邱厚好

(中鐵十六局集團(tuán) 二公司，天津 300162)

1 工程概況

曹妃甸特大橋是新建遷曹鐵路上一座特大型橋梁，位于河北省唐山市南部70 km的渤海海濱地區(qū)。橋梁全長7 477.26 m，下部結(jié)構(gòu)共243個墩臺，采用直徑1.00 m，1.25 m和1.50 m的鉆孔樁，獨(dú)立承臺，圓端型橋墩，T型橋臺。樁基、承臺和墩臺混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C45。

該橋橋址處于近海區(qū)域，一般水深3～5 m，跨納潮河區(qū)段1.4 km水深8～20 m。水質(zhì)分析為:地表水(海 水 )，Mg2+含 量 1 564.9 mg/L，Cl－含 量17 611.6 mg/L，含量4 639.7 mg/L，pH值含量8.9。地下水 pH 值 11.31，Mg2+含量 55.9 mg/L，Cl－含量5 789 mg/L，含量1 436.1 mg/L。根據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》及其局部修訂條文中環(huán)境水對混凝土侵蝕程度的類型及侵蝕的判定，地表水及地下水對混凝土均具侵蝕性，作用等級為H3、L3。橋梁墩臺、承臺、樁基等結(jié)構(gòu)將長期浸泡在海水中，對結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性要求極高。

外界環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是物理化學(xué)作用的結(jié)果，環(huán)境因素引起混凝土結(jié)構(gòu)損傷或破壞主要有混凝土的碳化、氯離子的侵蝕、堿—骨料反應(yīng)、凍融循環(huán)破壞和鋼筋銹蝕?；炷敛牧系淖陨硖匦院徒Y(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量是決定耐久性的內(nèi)因，混凝土的材料組成直接影響其耐久性，混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件和防護(hù)措施是影響其耐久性的外因。

2 混凝土配合比設(shè)計及優(yōu)化

針對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素，從內(nèi)因入手，通過優(yōu)化配合比設(shè)計，增強(qiáng)混凝土密實度，達(dá)到混凝土耐久性要求。根據(jù)混凝土耐久性規(guī)范，海水環(huán)境條件下耐久性混凝土的基本要求有最大水膠比為0.40;最小水泥用量為300 kg/m3;最大氯離子含量占水泥用量的0.1%;最大堿含量3.0 kg/m3?；谝陨蠋c要求并兼顧混凝土結(jié)構(gòu)大體積的特點，對混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1)主要原材料

耐久性混凝土對各原材料的技術(shù)要求除應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/175的規(guī)定外，還應(yīng)滿足表1～表3的要求。

水泥采用冀東普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號為P.O42.5;粗、細(xì)骨料產(chǎn)地均為遷安，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2 550 kg/m3，粗骨料粒徑為5～25 mm，16.0～31.5 mm，表觀密度為2 840 kg/m3。

表1 水泥的技術(shù)要求

表2 砂中有害物質(zhì)限值

表3 粗骨料的有害物質(zhì)含量 %

2)水膠比、坍落度

為保證混凝土的強(qiáng)度，采用了較低的水膠比為0.31;設(shè)計坍落度為140～180 mm。

3)摻合料

粉煤灰含有大量的活性 SiO2，其摻入具有增強(qiáng)效應(yīng)、增塑效應(yīng)、填充效應(yīng)和消減溫度峰值，減少水泥用量，減少混凝土水化熱，從而增強(qiáng)混凝土耐久性的作用。針對本工程實際情況將混凝土中加入30%粉煤灰(粉煤灰與膠凝材料的比值)。

4)外加劑

防凍劑能夠降低拌合物冰點，細(xì)化冰晶，使混凝土在負(fù)溫下保持一定數(shù)量的液相水，使水泥緩慢水化，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。由于本工程為典型冬期施工，在混凝土中加入2%的防凍劑。

為保證混凝土和易性并減少用水量，在混凝土中加入UNF-1A高效減水劑1.75%;為增強(qiáng)海水環(huán)境混凝土耐久性在混凝土中增加HE-8防腐劑9.6%(與膠凝材料的比值)。

5)最后選定理論配合比 1∶1.70∶2.66∶0.30∶0.0175∶0.0175∶0.02，水膠比為 0.31，每立方米混凝土用料量如表4所示。

表4 混凝土用料量(以質(zhì)量計) kg/m3

6)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件56 d抗壓強(qiáng)度分別為56.7 MPa、56.2 MPa和 56.6 MPa，56 d 混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的126%，強(qiáng)度符合要求。

3 耐久性混凝土施工質(zhì)量控制

3.1 原材料質(zhì)量控制

混凝土是一種復(fù)雜的多組分的非均質(zhì)材料，影響混凝土性能的影響因素也是非常復(fù)雜的。對于耐久性混凝土，由于需要摻較高摻量的活性摻合料及為滿足工作性需要摻經(jīng)復(fù)合的高效減水劑，其材料組分比普通混凝土更為復(fù)雜。原材料不同的耐久性混凝土，其物理力學(xué)性能、工作性能及耐久性將會有較大差異。

膠凝材料是影響高性能混凝土性能的主要因素，而對于耐久性占主要地位同時也要滿足較高強(qiáng)度的高性能混凝土，除水泥外，摻合料的質(zhì)量和品質(zhì)、尤其是摻合料的質(zhì)量穩(wěn)定性尤為重要。從產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量控制上來講，我國對摻合料的產(chǎn)品質(zhì)量控制不如水泥那樣嚴(yán)格，往往導(dǎo)致不同批次的摻合料在質(zhì)量上有較大的差異。當(dāng)摻合料質(zhì)量變化較大時，將首先反映在混凝土拌合物工作性上有較大的波動，最終將反映在混凝土力學(xué)性能和耐久性能的差異。

配制耐久性混凝土選用堅硬、高強(qiáng)、密實而無孔隙和軟弱雜質(zhì)的優(yōu)質(zhì)骨料。對細(xì)骨料要求使用中粗砂，且級配良好、含泥量少。粗骨料在混凝土中起骨架作用，要優(yōu)先采用抗壓強(qiáng)度高的粗骨料，骨料應(yīng)為表面粗糙利于與水泥界面黏結(jié)的碎石 。

高效減水劑對膠凝材料有強(qiáng)烈的分散作用、隨著高效減水劑技術(shù)的發(fā)展和高效減水劑減水率的提高，減水率已可提高到25%甚至35%以上。高效減水劑的增強(qiáng)效果已相當(dāng)顯著，對于高性能混凝土來講，更重要的是摻高效減水劑后混凝土的坍落度損失問題，這就要求高效減水劑與復(fù)合了水泥和摻合料的膠凝材料有好的相容性，只有使用既具備了高減水率、又能與膠凝材料相匹配的高效減水劑，才能配置出工作性好、易施工、較密實、體積穩(wěn)定的高性能混凝土。

因此，原材料質(zhì)量合格和質(zhì)量穩(wěn)定性是保證混凝土質(zhì)量的重要因素。耐久性混凝土的施工必須建立在嚴(yán)格的原材料質(zhì)量檢驗制度，嚴(yán)格按混凝土配合比設(shè)計及選定時所確定的原材料質(zhì)量要求，對進(jìn)場材料進(jìn)行認(rèn)真的試驗檢驗和把關(guān)，達(dá)不到質(zhì)量要求的一律退場。

3.2 拌制

混凝土的拌制目的，除了按設(shè)定的配合比達(dá)到均勻混合外，還要達(dá)到強(qiáng)化、塑化的作用。高性能混凝土由于水膠比較小，同時摻入的摻合料的細(xì)度比水泥細(xì)，所以，高性能混凝土對單位體積的用水量極為敏感，因此，高性能混凝土拌制對水和外加劑稱量偏差的規(guī)定比普通混凝土嚴(yán)格，耐久性混凝土原材料允許稱量偏差見表5。不同的拌合方式與投料程序，對混凝土拌合的均勻性有較大的影響，高性能混凝土拌合物比較黏稠，為了保證混凝土攪拌均勻，必須采用性能好、攪拌效率高的行星式、雙錐式或臥軸式強(qiáng)制攪拌機(jī)，攪拌機(jī)中磨損的葉片應(yīng)及時更換。高性能混凝土拌合物宜先以粗、細(xì)骨料拌合均勻，再加水和外加劑，然后徐徐加入膠凝材料，攪拌時間應(yīng)比常規(guī)混凝土延長40 s以上。

表5 確定耐久性混凝土原材料允許稱量偏差

3.3 澆筑

耐久性混凝土的工作性能好壞，直接關(guān)系到混凝土的密實性、強(qiáng)度和耐久性。在澆筑時，應(yīng)不離析、不分層、保水性好、流動性好、并能保證施工所要求的稠度。

混凝土的保護(hù)層厚度是影響耐久性的重要技術(shù)指標(biāo)，澆筑前要仔細(xì)檢查模板、鋼筋、預(yù)埋件、預(yù)留孔、保護(hù)層墊塊等的位置、規(guī)格和數(shù)量，在主要受力部位保護(hù)層厚度不得有負(fù)的偏差。

耐久性混凝土應(yīng)采用高頻振搗器梅花形插搗，振搗至混凝土頂面基本不冒氣泡，當(dāng)混凝土澆筑至頂面時，宜采用二次振搗及二次抹面。對于流動性大的耐久性混凝土，振搗器應(yīng)注意不能過振，以防止骨料下沉引起混凝土不均勻現(xiàn)象。混凝土振搗、抹面后，應(yīng)刮去表面浮漿，確保混凝土的密實性。

對于大體積混凝土或夏季炎熱天氣施工時，由于在高溫下拌合和澆筑混凝土，水分蒸發(fā)快，諸多原因引起坍落度損失，難以保證所設(shè)計的坍落度，易降低混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B和耐久性。若摻用高效減水劑的混凝土，溫度高氣泡易揮發(fā)，降低其含氣量，且變得不穩(wěn)定，含氣量難于控制，使混凝土坍落度的控制變得較為困難。對高性能混凝土的澆筑溫度、最大升溫和內(nèi)外溫差必須進(jìn)行控制，限制夏季混凝土出料溫度不得大于30℃，規(guī)定混凝土內(nèi)外溫差不超過20℃，來保證混凝土的澆筑質(zhì)量。冬期施工必須對拌合原材進(jìn)行熱處理后才能使用，并加入適宜的防凍劑。

3.4 養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)質(zhì)量對確保高性能混凝土質(zhì)量非常關(guān)鍵，特別是對摻合料的混凝土的耐久性影響十分明顯。大量試驗研究證明因為摻合料的水化滯后效應(yīng)，如果養(yǎng)護(hù)不夠，摻合料不能充分完成水化反應(yīng)，使?jié)撛诟咝阅軆?yōu)勢不能充分發(fā)揮，從而達(dá)不到應(yīng)有的耐久性。

對摻Ⅱ級粉煤灰和硅灰的高性能混凝土進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時間的耐久性測試，測試方式是分別對標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)7，14，28 d的高性能混凝土試塊進(jìn)行強(qiáng)度和電通量測試，以及在自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)至90 d的測定。研究結(jié)果證明:混凝土潮濕養(yǎng)護(hù)7 d的電通量比潮濕養(yǎng)護(hù)28 d的增大將近一倍，潮濕養(yǎng)護(hù)15 d后，隨養(yǎng)護(hù)時間延長，電通量值降低的幅度不大。

因此，耐久性混凝土抹面后，應(yīng)立即覆蓋，防止水分散失。終凝后，混凝土頂面應(yīng)立即開始持續(xù)潮濕養(yǎng)護(hù)。拆模前12 h應(yīng)擰松側(cè)模板的緊固螺帽，讓水順模板與混凝土脫開面滲下，養(yǎng)護(hù)混凝土側(cè)面。整個養(yǎng)護(hù)期間，尤其從終凝到拆模的養(yǎng)護(hù)初期，應(yīng)確保混凝土處于有利硬化及強(qiáng)度增長的溫度和濕度環(huán)境中，在常溫下，應(yīng)至少養(yǎng)護(hù)15 d，氣溫較高時可適當(dāng)縮短濕養(yǎng)護(hù)時間;氣溫較低時，應(yīng)適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時間。

4 混凝土耐久性檢驗

為保證混凝土耐久性，特別是在海水環(huán)境內(nèi)不受氯離子侵蝕破壞，特委托“國家建筑材料工業(yè)房建材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心”對養(yǎng)護(hù)56 d的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件做氯鹽環(huán)境下電通量檢測，檢測結(jié)果符合鐵建設(shè)［2005］157號《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)中氯鹽環(huán)境下混凝土電通量的要求。檢驗報告摘要如表6。由表6可知，此種配合比的混凝土滿足海水條件下施工要求，能夠保證混凝土的強(qiáng)度及耐久性。

表6 檢驗報告摘要

5 保證混凝土的耐久性輔助措施

1)加大混凝土保護(hù)層的厚度，將樁基鋼筋保護(hù)層厚度加大至10 cm、承臺和墩身的保護(hù)層厚度加大至6 cm，防止由于混凝土保護(hù)層碳化引起鋼筋鈍化膜的破壞。

2)在承臺和墩身的鋼筋保護(hù)層內(nèi)加一層鋼絲網(wǎng)片，本工程采用的是φ3.5的冷拔鋼絲網(wǎng)片，防止因混凝土表面的開裂導(dǎo)致海水對混凝土的侵蝕。

3)采用環(huán)氧樹脂、聚氨酯為基的復(fù)合型或厚涂層對承臺及墩身的混凝土表面進(jìn)行防護(hù)，復(fù)合型涂層或厚涂層與混凝土的黏結(jié)力不小于1.5 N/mm2。經(jīng)現(xiàn)場進(jìn)行試驗和比選，選用中國鐵道科學(xué)研究院研制的ZV型修補(bǔ)膠和ZB罩面膠進(jìn)行涂刷防腐。施工工藝:首先采用ZV修補(bǔ)膠和冀東普通硅酸鹽R425水泥按1∶1(重量比)配置成漿液涂刷3道，以封閉因養(yǎng)護(hù)不當(dāng)可能出現(xiàn)的細(xì)微裂紋或表面缺陷;然后采用ZB罩面膠涂刷2道，以增強(qiáng)涂層的硬度、光澤度、耐久性和耐水性。

6 結(jié)語

通過對海水環(huán)境混凝土施工進(jìn)行深入研究，從海水環(huán)境混凝土耐久性問題入手，在查閱大量相關(guān)資料并進(jìn)行試驗的基礎(chǔ)上，采取以優(yōu)化混凝土配合比、加強(qiáng)施工過程控制等為主要措施，有效解決了海水環(huán)境混凝土的自身密實度問題。通過改變混凝土配合比，加入粉煤灰等材料代替水泥，在保證了海水環(huán)境下混凝土耐久性的同時，節(jié)省了費(fèi)用，也減小了混凝土硬化過程中水化熱、降低了出現(xiàn)溫度裂縫的可能性。同時采取了其他進(jìn)一步保證混凝土耐久性的相關(guān)措施，取得了良好的效果，可以為今后海域混凝土施工提供參考。

［1］中華人民共和國鐵道部．TB10203—2002 鐵路橋涵工程施工規(guī)范［S］．北京:中國鐵道出版社，2002．

［2］中華人民共和國鐵道部．鐵建設(shè)［2005］157號 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計暫行規(guī)定［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［3］中華人民共和國鐵道部．鐵建設(shè)［2005］160號 鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國鐵道出版社，2005．

［4］江京平，戴友保，彭建萍．武廣鐵路客運(yùn)專線耐久性混凝土施工技術(shù)［J］．鐵道建筑，2010(1):153-155．