摘 要: 高性能海工混凝土配合比設(shè)計(jì)當(dāng)前還沒有統(tǒng)一的方法, 文章應(yīng)用正交配合比設(shè)計(jì), 論述了杭州灣大橋北航道橋索塔高性能海工混凝土的設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析, 提出了影響海工混凝土性能的幾個(gè)因素。
關(guān)鍵詞: 杭州灣大橋; 海工混凝土; 配合比設(shè)計(jì); 試驗(yàn)研究
1 工程概況
杭州灣大橋是目前最長(zhǎng)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(cè)面的斜率為1/3.888、內(nèi)側(cè)面的斜率為1/3.258; 中塔柱橫橋向外側(cè)面的斜率為1/5 .9, 內(nèi)側(cè)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(cè)面曲線半徑為100 m , 內(nèi)側(cè)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?qū)?.5 m , 順橋向?qū)?10 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(shè)置塔冠, 高5.0 m , 豎直設(shè)置。下塔柱底8m 和下橫梁處為實(shí)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(jìn)行施工。
索塔混凝土為C50 海工耐久性混凝土, 索塔混凝土設(shè)計(jì)方量為18 000 m 3, 混凝土塌落度設(shè)計(jì)要求在180～ 220 mm 之間, 混凝土初凝時(shí)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(shè)計(jì)原則
2.1 強(qiáng)度
標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度是混凝土最其本的技術(shù)指標(biāo), 在海工混凝土配合比設(shè)計(jì)中, 首先要滿足強(qiáng)度要求, 杭州灣大橋索塔混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C50, 施工中實(shí)際強(qiáng)度必須在50M Pa 以上, 才能符合質(zhì)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(yàn)技術(shù)管理水平, 根據(jù)配合比設(shè)計(jì)規(guī)程取R= 5.0, 因此, 混凝土的配制強(qiáng)度應(yīng)大于58.2M Pa。在索塔橫梁和鋼錨箱施工中, 涉及預(yù)應(yīng)力張拉, 在張拉前, 混凝土強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85% , 混凝土彈性模量要達(dá)到設(shè)計(jì)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(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的, 是以耐久性作為設(shè)計(jì)主要指標(biāo)的混凝土[ 2 ]?；炷谅入x子滲透系數(shù)是耐久性的一個(gè)主要控制指標(biāo)。而海工混凝土與普通混凝土的主要區(qū)別就是體現(xiàn)在氯離子滲透系數(shù)這個(gè)微觀的技術(shù)指標(biāo)上, 杭州灣大橋施工技術(shù)規(guī)范對(duì)海工混凝土氯離子滲透系數(shù)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(shù)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(shù), 混凝土材料中使用了比表面積比水泥大的優(yōu)質(zhì)粉煤灰和磨細(xì)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(shè)計(jì)時(shí)通過試驗(yàn)技術(shù)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?yàn)樾崩瓨? 兩索塔為薄壁結(jié)構(gòu), 混凝土在拆模后極易開裂, 索塔對(duì)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(chǎn)生也是綜合原因?qū)е? 在施工中應(yīng)該采取相應(yīng)的綜合措施, 盡量減少裂縫的數(shù)量、寬度和深度,將裂縫給混凝土結(jié)構(gòu)帶來的危害降低到較小程度。在配合比設(shè)計(jì)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(chǎn)生的熱量。
3 使用材料及試驗(yàn)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(biāo)采購, 各標(biāo)號(hào)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(chǎn)地為福建閩江砂場(chǎng), 中砂, 細(xì)度模數(shù)2.63,含泥量0.8, 表觀密度2.64 g/ cm 3。
碎石: 產(chǎn)地為寧波北侖, 5～ 25 mm 連續(xù)級(jí)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(jié)果符合5～ 25mm 的連續(xù)級(jí)配。
水泥: P.II42.5, 安徽海螺牌, 3 d 抗壓強(qiáng)度32.0M Pa, 28 d 抗壓強(qiáng)度52.8M Pa。
礦粉: 礦粉有安徽的朱家橋礦粉和上海寶田S95 級(jí), 經(jīng)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(shù)81% , 28 d 活性指數(shù)1.6% , 需水量比100%。
粉煤灰: 江蘇常熟電廠I 級(jí)風(fēng)選灰, 細(xì)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(qiáng)度比168% ,28 d抗壓強(qiáng)度比145%; 水泥和外加劑相容性試驗(yàn)符合要求。
拌和用水: 自來水, 各項(xiàng)指標(biāo)符合混凝土拌和用水要求。
3.2 海工混凝土試驗(yàn)方法
3.2.1 使用的主要儀器設(shè)備
主要儀器設(shè)備包括: STWJ - 60 臥式攪拌機(jī),1 m 2振動(dòng)臺(tái), STYE- 2000 型壓力試驗(yàn)機(jī), STL Z- 2型氯離子滲透儀等。
3.2.2 主要試驗(yàn)方法
混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)試件采用標(biāo)準(zhǔn)試件, 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法, 在規(guī)定的時(shí)間內(nèi), 測(cè)定海工混凝土的抗壓強(qiáng)度。
海工混凝土抗氯離子試驗(yàn)采用A STMC1202 混凝土直流電量法, 試驗(yàn)儀器采用清華大學(xué)改進(jìn)的A STMC1202 電量法測(cè)試儀, 通過量測(cè)混凝土試件在30 V 直流電壓下通電6 h 通過的電量, 以評(píng)價(jià)混凝土的滲透性。試件采用標(biāo)準(zhǔn)試件, 用取芯機(jī)切割成規(guī)定直徑的圓柱體, 然后進(jìn)行氯離子滲透試驗(yàn)。
海工混凝土抗裂試驗(yàn)采用傳統(tǒng)的平板試驗(yàn), 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(yàn)機(jī)進(jìn)行, 試件采用150 mm ×150 mm ×300 mm , 測(cè)定變形情況, 根據(jù)理論公式計(jì)算彈性模量值。
4 索塔配比的設(shè)計(jì)思路及要求
4.1 設(shè)計(jì)思路
索塔配合比設(shè)計(jì)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(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合《杭州灣大橋施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求, 首先要對(duì)原材料進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn), 滿足設(shè)計(jì)要求后, 應(yīng)用正交設(shè)計(jì)方法, 有針對(duì)性地進(jìn)行材料組合試驗(yàn); 然后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果逐一進(jìn)行記錄, 歸納后分析比較, 找出既滿足施工技術(shù)要求又能滿足經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的配合比。
4.2 設(shè)計(jì)要求
根據(jù)《杭州灣大橋施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)海工混凝土的相關(guān)要求, 索塔配合比應(yīng)滿足表1 要求。
5 正交配比設(shè)計(jì)
高性能海工混凝土的配合比, 到目前為止仍然沒有一個(gè)大家公認(rèn)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(gè)明確的定義有關(guān),但更重要的是試驗(yàn)表明高性能海工混凝土的性能指標(biāo)與混凝土中所摻入的材料不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)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(yàn), 是采用正交設(shè)計(jì)方法處理多因素的試驗(yàn),在理論上和應(yīng)用中已經(jīng)被證明是一種科學(xué)的方法。利用規(guī)格化的正交表, 對(duì)選定的因素, 合理安排試驗(yàn)。只要做較少的試驗(yàn), 就可以獲得比較多的信息,得出正確的結(jié)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(yàn), 并就試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究。
5.1 挑因素, 選水平
水膠比決定混凝土的強(qiáng)度, 混凝土摻合料的用量與混凝土耐久性關(guān)系密切, 決定著氯離子滲透系數(shù)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(yàn)因數(shù), 通過正交試驗(yàn)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(shè)計(jì)試驗(yàn)水平見表2。
5.2 正交試驗(yàn)
根據(jù)試驗(yàn)因素及水平個(gè)數(shù)并考慮因素交互作用影響, 結(jié)合試驗(yàn)的規(guī)模選取L 9 (39) 正交表來安排試驗(yàn), 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(yàn)配比見表3。
5.3 試驗(yàn)結(jié)果
在索塔施工前4 個(gè)月, 對(duì)原材料進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),質(zhì)量應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)和《杭州灣大橋施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的要求。估算正交設(shè)計(jì)法配比試驗(yàn)所需要混凝土原材料數(shù)量, 然后做好相應(yīng)材料準(zhǔn)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(yàn), 并做好試驗(yàn)記錄。試件頂面用濕布覆蓋, 放置1 d 后標(biāo)識(shí)用途和制作日期, 并在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)試件, 記好試驗(yàn)臺(tái)賬。待混凝土齡期時(shí), 做規(guī)定齡期的抗壓強(qiáng)度和氯離子滲透系數(shù)試驗(yàn)。
同時(shí)還要進(jìn)行混凝土抗裂性試件的制作。索塔各組混凝土配比的試驗(yàn)指標(biāo)如表4。
6 試驗(yàn)結(jié)果分析
就本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象來看, 經(jīng)分析不難發(fā)現(xiàn)海工混凝土的技術(shù)性能及其影響因素。現(xiàn)就海工混凝土在強(qiáng)度、抗?jié)B性能、抗裂性能、可泵性等方面的技術(shù)性能加以分析。
6.1 海工混凝土的強(qiáng)度
普通混凝土的水灰比決定著強(qiáng)度, 海工混凝土屬于高性能混凝土, 據(jù)有關(guān)技術(shù)研究表明, 高性能混凝土的強(qiáng)度不僅與水膠比有關(guān), 還與砂率有關(guān)。從A 1 到A 9 的數(shù)據(jù)來看, 在砂率一定時(shí), 強(qiáng)度指標(biāo)與水膠比成正比, 海工混凝土水膠比越小強(qiáng)度越大; 在同水膠比下, 隨著混凝土膠凝材料的增多, 強(qiáng)度也增加。
從抗壓強(qiáng)度和彈性模量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出, 海工混凝土隨著礦粉摻量的減少, 早期強(qiáng)度也隨之減小, 但28 d 強(qiáng)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(jié)構(gòu), 提高了混凝土結(jié)合面的膠結(jié)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(biāo), 從A 1 到A 9 的數(shù)據(jù)來看, 海工混凝土隨著礦粉摻量的減少, 氯離子滲透系數(shù)減小。水膠比卻與氯離子滲透系數(shù)成正比, 這是因?yàn)榈V粉的比表面積比較大, 填充混凝土后能使它的結(jié)構(gòu)更密實(shí)。
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(zhì)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(yàn)數(shù)據(jù)中也可以看出, 礦粉摻量越高, 混凝土早期強(qiáng)度就越高, 混凝土就越容易開裂, 從上到下, 混凝土的裂縫數(shù)量是逐漸減小的。
7 結(jié)語
在4 個(gè)月的對(duì)索塔海工混凝土的設(shè)計(jì)、配制、試驗(yàn)過程中, 經(jīng)過認(rèn)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(qiáng)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(duì)它做了幾次校核, 發(fā)現(xiàn)混凝土的技術(shù)性能和試驗(yàn)指標(biāo)與試配時(shí)的波動(dòng)很小, 在斜拉橋高塔施工中, 對(duì)混凝土泵送是十分有利的。通過對(duì)索塔海工混凝土配合比設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的分析, 希望能對(duì)類似橋梁工程及海港工程施工, 以及對(duì)混凝土的配制和研究提供一點(diǎn)素材和經(jīng)驗(yàn)。高性能海工混凝土配制作為新技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng), 因而對(duì)海工混凝土相關(guān)技術(shù)的研究和施工性能的探討, 還有待工程技術(shù)人員進(jìn)一步地研究和總結(jié)。
參考文獻(xiàn):
[1 ] 杭州灣大橋指揮部. 杭州灣跨海大橋?qū)Ｓ檬┕ぜ夹g(shù)規(guī)范[S ].2005.
[ 2 ] 第五屆全國混凝土耐久性學(xué)術(shù)交流會(huì)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(yīng)用[J ].公路, 2005, (4) .
[4 ] 蔡正詠.正交設(shè)計(jì)在混凝土中的應(yīng)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(yàn)法設(shè)計(jì)水泥混凝土配合比[J ].河南交通科技, 1997, (5) .
