术性能及其影响因素。现就海工混凝土在强度、抗渗性能、抗裂性能、可泵性等方面的技术性能加以分析。
6.1 海工混凝土的强度
普通混凝土的水灰比决定着强度, 海工混凝土属于高性能混凝土, 据有关技术研究表明, 高性能混凝土的强度不仅与水胶比有关, 还与砂率有关。从A 1 到A 9 的数据来看, 在砂率一定时, 强度指标与水胶比成正比, 海工混凝土水胶比越小强度越大; 在同水胶比下, 随着混凝土胶凝材料的增多, 强度也增加。
从抗压强度和弹性模量的试验数据中可以看出, 海工混凝土随着矿粉掺量的减少, 早期强度也随之减小, 但28 d 强度却逐渐增大, 这可能是矿粉与粉煤灰之间的掺量比例逐渐合理化, 改善了混凝土水化后的凝胶微结构, 提高了混凝土结合面的胶结能力。
6.2 海工混凝土的抗渗透性
海工混凝土的抗渗性能是海工混凝土区别普通混凝土最主要的指标, 从A 1 到A 9 的数据来看, 海工混凝土随着矿粉掺量的减少, 氯离子渗透系数减小。水胶比却与氯离子渗透系数成正比, 这是因为矿粉的比表面积比较大, 填充混凝土后能使它的结构更密实。
6.3 海工混凝土的可泵性和抗裂性
由于海工混凝土土掺加了优质的矿粉和粉煤灰, 胶凝材料用量高, 以及高效减水剂的使用, 使得混凝土比较粘, 泵送性能不够好。从试验数据中也可以看出, 矿粉掺量越高, 混凝土早期强度就越高, 混凝土就越容易开裂, 从上到下, 混凝土的裂缝数量是逐渐减小的。
7 结语
在4 个月的对索塔海工混凝土的设计、配制、试验过程中, 经过认真的分析研究, 最终选择了A 8 组作为索塔施工配合比, 虽然按此配比搅拌的混凝土的成本比其他组要稍高, 但它满足了海工混凝土的强度和耐久性, 混凝土的抗裂性和泵送性要明显优于其他组配比。
索塔配合比选定后, 又对它做了几次校核, 发现混凝土的技术性能和试验指标与试配时的波动很小, 在斜拉桥高塔施工中, 对混凝土泵送是十分有利的。通过对索塔海工混凝土配合比设计的试验研究和相关技术指标的分析, 希望能对类似桥梁工程及海港工程施工, 以及对混凝土的配制和研究提供一点素材和经验。高性能海工混凝土配制作为新技术在桥梁工程中的应用时间不长, 因而对海工混凝土相关技术的研究和施工性能的探讨, 还有待工程技术人员进一步地研究和总结。
参考文献:
[1 ] 杭州湾大桥指挥部. 杭州湾跨海大桥专用施工技术规范[S ].2005.
[ 2 ] 第五届全国混凝土耐久性学术交流会论文集[C ].大连.2000.
[3 ] 陈儒发, 李书惠, 林海.大掺量粉煤灰混凝土在海工桩基中的应用[J ].公路, 2005, (4) .
[4 ] 蔡正咏.正交设计在混凝土中的应用[M ].北京: 中国建筑工业出版社.19851.
[ 5 ] 孙久民, 郝素先. 用正交试验法设计水泥混凝土配合比[J ].河南交通科技, 1997, (5) .
