仪多多
用户中心

最新订单状态:

    最近浏览的商品:

    0我的购物车 >
    购物车中还没有商品,赶紧选购吧!

    服务中心

    • 北京
    • 广州
    • 上海
    • 成都

    联系人:张经理

    电话:010-83628672

    邮箱:yiduoduo1718@126.com

    广州服务中心内容

    上海服务中心内容


    成都服务中心内容


    合作媒体更多...

    港珠澳大桥海工高性能混凝土结构耐久性设计及其实现

    时间:2019-05-09    作者:张宝兰     

      引言

      港珠澳大桥工程总投资超过1200亿人民币,位于珠江口岸横跨伶仃洋海域,东接香港,西接珠海和澳门,全长55公里,由4岛、1隧、1桥多种复杂结构形式组成的超大型跨海交通工程。港珠澳大桥地处华南地区高温、高湿、高盐海洋腐蚀环境,要确保其120年使用寿命极具挑战。港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计及其实现,需要从三个方面进行,一是基于相似环境下的长期暴露试验并结合工程调查数据,利用Fick定律扩散模型进行混凝土结构耐久性参数设计:氯离子扩散系数、保护层厚度等;二是混凝土质量控制技术:包含混凝土配合比设计、原材料质量控制、混凝土生产质量控制、浇筑养护质量控制等;三是开通后的运营维护:预先埋设观测点进行定期观测、根据观测结果定期进行耐久性评估、并采取相应的维护保养措施形成耐久性维护技术。本文简单阐述混凝土结构耐久性设计技术,着重介绍港珠澳大桥沉管混凝土配合比设计的过程,把混凝土生产质量过程控制的经验介绍给大家,为今后类似工程提供理论和实践参考。

     

    图1 港珠澳大桥

      1 混凝土耐久性设计技术

      利用在湛江暴露试验站放置试件所采集的试验数据以及华南地区港口码头调查所获得的数据做依据,按照可靠度理论,采用Fick定律扩散模型进行耐久性设计,建立设计使用年限、氯离子扩散系数、钢筋保护层厚度等参数间的定量关系。

      1.1 临界氯离子浓度、混凝土表面氯离子浓度的确定

      港珠澳大桥与湛江暴露试验站相距仅四百多公里,表1中可见港珠澳大桥所处环境与湛江暴露站环境高度相似。

      表1 港珠澳大桥与湛江暴露站环境

      湛江暴露试验站按大气区、浪溅区、水位变动区、水下区放置了不同配比2500多组试件,按不同龄期采集样本进行测试,对大量测试数据进行统计分析来确定混凝土临界氯离子浓度、表面氯离子浓度。

      1.2 Fick定律及扩散模型

      以氯离子渗透抵达钢筋表面时作为耐久性极限状态,设计方程为:

      G=Ccr-Cs[1-erf(xd/2√DcttSL)]        (1)

      式中:Ccr,s为混凝土临界氯离子浓度和表面氯离子浓度(%);xd为混凝土保护层深度(m);Dcl为氯离子扩散系数(m2/s);tSL为设计使用年限;erf为误差函数。

      对95个长期样本数据进行统计分析表明,氯离子扩散系数随时间呈指数衰减关系,但氯离子扩散不会无限衰减,故将衰减周期定为30年,氯离子扩散系数随时间衰减见公式(2)、(3)。

      Dcl(t)=Dcl(28)(28/365t)n  t≦30    (2)

      Dcl(t)=Dcl(28)(28/365×30)n  t>30   (3)

      式中:t为龄期;n为氯离子扩散系数时间衰减指数;Dcl(28)为28d龄期时的氯离子扩散系数(实测暴露试验数据)。

      按照可靠度理论确定分项系数将Fick扩散模型修正为:

                                          (4)

      式中:gc 、g,s, 、g D、g n为参数分项系数;xdnom为名义保护层厚度;Λxd为保护层厚度允许偏差(约为10mm);h=(28/365×30)n;为设计使用年限。

      1.3 钢筋保护层厚度的确定

      根据式(4)以氯离子扩散系数特征值Dcl(28)和名义保护层厚度作为变量,设计年限定为120年,得出不同暴露条件(区域)下钢筋混凝土构件保护层厚度与氯离子扩散系数的关系,见图2所示。

     

    图2钢筋混凝土构件保护层厚度与56d氯离子扩散系数的关系

      1.4 长期暴露试验氯离子扩散系数与NT build492方法测试氯离子扩散系数关系

      图2中为暴露试验实测氯离子扩散系数与保护层厚度的关系,但理论计算扩散系数不等于实际构件耐久性质量控制指标,因此需要将长期暴露试验数据与快速试验数据之间进行相关性转换。图3为快速氯离子扩散系数与暴露试验实测氯离子扩散系数之间的关系。

     

     图3 快速试验扩散系数与暴露试验系数关系

      D0(控制)=k.D0(寿命)               (5)

      式中:D0(控制)为快速试验氯离子扩散系数;D0(寿命)为实测暴露氯离子扩散系数;k为转换系数。

      从图3中可以看到,暴露试验扩散系数与快速试验扩散系数的相关性不高,但为了提高耐久性安全保证率,将扩散系数转换系数k值取为2,即可将寿命计算理论扩散系数转换为快速试验扩散系数控制值,将港珠澳大桥混凝土构件最大氯离子扩散系数及最小保护层厚度按不同部位及所处环境对应列于表2。

      表2 港珠澳大桥混凝土构件最大氯离子扩散系数及最小保护层厚度

      2 海工高性能混凝土性能要求

      港珠澳大桥混凝土配制的基本原则是:满足混凝土强度、耐久性的前提下,同时满足施工性、抗裂性要求、尽可能兼顾经济环保。

      2.1桥梁结构混凝土性能

      桥梁分通航孔桥和非通航孔桥,构件类型多,综合考虑结构尺寸、施工工艺、使用环境、强度、耐久性等因素,不同部位混凝土性能指标要求如表3所示,同时根据施工现场情况对混凝土状态进行调整。

      表3 桥梁结构混凝土性能要求

      2.2预制沉管混凝土性能指标

      港珠澳大桥沉管隧道深埋海底-44.5m,隧道全长6704m,预制沉管隧道长5664m,单节隧道尺寸为37.95m×11.4m×22.5m,最大壁厚1.5m,采用工厂法、流水线生产、全断面一次性浇筑,单次浇筑方量近3400方混凝土,沉管节段结构巨大、钢筋密集、预埋件众多,对混凝土工作性、重塑性能、凝结时间要求极高。为适应顶推工艺,增加了3d强度要求,综合分析确定沉管混凝土性能要求见表4、表5。  

    图4 沉管隧道设计方案图 

    图5 预制沉管实景图

      表4 沉管新拌混凝土工作性能要求

      表5 沉管硬化混凝土性能要求

      3 混凝土结构施工质量控制技术

      3.1 混凝土配合比设计思路

      (1)依据构件尺寸大小、浇筑工艺、所处腐蚀暴露环境,确定新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的力学性能、耐久性要求、抗裂性要求;

      (2)调研和优选符合要求的原材料;

      (3)参考早期科研放置在暴露试验站大掺量粉煤灰、矿渣粉混凝土配合比,不断对新拌混凝土性能测试、挑选满足新拌混凝土性能要求的配比成型试件进行硬化性能、胶凝材料组成水化放热测试,确定水胶比大小、胶凝材料比例、用量范围等;

      (4)优选出几组符合要求的混凝土配合比,进行多尺寸模型验证试验,并利用沉管模型试验所得数据进行有限元仿真验证分析,最终获得符合要求的沉管混凝土理论配合比。

      下面以沉管混凝土配合比设计为例,对上述思路进行说明。

      3.2 沉管混凝土配合比设计

      沉管处于深海中,最大埋深达-44.5米,在耐久性设计上,把沉管外侧按照最严苛暴露环境浪溅区考虑,内侧按照海洋环境大气区考虑,作为不可更换部件,抗渗和防裂要求不能出现危害性裂缝,水化热与收缩是影响混凝土开裂的两个最主要因素。

      3.2.1不同胶凝材料体系对氯离子扩散系数的影响

      图6为不同胶凝材料体系混凝土暴露于海洋环境浪溅区5a的氯离子扩散系数。图中显示大掺量粉煤灰+矿渣粉胶凝材料体系具有优异的抗氯离子渗透性,初始扩散系数最小且衰减最快。

     

    图6 长期暴露试验混凝土氯离子扩散系数

      3.2.2 不同胶凝材料体系的混凝土强度、开裂敏感性研究

      对粉煤灰+矿渣粉胶凝材料体系的水化放热量和抗裂性进行研究,试验结果如图7所示。胶凝材料用量和胶凝材料组成比例,水化放热量及对开裂的敏感性是影响混凝土结构抗裂性能的关键因素。从图7.a可以看出,掺入粉煤灰和矿渣粉后可显著降低胶凝材料体系的水化放热量,并且水化放热量随着矿物掺合料掺量提高而降低。胶凝材料开裂时间比以纯硅酸盐水泥小圆环试验开裂时间为基准,图7.b表明矿物掺合料能够显著延长开裂时间,降低开裂敏感性,大大提高混凝土抗开裂性能。

     

      图7 胶凝材料体系的水化放热及开裂时间比

      图8表示不同胶凝材料体系对混凝土强度的影响。在水胶比相同条件下,28d龄期后,除单掺粉煤灰混凝土外,其他混凝土的强度均高于纯硅酸盐混凝土,且其抗压强度随龄期增长而增加。分析不同胶凝材料体系性能列于表6中,可以看出混掺粉煤灰和矿渣粉体系的综合性能最好。

     

    图8不同胶凝材料体系混凝土抗压强度

      表6 不同胶凝体系性能

     

      3.2.3 水胶比对混凝土氯离子扩散系数及抗压强度的影响

      图9为水胶比对混凝土抗氯离子扩散系数及强度的影响。从图9中可以看出,混凝土抗压强度及氯离子扩散系数分别随着水胶比的降低而提高、下降。为确保新拌混凝土的工作性,混凝土28d强度达到C45,水胶比宜大于0.33,为确保耐久性氯离子扩散系数满足要求,水胶比应小于0.38。

     图9 水胶比对混凝土抗氯离子扩散系数及强度的影响

      3.2.4 浆体比例对混凝土抗裂性及工作性的影响

      利用温度应力试验机获得浆体比例与抗裂安全系数之间的关系,得到混凝土的抗裂安全系数随着浆体比例的提高而降低,为满足混凝土抗裂性要求,浆体比例宜小于31.5%。

      表7

      3.2.5骨料粒径大小对混凝土氯离子扩散系数的影响

      研究了粗集料最大粒径对混凝土抗氯离子扩散系数的影响,得到在相同条件下,氯离子扩散系数随集料粒径增大而增大。

      3.2.6多尺度模型试验确定混凝土生产配合比、浇筑温度控制指标

      在港珠澳大桥主体结构中,沉管对混凝土综合性能要求最高,包括最高的工作性和抗裂防渗性能要求。因此,沉管混凝土生产配合比的确定经历了一个漫长而艰巨的过程。转战广州、新会、珠海总营地、珠海桂山四地,进行了1年多的室内试验,6次现场小尺寸模型试验,2次足尺模型试验,验证了皮带输送和泵送两种不同浇筑工艺,最终确定了表8所示的混凝土生产配合比,表9、表10为沉管新拌混凝土性能及硬化混凝土性能。 

    图10 小尺寸模型试验

           图11  足尺模型试验

      表8  沉管混凝土的生产配合比(kg/m3)

      表9 沉管新拌混凝土性能

    表10 沉管混凝土硬化后性能

         通过现场多尺度模型试验研究,制定了混凝土生产及浇筑温度控制指标,如表11所示。

      表11 沉管混凝土温度控制指标

      3.3沉管混凝土原材料质量控制

      原材料的质量控制按照相关国家标准和《港珠澳大桥混凝土耐久性质量控制技术规程》执行。有区别的地方是:

      (1)将矿渣粉的7d活性指数放宽至65%,其他指标满足S95级要求;

      (2)粉煤灰的需水量比≦100%,其他指标符合Ⅰ级粉煤灰要求;

      (3)碎石紧密堆积空隙率≦40%;

      (4)减水剂收缩率比小于95%,含气量小于2.5%,建议在1.5~2.0%。

      3.4沉管混凝土生产质量控制

      即使室内研究混凝土配合比所有指标没有问题,但最终混凝土结构能否达到和满足设计指标的要求,要靠混凝土生产过程中的质量控制、浇筑质量控制来实现。

      在混凝土生产过程中,采取各种措施尽可能降低各类原材料的温度,降低出机温度,确保混凝土浇筑入模温度低于26℃,以控制沉管混凝土最高温升及内外表温差,降低混凝土开裂的风险;制度化的测定混凝土出机、入模时的坍落度、温度、容重和含气量,采取的具体措施如下(不是全部):

      (1)搭设带高棚的砂石料场,提前将砂石料转运入料场中,降低砂石料温度;

      (2)设置粉料中转仓,降低粉料温度;

      (3)对搅拌站操作室、上料称量系统封闭设置,布设大功率空调、冷风系统;

      (4)在混凝土生产过程中,采用碎冰、5℃~8℃冷却水取代常温拌合水控制混凝土出机温度;

      (5)混凝土运输车、泵送管全部包裹,夏季定时喷淋降温,冬季保温,入泵口搭设遮阳(雨)棚,避免阳光直射和雨水落入;

      (6)在混凝土生产过程中,每4h对集料含水率进行检测,控制混凝土入模坍落度维持在200±20mm。

      3.5 人员管理制度

      预制沉管混凝土质量要达到120年使用寿命,第一步就是要把实际浇筑的混凝土按照设计好的配合比生产出来并浇筑振捣密实(关键重点),确保保护层厚度符合要求,作为原材料质量检控、混凝土生产质量保证部门,在提供高品质混凝土方面起到关键作用,事情都是由人操作来完成的,在此将在工作中建立的混凝土生产质量控制的人员管理制度提供给大家参考。

      (1)三岗位质量监督反馈制度——即在搅拌机出料口、泵机入口和浇筑区泵管出口三岗位进行全天候不间断监测、检测混凝土状态,如有波动则通过微信实时反馈混凝土状态,搅拌站控制人员和前场实时联动及时调整;

      (2)三级巡检制度——即带班组长、技术与质量负责人、试验室主任三级巡检,对混凝土状态进行评价,指导搅拌站控制人员及时调整;

      (3)三会制度——即浇筑前交底会、浇筑中交接班会、浇筑完毕后的总结会,交底会是把原材料的检测情况告知所有生产值班人员,注意混凝土生产过程中应重点注意问题及调整的方向;交接班会指生产过程上一班人员将混凝土生产情况、浇筑施工情况向接班人员交代清楚,合理安排混凝土生产进度避免等待时间过长;浇筑完毕后通过现场视频、图片进行分析混凝土状态,结合拆模后的情况进行分析措施的有效性,全员参与讨论、持续培训和提高生产质量控制水平和质量意识。

      4 沉管混凝土性能评定

      (1)保护层厚度:利用雷达仪检测技术测定每个节段底板、外墙、内墙、中墙随机两个区域的保护层厚度,统计分析了沉管钢筋保护层厚度分布,保护层厚度合格率≥90%,最大负偏差不超过5mm,保护层厚度控制满足设计要求。

      (2)混凝土强度评定:对4270组留置混凝土强度试件进行测试并进行统计分析,强度值符合正态分布规律, 28d抗压强度平均值57.7MPa,标准偏差为3.3MPa;56d抗压强度平均值66.5MPa,标准偏差3.0MPa,均满足设计要求。

      (3)氯离子扩散系数评定:对504组留置试件进行氯离子扩散系数试验,得到了氯离子扩散系数也成正态分布。28d氯离子扩散系数均值为5.0×10-12m2/s,标准偏差0.5×10-12m2/s;56d氯离子扩散系数平均值为3.1×10-12m2/s,标准偏差0.3×10-12m2/s。

      5 结语

      本文介绍了港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计及其实现的方法;以港珠澳大桥沉管混凝土配合比设计为例,着重介绍海工高性能混凝土配合比设计方法;总结了沉管混凝土生产、浇筑经验;通过港珠澳大桥沉管混凝土配合比的实际应用,证明适当的水胶比(0.35)、极低的胶凝材料用量(28天C45,420kg/m3)、大掺量粉煤灰、矿渣粉的混掺体系,对抑制混凝土开裂极为有利。港珠澳大桥混凝土配合比设计经历了室内试验研究、现场多尺度模型试验研究过程,结合浇筑工艺对混凝土进行工作性、耐久性验证最终确定配合比的过程,对类似工程具有极重要的参考意义。



    上一篇:建筑工程桩基检测技术及应用

    下一篇:浅谈冷再生、改性沥青施工工艺在施工过程中的运用及工程质量的控制

    • 手机多多
    • 官方微信订阅号

    商品已成功加入购物车!