淺談高性能混凝土在公路橋梁施工中的應用

摘 要:高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性、高強度和高體積穩定性等許多優良特性，被認為是目前全世界性能最為全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用，特別是在公路，橋梁、海港建筑等工程中顯示出其獨特的優越性，在工程安全使用期、經濟合理性、環境條件的適應性等方面產生了明顯的效益，因此被各國學者所接受，被認為是今后混凝土技術的發展方向。

關鍵詞:高性能混凝土公路橋梁

中圖分類號:U416.216文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0096-01

1 高性能混凝土的概念及歷史演變

高性能混凝土是指根據工程或結構構件的要求，必須滿足強度、工作性、耐久性三項基本要求。且根據工程或結構構件的特殊要求，具有某種特殊性能的新型高技術混凝土。上個世紀80年代，為了弄清當前混凝土在不同用途中存在的缺點和薄弱環節，美國曾對很多土建工程單位進行廣泛綜合調查，工程類別涉及基礎、柱、板、橋梁、隧道、公路、海港等，提出亟待改進和提高的混凝土性能依次為:體積穩定性、抗滲性、流動性、抗拉強度、護筋性、線膨脹系數等，還要降低工程成本。上述各種性能歸納起來就是強度、工作性和耐久性三大類，美國最初為創建高性能混凝土奠定了基礎，提出了混凝土發展的方向。1988年日本開始“利用高強度混凝土和增強措施，開發先進混凝土技術”的五年計劃。法國也提出了“混凝土新法”的國家科研項目。其中以美國對高性能混凝土投入的力量最大。近年來我國在國家自然基金會與建設部的支持下，由清華大學組織科研、設計、施工等單位制定了高性能混凝土的研究開發計劃，并取得多項應用成果，近期被建設部列入推廣應用新技術。

2 高性能混凝土的特性

與普通混凝土相比，高性能混凝土在組成與配合比方面有如下特點:(1)使用礦物摻合料。高性能混凝土一般都含有礦物摻和料硅粉、粉煤灰或磨細礦渣，經過國內外大型橋梁中的實際應用表明，其中以硅粉提高強度和耐久性的效果最顯著。硅粉為高活性、無定性SiO2微小顆粒，粒徑是水泥粒徑的1/100，可以填充在水泥顆粒之間，同時能將水泥水化產生的Ca(OH)2轉化為CSH凝膠(即火山灰反應)，從而大幅度提高混凝土強度和降低混凝土滲透性。在非常惡劣環境中要求混凝土結構具有長壽命，或混凝土強度等級在C80以上，硅粉是高性能混凝土的必要組成部分。優質粉煤灰具有物理減水作用，高細度礦渣具有增強作用。這兩種摻和料也都有火山灰反應活性，能夠在一定程度上降低混凝土滲透性;但粉煤灰和礦渣會降低混凝土早期強度。同時摻加硅粉和優質粉煤灰或高強度礦渣，可以配置高強同時耐久的混凝土。目前這種水泥+硅粉+粉煤灰或礦渣的三組份膠結材的高性能混凝土正在獲得越來越多的應用。(2)低水膠比。只有水膠比低，混凝土的孔隙率或滲透性才可能低，因此低水膠比是保證混凝土高耐久性于較高強度的前提條件之一。目前已形成共識:水膠比低于0.45的混凝土，不可能在嚴酷環境中具有高耐久性，實際應用的高性能混凝土水膠比常常介于0.25～0.40之間。(3)最大骨料粒徑小。高性能混凝土骨料的最大粒徑宜在10～20mm。有兩個原因，其一:最大粒徑較小，則骨料與水泥漿界面應力差較小，一位應力差可能引起裂縫;其二:較小骨料顆粒強度比大顆粒強度高，因為巖石破碎時消除了內部裂隙。(4)高效減水劑與水泥的相容性好。低水膠比和含有硅粉的高性能混凝土除必須使用高效減水劑以外，高效減水劑和水泥之間的相容性還必須好，這樣才能保證混凝土拌和物有良好的工作性。

3 混凝土在公路中的應用

高性能混凝土具有高施工性、高體積穩定性、高耐久性及足夠的力學強度，為此它能相對長時間承受隨沖刷、磨耗、冰凍、水的滲入、侵蝕等惡劣環境，高性能混凝土在公路應用中，其耐久性優點極為突出，一方面它可以提高路基施工質量，確保路基不下沉;另一方面需解決公路混凝土強度等級低，水泥用量少，從而形成了水泥用量少與耐久性要求之間的矛盾。

高性能混凝土是以耐久性為主要指標，同時要具有高強、高早強、高施工性(高流動、高粘聚性、高可澆注性)等優異性能。其配制的基本思想是:通過對原材料進行選擇，優化混凝土配比，摻入復合高效外加劑。同時其耐久性要大大好于普通混凝土。 公路高性能混凝土應根據公路混凝土的特點，結合高性能混凝土的優點，綜合考慮其各方面的性能要求來進行開發研究。但如果能從改變公路混凝土的施工工藝出發，不采用滑模攤鋪施工，而采用高流態(接近自流平)，坍落度達240～270mm的混凝土來施工，則該方法進一步豐富了公路高性能混凝土的內涵，其帶來的經濟效益和社會效益將是不可估量的。

4 高性能混凝土在橋梁中的應用

高性能混凝土廣泛用于很多離岸結構物和長大跨橋梁的建造，包括長大跨橋梁所用的拌合物。它們主要用于主梁、墩部和墩基，硅粉混合水泥。高性能混凝土有廣泛的應用性，具有易于澆注、搗實而不離析、能長期保持的力學性能，早期強度高，韌性高和體積穩定性好，在惡劣的使用條件下壽命長、高強度、高流動性與優異的耐久性。推廣高性能混凝土在橋梁中的應用，延長橋梁的使用年限和獲得更好的經濟效益。人們所關注的是高性能混凝土，而不僅僅是高強度混凝土。耐久性、養護的難易程度以及建設的經濟性已成為工程建設的目標。當前國內應用較好的如上海東海大橋用的混凝土，設計壽命100年，使用的“高性能海工混凝土”是粉煤灰、礦粉等廢料化腐朽為神奇，成為特殊的摻和材料，使海工混凝土既有高強度、耐久性、抗腐蝕等特性，又易于施工，直接節約材料成本2000萬元。不僅效果穩定，還能提前感知混凝土的過度疲勞。高性能混凝土在橋梁工程中應用的優點是:a）跨徑更長;b）主梁間距更大;c）構件更薄;d）耐久性增強;e）力學性能加強。

5 高性能混凝土在施工中需注意的問題

高性能混凝土的特點是低水膠比、高礦物摻和料、復摻外加劑，這與普通混凝土是不同的，這使得高性能混凝土在施工的質量控制、養護措施都與普通混凝土不同。低水膠比決定于混凝土的粘性變大，在混凝土的運輸、澆注、振搗工藝上必須嚴格控制，有的施工人員為方便施工而摻水，結果強度、耐久性大幅度下降;高礦物摻和料要求混凝土的養護必須到位，普通混凝土早期強度高水化快，對養護不是很敏感，但高性能混凝土則不同，高性能混凝土用水量低，易發生自身收縮而產生裂縫，所以澆筑搗實后，蓋上濕布或草簾進行早期養護。保證水化反應的正常進行是保證高性能混凝土高性能的重要工藝措施，在混凝土澆筑完畢后12小時以內，通過濕潤養護，使混凝土在良好的條件下進行水化反應。因為摻和料的活性比水泥小得多，對硅粉混凝土，要求潮濕養護14d，而粉煤灰混凝土則要養護21d才能達到預期效果，否則會發生表面掉面、耐磨性差等;復摻外加劑要求混凝土的拌合時間必須要長，外加劑的用量很小，若不保證拌合時間，根本分散不開，均勻性變差，致使外加劑不僅起不到作用，反而使混凝土表面質量下降。總之，在高性能混凝土在公路橋梁工程應用過程中，設計者和施工者應該在圍繞公路橋梁施工要求和混凝土的具體特征的基礎上，注重優化資源配置，以最大限度發揮高性能混凝土的性能特征，為提高橋梁施工工程質量奠定必要的物質基礎。