120年使用年限海工高性能混凝土配合比设计

120年使用年限海工高性能混凝土配合比设计

1大桥工程概况香港珠澳大桥（pgb）是珠江三角洲环海路的快速一部分。项目速度为每小时100.120公里，横跨珠江口年轻的大海。这是连接香港、珠海和澳门的主要海上航线。大桥主体工程采用桥隧组合方式,大桥主体工程全长约29.6km,海底隧道长6.7km。大桥的设计寿命为120年,预计于2016年完工。大桥落成后,将会是世界上最长的六线行车沉管隧道,及世界上跨海距离最长的桥隧组合公路。CB03标东起西人工岛连接桥,西接深水区CB04标,总长8670m。本标段共需预制非通航孔桥68个墩台,通航孔桥4个墩台。承台为六边形结构,墩身为薄壁空心墩,壁厚0.8/1.2m,墩身截面尺寸为24.0m×3.5m,墩台采用直立式整体或分段预制,墩身作用环境属于海洋氯化物环境,环境作用等级为III-D,E,F。单件最大高度26.95m,最大质量3510t。2te的概念海工高性能混凝土(Highperformanceconcrete,简称HPC)是指用混凝土的常规材料、常规工艺,在常温下,以低水胶比、大掺量优质掺合料和较严格的质量控制制作的满足结构要求的强度、较高耐久性、高尺寸稳定性及良好工作性的混凝土。有以下特点:2.1高压混凝土浇筑hpc很多学者认为高性能混凝土强度应在60MPa以上,但高性能混凝土应根据工程的具体要求,向中等强度C30~C50适当延伸,“寿命优先,强度适宜”应作为HPC强度设计思路。2.2温度升小、温度增小、抗透性能好高性能混凝土具有优异的抗渗和抗介质侵蚀能力。使它具有高弹模、低收缩和低温度应变的特性。且在硬化过程中体积稳定,水化热低,温升小,冷却时温度收缩小,干燥收缩小,具有致密的细现结构,不易产生宏观及微观裂缝,抗透性能优良。海工混凝土耐久性指标是依据海洋环境和海域气候条件而定,所有海工混凝土氯离子的渗透性都会有严格的要求,桥梁工程各部位海工混凝土都以不同的氯离子渗透指标来控制,以满足在不同海洋环境下桥梁各部位混凝土的耐久性要求;抗冻性指标也是海工混凝土的一个耐久性设计指标。2.3混凝土凝土变形海工混凝土的体积稳定性体现在:一是混凝土在凝结过程中发生的体积变形,称为收缩变形,二是混凝土在承受荷载后发生的体积变形,如弹性变形、徐变变形等。2.4海工混凝土浆体海工高性能混凝土良好的工作性体现在它的流动性、可塑性、自密性和保坍性能上,海工混凝土应易于振捣,流动性大,可泵性好,浆体对集料的包裹性能良好,不易产生分层和泌水,稳定性好。2.5高经济性HPC采用大量优质掺合料替代部分水泥,降低了水泥用量,既降低了成本,又节约了资源,保护了环境。312混凝土政策方针为确保港珠澳大桥达到120年设计使用期限。墩身C50混凝土拌合性能、原材料及耐久性设计必须同时满足JGJ55《普通混凝土配合比设计规程》、JTG/TF50《公路桥涵施工技术规范》、JTS202《水运工程混凝土施工规范》、GB50164《混凝土质量控制标准》,既满足国标又满足行业标准,部分指标更是高于国内相关规范标准。(1)混凝土拌合物坍落度控制在160~220mm;坍落度损失值:1h坍落度损失值不大于20mm,1h坍落扩展度损失不大于50mm。(2)混凝土拌合物水溶性氯离子含量不大于0.06%。(3)混凝土拌合物总碱含量不大于3.0kg/m3(以Na2O当量计)。(4)混凝土拌合物三氧化硫含量不应大于4%(所占胶凝材料比例)。(5)最大氯离子扩散系数: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胶比0.36,胶凝材料用量360~480kg/m3。(7)混凝土原材料质量要求:水泥宜采用不低于P·O42.5级水泥,C3A控制在6%~8%,比表面积控制在300~380m2/kg;粉煤灰采用原状粉煤灰,符合GB1596《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中的I级粉煤灰,CaO含量不得大于10%;矿渣粉采用S95级,比表面积控制在400~450m2/kg;细骨料选用天然河砂,细度模数2.6~3.0,含泥量小于2%,粗骨料采用反击破工艺生产,要求连续级配,最大粒径不超过25mm,粗细骨料不得具有潜在碱骨料反应活性。4联合竞争系统的试验4.1矿粉、砂砂料利用水泥:广东珠海水泥厂生产的粤秀牌P·II42.5级水泥,比表面积355m3/kg,MgO含量2.18%,SO3含量2.74%,C3A含量6.26%,氯离子含量0.008%,碱含量0.33%;f-CaO含量0.14%;3d水化热290J/g,7d水化热356J/g。粉煤灰:福建漳洲电厂生产I级粉煤灰,细度7.1%,烧失量0.66%,需水量比92%,SO3含量1.00%,氯离子0.011%,碱含量1.87%,活性指数93%。矿粉:唐山唐钢生产,S95级,比表面积429m3/kg,氯离子0.024%,SO3含量0.07%,烧失量0.42%,活性指数7d为81%、28d为102%,流动度比大于96%。减水剂:江苏苏博特生产的聚羧酸缓凝型高效减水剂,氯离子含量0.19%,碱含量2.62%,减水率31%,常压泌水率比22%,28d收缩率比103%。粗集料:江门市新会白水带石场,5~10mm、10~20mm双级配反击破花岗岩碎石。表观密度2660kg/m3,含泥量0.4%,针片状含量0,压碎指标值5.4%,14d膨胀率0.07%。细集料:广东北江清远段天然河砂,细度模数2.7,表观密度2640kg/m3,含泥量0.2%,氯离了含量0.01%,硫化物含量0.3%,泥块含量0,14d膨胀率0.09%。拌合水:自来水。所有原材料质量符合国标及港珠澳大桥混凝土耐久性质量控制技术规程要求。4.2充填材料用量(1)C50混凝土强度标准差平均水平σ0取值5.5,混凝土配制强度:式中:fcu,0———混凝土施工配制强度,MPa;fcu,k———设计抗压强度标准值,MPa。(2)确定水胶比:依据港珠澳大桥技术规程桥墩最大水胶比为0.36,为满足强度及耐久性要求,选定水胶比为0.31。确定用水量和胶材用量:技术规程要求用水量不大于160kg/m3,计算选择用水量147kg/m3,计算胶凝材料用量147/0.31=474kg/m3,为提高抗氯离子渗透性,降低水化热温升,宜采用大量掺合料,技术规程要求如表1所示。所以确定水泥用量213kg/m3,粉煤灰用量119kg/m3,占胶材总量25%,矿渣粉用量142kg/m3,占胶材总量30%,掺合料用量符合规程要求。外加剂用量:474×0.8%=3.79kg/m3选定砂率:混凝土砂率宜控制在36%~45%,选择砂率γ=41%。(3)计算粗细骨料用量:采用体积法计算混凝土配合比,含气量а=1.8%,由下面两式计算粗细骨料用量:式中:mc0———水泥用量,kg/m3;mg0——碎石用量,kg/m3;ρw———水密度,kg/m3。经过计算得出:细骨料用量为714kg/m3,粗骨料用量为1035kg/m3。确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确定初步计算的配合比按照初步配合比进行试验调整,拌合量为30L,测定坍落度200mm,扩展度460mm,流动性良好,混凝土拌合物性能满足设计和施工要求,确定初步计算的配合比。以初步计算试配的混凝土配合比为基准配合比,分别计算水胶比为0.29和0.33时配合比,然后进行试验,计算试验时三个水胶比的配合比用水量保持相同,砂率在基准配合比的基础上分别相应减少和增加1%,经过试验,拌合物的工作性能均满足设计和施工要求,按三组配合比试验分别成型混凝土立方体抗压试件、氯离子扩散系数试件,养护条件为标养,相应龄期测得的结果见表2,各项性能指标见表3。4.4胶凝材料用量的确定根据表2测试的结果,绘制强度和水胶比关系曲线,如图1、2所示。根据抗压强度值及氯离子扩散系数值,通过插值法,并且考虑掺合料取代胶凝材料后剩余的水泥用量及胶凝材料的总量,来确定水胶比,计算相应的其他各参数用量,进行试拌,拌合物的工作性能及各主要控制参数应满足设计和施工要求,并且经济合理。从而选定合适的配合比选定配合比各项性能参数符合国家行业标准及《港珠澳大桥混凝土耐久性质量控制技术规程标准》要求。5海工桥梁工程中的混凝土与高效聚羧酸减水剂的应用采用此配合比,经过本标段近一年的墩台预制,混凝土拌合物工作性能良好,流动度满足现场高配筋施工要求。28d强度平均值66.3MPa,28d抗氯离子扩散系数平均值4.4×10-12m2/s(强度及抗氯离子扩散数据数来源于施工现场实体试验结果,统计周期2013年2月1日~203年9月25日,强度统计100组,耐久性统计10组)。实践表明,该配合比设计可行,满足港珠澳大桥桥梁工程120年设计使用年限要求。优质低水化热水泥,I级粉煤灰和S95级矿粉,大比例掺合料的使用,不仅能改善混凝土拌合物和易性,经济性,还能显著降低早期水化热,提高混凝土抗裂性能;低空隙率、级配良好、超低含泥量的高品质骨料,矿物掺合料的搭配,最大限度的减少了胶材用量及浆体率,提高了混凝土体积稳定性、致密性,提高了混凝土抗氯子扩散性;高效缓凝型聚羧酸减水剂,能推迟和削减水化热温峰,降低用水量,满足施工工艺所需时间要求,提高强度和耐久性。因此可见,高效聚羧酸减水剂、优质胶凝材料和高品质的骨料原材料,低水胶比,大掺合料的使用,是配制海工高性能混凝土的关键因素。当然,要生产出满足1