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提高混凝土耐久性措施在公路桥梁施工中的应用

作者:
刘瑞庆、郭旭超
来源:
2018/06/20 02:06
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高性能混凝土是按耐久性设计的混凝土。其耐久性的实质是指:混凝土在使用期间,会由于环境中的水、气体及其中所含侵蚀性介质浸入,产生物理的和化学的反应而逐渐劣化。混凝土的耐久性实质上就是抵抗这种劣化作用的能力。 
  一、影响混凝土耐久性的影响因素 
   设计高性能混凝土的着意点:当存在混凝土劣化的外部条件时,使混凝土本身密实并不产生原生裂缝,硬化后体积稳定而不产生收缩裂缝,同时减少混凝土内部受侵蚀的组分,以保证高性能混凝土的耐久性。高性能混凝土耐久性有主要内容: 抗冻性、抗化学侵蚀性、抗钢筋锈蚀性、抗碳化性、抗碱—集料反应性等。 
   1、防止混凝土中碱的带入 
   配制混凝土时由带进混凝土中一定数量的碱。配制混凝土时带入的碱是混凝土中各种原材料中碱含量之和。水泥在混凝土的各种组分中,水泥的用量较大,它的含碱量对控制混凝土的总碱量至关重要。使用低碱度水泥(Na2O•eq小于0.6%),用大量矿物外加剂取代部分水泥,使用无碱或低碱混凝土外加剂,都是抑制碱—集料反应的有效措施。在高强混凝土、特殊要求的混凝土中一定要注意控制水泥的碱含量,从而达到控制混凝土碱含量的目的。 
   2、掺矿物外加剂注意的问题 
   防冻剂的组成大多为早强组分+引气组分+防冻组分+减水组分;防冻剂的牌号繁多,各组成间比例变化大;温度越低的环境条件下,防冻剂的掺量也越大,对其带人混凝土中的碱量主要取决于其组成,难以准确计算。大量使用含碱的早强剂、防冻剂,使混凝土的碱性之高达到惊人的程度。这些都会成为工程发生碱—集料反应破坏的隐患。注意:只有当混凝土所用集料具有活性,并处于潮湿条件下,为了防止碱—集料反应,才需要控制混凝土中的碱。当所用混凝土的集料是非活性集料时,由外加剂带人的少量的碱,对混凝土无不利影响,碱对防止钢筋锈蚀尚起有益的作用,应该具体分析。 
   3、应力作用下水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性的研究 
   前苏联的一项研究表明:混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土的抗硫酸盐腐蚀能力、承载能力、变形能力与荷载条件(荷载水平、种类、历史等)有密切关系;压应力对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响与荷载水平有关,存在一个临界应力水平;拉应力在任何情况下都引起混凝土渗透性增大,抗硫酸盐腐蚀能力降低。即使对于高性能混凝土,荷载同样会加速其化学腐蚀速度,荷载水平越高,加速作用越强。荷载水平超过30%(弯曲荷载)即有显著的加速作用,超过50%时荷载引起的损伤超过化学介质的作用。“临界值”是随条件而变的,其中,最重要的条件之一是混凝土的碱度(pH值)。高性能混凝土中掺人大量矿物外加剂以后,消耗水泥水化产生的Ca(OH)2,“临界值”将会降低。水泥混凝土具有高碱性,如果选用适合于具体环境条件的正常材料,仔细设计和施工,使混凝土保护层具有密实组织、足够的厚度,就可以保证钢筋长期完好,不会锈蚀。混凝土发生破坏的最主要原因之一就是钢筋锈蚀,钢筋锈蚀危害之大已经远远超乎人的意料。 
   二、提高公路桥梁中混凝土耐久性的措施 
   1、 减少拌和水及水泥浆的用量 
   将拌和水的最大用量作为控制混凝土耐久性质量要求的一种标志,要比用最大水胶比(或水灰比)更为适宜。依靠水胶比的控制尚不能解决混凝土中因浆体过多,而引起收缩和水化热增加的负面影响。在高性能混凝土中,减少浆体量,增大骨料所占的比例,又是提高混凝土抗渗性或抗氯离子扩散性的重要手段。如果控制拌和水用量,则可同时控制浆体用量(浆骨比),就有可能从多个方面体现耐久性要求。 
   2、选择合理的胶凝材料体系 
   在胶凝材料体系中,降低混凝土的水泥用量,增大矿物细粉掺合料的用量,可以提高混凝土结构的体积稳定性和抵抗化学侵蚀的能力,降低内部缺陷,提高密实性。粉煤灰、磨细矿粉的添加,在过去曾被严重误解,以为对混凝土品质会有很大影响,但随着减水剂的应用,当水胶比较低时,大掺量矿物细粉掺合料配制的混凝土各方面品质优良,这一点已被近年的工程实践所证实,并已在1995年版的美国混凝土ACI318《结构混凝土规范》中被认同,也算平反了粉煤灰、磨细矿渣在混凝土中的行为,2009年5月1号实施的GB50476-2008《混凝土结构耐久性设计规范》中提出大掺量矿物掺合料混凝土水胶比不宜大于0.40。 
   3、降低水胶比 
   混凝土的强度与密实性很大程度上取决于水胶比,当然今后绿色高性能混凝土是要在掺加大量矿物掺合料的前提下控制水胶比在较低的水平。降低水胶比可以提高长期强度,有效降低界面水胶比,提高密实性,减少氢氧化钙在界面的富集现象,使界面强化。 
   4、合理使用水泥 
   选用低水化热和含碱量偏低的水泥,尽可能避免使用早强水泥、细度过细和高C3A含量的水泥。 
   5、掺用引气剂 
   掺用引气剂,引入微小封闭气泡,不仅可以有效提高混凝土抗渗性、抗冻性,而且可以明显提高混凝土抗化学侵蚀能力。这主要是由于这些微小气泡可以缓解部分内部应力,抑制裂纹生成和扩展。 
   三、加强公路桥梁施工中混凝土质量生产控制 
   在混凝土施工中,应当均匀搅拌、灌注和振捣密实及加强养护以保证混凝土的施工质量。板面板和桥面铺装层等体积表面积比较小的板式结构,浇注混凝土时混凝土拌和物表面失水过快,极易产生塑性收缩裂缝。在施工中加强覆盖,及时洒水养护可有效减少塑性裂缝的产生。采取二次搓毛压平措施,对已形成的塑性收缩裂缝有良好的愈合作用。混凝土干燥收缩裂缝的产生与混凝土配合比,初期养护情况、使用环境、结构约束及构造钢筋配置等多种因素有关。控制干燥收缩裂缝应采用综合治理措施,其要点是:优化混凝土的配比设计,严格控制水泥用量和绝对用水量是减少混凝土收缩变形,控制干燥收缩裂缝的基础。认真做好混凝土浇注后的早期养护是控制混凝土收缩裂缝的重要措施。对长大结构,采用分段间隔浇筑措施,减缓施工中的混凝土收缩对结构的不利影响。在箱梁桥(或T形梁桥)腹板的两则设置足够数量的防收缩钢筋是控制收缩裂缝的重要措施;由于箱梁顶板和底板的嵌固约束作用,腹板混凝土的收缩将受到限制,若腹内设置的水平防收缩钢筋间距过大,极易造成腹板出现收缩裂缝。 
   1、预防温度裂缝的措施 
   预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝、在混凝土组成材料中掺入适量的磨细粉煤灰减少水化热、加强混凝土养护、严格控制升温和降温速度。合理设置伸缩缝控制截面均匀温差裂缝。应根据梁体的伸缩量选择伸缩装置的型号。伸缩量的计算应综合考虑当地最高和最低有效气温值、混凝土收缩和徐变的影响。施工中应特别注意防止散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩缝,以保证伸缩缝能适应温度变化自由伸缩。截面上、下温差裂缝原则上应按考虑温差作用效应的短期荷载效应作用下的抗裂性计算来控制。在实际工程中为了减少箱形梁温度应力的不利影响,在不影响结构承载力的前提下,可在两侧腹板上设置通风孔(孔的直径可取100-200mm,间距为5-10m),使箱内空气流通,以减少箱梁的内、外温差。预防大体积混凝土截面内外温差裂缝的基本思路是减少水化热和降低内外温差。理论研究和工程实践表明,在混凝土拌合料中掺入适量的磨细粉煤灰,可以降低水化热。粉煤灰掺量一般不超过水泥重量的30%。桥梁施工中普通采用在混凝土内部预埋水管,在外部覆盖保温的综合措施,对降低截面内外温差,防止裂缝是有效的。 
   2、预防纵向(顺筋)裂缝的措施 
   混凝土结构的纵向(顺筋)裂缝,控其产生的原因可分为“先锈后裂”和“先裂后锈”两大类。 
  “先锈后裂”系指钢筋腐蚀后,由于腐蚀体积物体积膨胀作用,产生顺筋锈胀裂缝。顺筋胀裂缝的出现是钢筋腐蚀的标志,如不及时处理,将会加速钢筋腐蚀,影响结构的耐久性,危及结构安全。从设计角度,应从造成钢筋腐蚀的源头上采取措施,预防此类问题的发生。 
  “先裂后锈”系指由于某种原因结构出现局部纵向裂缝,由于水分和有害介质的侵入,造成钢筋腐蚀,腐蚀物锈胀,又会使裂缝进一步扩展。混凝土结构出现“先裂后锈”纵向(顺筋)裂缝的原因是极其复杂的,多数是由于设计和施工处理不当造成的意外伤害。 
   解决纵向(顺筋)裂缝问题的基本思路是从总结分析产生纵向(顺筋)裂缝的原因入手,对症下药,“防裂于未然”。 
   四、总结 
   总之,在高等级公路和桥梁的设计和施工时,要全面合理地考虑各种因素,采取综合的技术治理措施。

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