120年使用年限海工高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

120年使用年限海工高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

1大橋工程概況香港珠澳大橋（pgb）是珠江三角洲環(huán)海路的快速一部分。項(xiàng)目速度為每小時(shí)100.120公里，橫跨珠江口年輕的大海。這是連接香港、珠海和澳門的主要海上航線。大橋主體工程采用橋隧組合方式,大橋主體工程全長約29.6km,海底隧道長6.7km。大橋的設(shè)計(jì)壽命為120年,預(yù)計(jì)于2016年完工。大橋落成后,將會(huì)是世界上最長的六線行車沉管隧道,及世界上跨海距離最長的橋隧組合公路。CB03標(biāo)東起西人工島連接橋,西接深水區(qū)CB04標(biāo),總長8670m。本標(biāo)段共需預(yù)制非通航孔橋68個(gè)墩臺(tái),通航孔橋4個(gè)墩臺(tái)。承臺(tái)為六邊形結(jié)構(gòu),墩身為薄壁空心墩,壁厚0.8/1.2m,墩身截面尺寸為24.0m×3.5m,墩臺(tái)采用直立式整體或分段預(yù)制,墩身作用環(huán)境屬于海洋氯化物環(huán)境,環(huán)境作用等級為III-D,E,F。單件最大高度26.95m,最大質(zhì)量3510t。2te的概念海工高性能混凝土(Highperformanceconcrete,簡稱HPC)是指用混凝土的常規(guī)材料、常規(guī)工藝,在常溫下,以低水膠比、大摻量優(yōu)質(zhì)摻合料和較嚴(yán)格的質(zhì)量控制制作的滿足結(jié)構(gòu)要求的強(qiáng)度、較高耐久性、高尺寸穩(wěn)定性及良好工作性的混凝土。有以下特點(diǎn):2.1高壓混凝土澆筑hpc很多學(xué)者認(rèn)為高性能混凝土強(qiáng)度應(yīng)在60MPa以上,但高性能混凝土應(yīng)根據(jù)工程的具體要求,向中等強(qiáng)度C30~C50適當(dāng)延伸,“壽命優(yōu)先,強(qiáng)度適宜”應(yīng)作為HPC強(qiáng)度設(shè)計(jì)思路。2.2溫度升小、溫度增小、抗透性能好高性能混凝土具有優(yōu)異的抗?jié)B和抗介質(zhì)侵蝕能力。使它具有高彈模、低收縮和低溫度應(yīng)變的特性。且在硬化過程中體積穩(wěn)定,水化熱低,溫升小,冷卻時(shí)溫度收縮小,干燥收縮小,具有致密的細(xì)現(xiàn)結(jié)構(gòu),不易產(chǎn)生宏觀及微觀裂縫,抗透性能優(yōu)良。海工混凝土耐久性指標(biāo)是依據(jù)海洋環(huán)境和海域氣候條件而定,所有海工混凝土氯離子的滲透性都會(huì)有嚴(yán)格的要求,橋梁工程各部位海工混凝土都以不同的氯離子滲透指標(biāo)來控制,以滿足在不同海洋環(huán)境下橋梁各部位混凝土的耐久性要求;抗凍性指標(biāo)也是海工混凝土的一個(gè)耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)。2.3混凝土凝土變形海工混凝土的體積穩(wěn)定性體現(xiàn)在:一是混凝土在凝結(jié)過程中發(fā)生的體積變形,稱為收縮變形,二是混凝土在承受荷載后發(fā)生的體積變形,如彈性變形、徐變變形等。2.4海工混凝土漿體海工高性能混凝土良好的工作性體現(xiàn)在它的流動(dòng)性、可塑性、自密性和保坍性能上,海工混凝土應(yīng)易于振搗,流動(dòng)性大,可泵性好,漿體對集料的包裹性能良好,不易產(chǎn)生分層和泌水,穩(wěn)定性好。2.5高經(jīng)濟(jì)性HPC采用大量優(yōu)質(zhì)摻合料替代部分水泥,降低了水泥用量,既降低了成本,又節(jié)約了資源,保護(hù)了環(huán)境。312混凝土政策方針為確保港珠澳大橋達(dá)到120年設(shè)計(jì)使用期限。墩身C50混凝土拌合性能、原材料及耐久性設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足JGJ55《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、JTG/TF50《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》、JTS202《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》、GB50164《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》,既滿足國標(biāo)又滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),部分指標(biāo)更是高于國內(nèi)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。(1)混凝土拌合物坍落度控制在160~220mm;坍落度損失值:1h坍落度損失值不大于20mm,1h坍落擴(kuò)展度損失不大于50mm。(2)混凝土拌合物水溶性氯離子含量不大于0.06%。(3)混凝土拌合物總堿含量不大于3.0kg/m3(以Na2O當(dāng)量計(jì))。(4)混凝土拌合物三氧化硫含量不應(yīng)大于4%(所占膠凝材料比例)。(5)最大氯離子擴(kuò)散系數(shù):28d不大于6.5×10-12m2/s,56d不大于4.5×10-12m2/s。(6)混凝土拌合物最大水膠比0.36,膠凝材料用量360~480kg/m3。(7)混凝土原材料質(zhì)量要求:水泥宜采用不低于P·O42.5級水泥,C3A控制在6%~8%,比表面積控制在300~380m2/kg;粉煤灰采用原狀粉煤灰,符合GB1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的I級粉煤灰,CaO含量不得大于10%;礦渣粉采用S95級,比表面積控制在400~450m2/kg;細(xì)骨料選用天然河砂,細(xì)度模數(shù)2.6~3.0,含泥量小于2%,粗骨料采用反擊破工藝生產(chǎn),要求連續(xù)級配,最大粒徑不超過25mm,粗細(xì)骨料不得具有潛在堿骨料反應(yīng)活性。4聯(lián)合競爭系統(tǒng)的試驗(yàn)4.1礦粉、砂砂料利用水泥:廣東珠海水泥廠生產(chǎn)的粵秀牌P·II42.5級水泥,比表面積355m3/kg,MgO含量2.18%,SO3含量2.74%,C3A含量6.26%,氯離子含量0.008%,堿含量0.33%;f-CaO含量0.14%;3d水化熱290J/g,7d水化熱356J/g。粉煤灰:福建漳洲電廠生產(chǎn)I級粉煤灰,細(xì)度7.1%,燒失量0.66%,需水量比92%,SO3含量1.00%,氯離子0.011%,堿含量1.87%,活性指數(shù)93%。礦粉:唐山唐鋼生產(chǎn),S95級,比表面積429m3/kg,氯離子0.024%,SO3含量0.07%,燒失量0.42%,活性指數(shù)7d為81%、28d為102%,流動(dòng)度比大于96%。減水劑:江蘇蘇博特生產(chǎn)的聚羧酸緩凝型高效減水劑,氯離子含量0.19%,堿含量2.62%,減水率31%,常壓泌水率比22%,28d收縮率比103%。粗集料:江門市新會(huì)白水帶石場,5~10mm、10~20mm雙級配反擊破花崗巖碎石。表觀密度2660kg/m3,含泥量0.4%,針片狀含量0,壓碎指標(biāo)值5.4%,14d膨脹率0.07%。細(xì)集料:廣東北江清遠(yuǎn)段天然河砂,細(xì)度模數(shù)2.7,表觀密度2640kg/m3,含泥量0.2%,氯離了含量0.01%,硫化物含量0.3%,泥塊含量0,14d膨脹率0.09%。拌合水:自來水。所有原材料質(zhì)量符合國標(biāo)及港珠澳大橋混凝土耐久性質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程要求。4.2充填材料用量(1)C50混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差平均水平σ0取值5.5,混凝土配制強(qiáng)度:式中:fcu,0———混凝土施工配制強(qiáng)度,MPa;fcu,k———設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,MPa。(2)確定水膠比:依據(jù)港珠澳大橋技術(shù)規(guī)程橋墩最大水膠比為0.36,為滿足強(qiáng)度及耐久性要求,選定水膠比為0.31。確定用水量和膠材用量:技術(shù)規(guī)程要求用水量不大于160kg/m3,計(jì)算選擇用水量147kg/m3,計(jì)算膠凝材料用量147/0.31=474kg/m3,為提高抗氯離子滲透性,降低水化熱溫升,宜采用大量摻合料,技術(shù)規(guī)程要求如表1所示。所以確定水泥用量213kg/m3,粉煤灰用量119kg/m3,占膠材總量25%,礦渣粉用量142kg/m3,占膠材總量30%,摻合料用量符合規(guī)程要求。外加劑用量:474×0.8%=3.79kg/m3選定砂率:混凝土砂率宜控制在36%~45%,選擇砂率γ=41%。(3)計(jì)算粗細(xì)骨料用量:采用體積法計(jì)算混凝土配合比,含氣量а=1.8%,由下面兩式計(jì)算粗細(xì)骨料用量:式中:mc0———水泥用量,kg/m3;mg0——碎石用量,kg/m3;ρw———水密度,kg/m3。經(jīng)過計(jì)算得出:細(xì)骨料用量為714kg/m3,粗骨料用量為1035kg/m3。確定混凝土初步配合比213∶119∶142∶714∶1035∶147(其中:粗骨料5~10mm占30%,10~20mm占70%)。4.3確定初步計(jì)算的配合比按照初步配合比進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整,拌合量為30L,測定坍落度200mm,擴(kuò)展度460mm,流動(dòng)性良好,混凝土拌合物性能滿足設(shè)計(jì)和施工要求,確定初步計(jì)算的配合比。以初步計(jì)算試配的混凝土配合比為基準(zhǔn)配合比,分別計(jì)算水膠比為0.29和0.33時(shí)配合比,然后進(jìn)行試驗(yàn),計(jì)算試驗(yàn)時(shí)三個(gè)水膠比的配合比用水量保持相同,砂率在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上分別相應(yīng)減少和增加1%,經(jīng)過試驗(yàn),拌合物的工作性能均滿足設(shè)計(jì)和施工要求,按三組配合比試驗(yàn)分別成型混凝土立方體抗壓試件、氯離子擴(kuò)散系數(shù)試件,養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)養(yǎng),相應(yīng)齡期測得的結(jié)果見表2,各項(xiàng)性能指標(biāo)見表3。4.4膠凝材料用量的確定根據(jù)表2測試的結(jié)果,繪制強(qiáng)度和水膠比關(guān)系曲線,如圖1、2所示。根據(jù)抗壓強(qiáng)度值及氯離子擴(kuò)散系數(shù)值,通過插值法,并且考慮摻合料取代膠凝材料后剩余的水泥用量及膠凝材料的總量,來確定水膠比,計(jì)算相應(yīng)的其他各參數(shù)用量,進(jìn)行試拌,拌合物的工作性能及各主要控制參數(shù)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)和施工要求,并且經(jīng)濟(jì)合理。從而選定合適的配合比選定配合比各項(xiàng)性能參數(shù)符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及《港珠澳大橋混凝土耐久性質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)》要求。5海工橋梁工程中的混凝土與高效聚羧酸減水劑的應(yīng)用采用此配合比,經(jīng)過本標(biāo)段近一年的墩臺(tái)預(yù)制,混凝土拌合物工作性能良好,流動(dòng)度滿足現(xiàn)場高配筋施工要求。28d強(qiáng)度平均值66.3MPa,28d抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值4.4×10-12m2/s(強(qiáng)度及抗氯離子擴(kuò)散數(shù)據(jù)數(shù)來源于施工現(xiàn)場實(shí)體試驗(yàn)結(jié)果,統(tǒng)計(jì)周期2013年2月1日~203年9月25日,強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)100組,耐久性統(tǒng)計(jì)10組)。實(shí)踐表明,該配合比設(shè)計(jì)可行,滿足港珠澳大橋橋梁工程120年設(shè)計(jì)使用年限要求。優(yōu)質(zhì)低水化熱水泥,I級粉煤灰和S95級礦粉,大比例摻合料的使用,不僅能改善混凝土拌合物和易性,經(jīng)濟(jì)性,還能顯著降低早期水化熱,提高混凝土抗裂性能;低空隙率、級配良好、超低含泥量的高品質(zhì)骨料,礦物摻合料的搭配,最大限度的減少了膠材用量及漿體率,提高了混凝土體積穩(wěn)定性、致密性,提高了混凝土抗氯子擴(kuò)散性;高效緩凝型聚羧酸減水劑,能推遲和削減水化熱溫峰,降低用水量,滿足施工工藝所需時(shí)間要求,提高強(qiáng)度和耐久性。因此可見,高效聚羧酸減水劑、優(yōu)質(zhì)膠凝材料和高品質(zhì)的骨料原材料,低水膠比,大摻合料的使用,是配制海工高性能混凝土的關(guān)鍵因素。當(dāng)然,要生產(chǎn)出滿足1