日本在50年代初就开始使用火山浮石配制轻骨料混凝土

Size: px

Start display at page:

Download "日本在50年代初就开始使用火山浮石配制轻骨料混凝土"

衡燕芮
5 years ago
Views:

1 高强轻骨料混凝土在桥梁工程应用中的一些问题孙海林丁建彤叶列平 ( 清华大学土木工程系, 北京,100084) 摘要 : 本文讨论了高强轻骨料混凝土在桥梁工程中应用时人们关心的一些问题, 如收缩和徐变耐久性泵送性经济性等, 指出这种材料特别适合于在软土地基和高抗震设防烈度区修建大跨桥梁以及维修与加固旧桥, 其技术经济效益明显关键词 : 高强轻骨料混凝土 ; 桥梁工程 ; 收缩 ; 徐变 ; 耐久性 ; 泵送 ; 经济性人造轻骨料混凝土已有近百年的应用历史, 并因其独具的性能优势而在土木工程建设中占有越来越重要的地位桥梁工程方面接受高强轻骨料混凝土方面比房屋建筑要慢一些, 但是高强轻骨料混凝土在国内外桥梁工程依旧得到了广泛的应用轻骨料混凝土在国外已经用于上千座桥梁 [1,2], 在国内也已用于将近 40 座桥梁 [3] 虽然高强轻骨料混凝土在桥梁工程方面已经取得一定的市场份额, 但还仅仅是很小的一部分, 而且在不同的国家, 高强轻骨料混凝土的应用情况相差很大这主要是由于桥梁工程师对这种新材料缺乏了解高强轻骨料混凝土在桥梁工程应用中存在的一般是出于桥梁工程师对该种材料性能及其使用的熟悉程度本文讨论了高强轻骨料混凝土在桥梁工程中应用时人们关心的一些问题, 如弹性模量收缩和徐变耐久性泵送性经济性等, 希望促进这一技术经济效益优越的材料在桥梁工程中的应用一. 收缩和徐变在桥梁结构中一般都采用预应力, 高强轻骨料混凝土的收缩徐变是工程师最关心的一个问题收缩和徐变会造成预应力损失, 如果对收缩和徐变值计算不准, 将会对桥梁结构产生比较大的影响高强轻骨料混凝土的收缩徐变值通常比普通混凝土高首先由于其弹性模量比同等级普通混凝土的低根据 Smeplass 的研究, 水灰比在 0.32~0.43 的 CL60~CL90 的高强轻骨料混凝土的弹性模量比同强度普通混凝土的低 20~30% [4] 高强轻骨料混凝土的收缩徐变值通常比普通混凝土高在早期轻骨料混凝土的收缩比普通混凝土的小徐变值通常但不总是比等强度普通混凝土的大徐变随混凝土强度增加而降低由于低弹性模量产生较大的弹性应变, 轻骨料混凝土在荷载下的总变形比普通混凝土的大 [5] 国内外规范对收缩徐变的规定仍然基于普通强度轻骨料混凝土的实验结果例如,ACI 213R-87 对轻骨料混凝土收缩的取值建议只覆盖到最高圆柱体强度为 45.5MPa 的轻骨料混凝土, 而且其建议取值范围很宽 (600~1000µε) [6], 且这些建议基本上是基于 1957 年 Shideler 所做的一份综合性研究结果 [7] 国内外规范对收缩徐变终值或计算公式的意见不一致, 美国预应力混凝土学会 (PCI) 1992 年版的设计手册则建议轻骨料混凝土的收缩取值与普通混凝土相同 [8] 挪威标准 NS3473 和 2001 年发布的最新欧洲混凝土结构设计规范 ( 征求意见稿 ) [9] 中对干表观密度大于 1800 kg/m 3 的轻骨料混凝土徐变系数的取值为普通混凝土数值乘以系数 (ρ/2400)2; 对干表观密度小于 1500 kg/m 3 的轻骨料混凝土徐变系数的取值为普通混凝土数值乘以系数 1.3 (ρ/2400) 2 我国轻骨料混凝土技术规程 2001 年修订稿中关于收缩徐变及其影响因素的影响系数的取值仍然基于 80 年代所做的 CL20~CL30 混凝土试验结果, 仍然采用了轻骨料混凝土技术规程 JGJ51-90 规定的收缩和徐变值但是我国 CL40 级高强轻骨料混凝土一年后实测 1

2 的徐变系数为 1.0~1.5 [10], 而根据轻骨料混凝土技术规程 JGJ51-90 给出的强度等级 CL20~CL30 的公式计算出的徐变系数为 2.083, 实测值与规程给出的计算值相差比较大 ; CL40 级高强轻骨料混凝土 1 年后的收缩值为 0.462~0.668mm/m[10], 规程给出的为 0.705mm/m, 相差也比较大根据 CEB/FIB(1977) 文献数据的调查, 相同强度的轻骨料混凝土和普通混凝土的徐变具有相同的规律, 最终轻骨料混凝土的徐变度是 /MPa 不同研究者得到的轻骨料混凝土的徐变度减小到 5.5~ /MPa, 这低于普通强度混凝土的典型值 (6.5~ /MPa) [11] 美国预应力混凝土协会 (PCI) 设计手册 (1992) 进行轻骨料混凝土和普通混凝土对比后建议了一个更高的徐变值和相等的收缩值它推荐使用轻骨料混凝土预应力损失范围 MPa, 普通混凝土的损失范围 MPa [8] 高强轻骨料混凝土在桥梁工程得到了广泛应用, 但也有少数桥梁因为收缩和徐变出现过问题美国 1978 年完工的当时美国采用轻骨料混凝土建造的净跨最长的分块拼装法混凝土箱形梁桥 Parrotts 渡桥该桥在使用 12 年后,195m 的主跨中间下垂了约 635mm [12] 林同炎国际公司受托诊断的结果表明, 实测的徐变比按照 PCI 或者 ACI 209 [13] 公式的计算值大 30% 其原因主要有三方面 : 一是在设计和施工中采用了密封条件下测得的混凝土收缩和徐变值, 而在使用中桥的箱形梁暴露在在天然条件下, 这两者具有不同的收缩和徐变值 ; 二是 PCI 和 ACI 209 的计算模型误差偏大 ; 三是开裂加重了徐变 [14] 欧洲最近关于轻骨料混凝土的一个综合研究项目 EuroLightCon 的综述报告指出了研究长期收缩徐变行为的必要性 : 由于轻骨料孔结构不同预湿程度不同, 轻骨料的蓄水池作用也不同, 从而影响收缩和徐变随时间的发展, 而造成收缩和徐变预测上的困难因此对高强轻骨料混凝土的收缩徐变除进行必要的实验外, 根据收缩和徐变实验结果建立预测模型, 比较产生的预应力损失与普通混凝土的差异, 建立计算方法, 从而为工程应用提供可靠的依据二. 耐久性工程师担心的另一个问题就是高强轻骨料混凝土的耐久性高强轻骨料混凝土的耐久性与下面几个因素有关 : 渗透性钢筋锈蚀冻融性耐磨性以及碱骨料反应等 1. 渗透性高强轻骨料混凝土在高强轻骨料表面覆盖非常密实的水泥浆, 这层水泥浆提高抗渗透的能力 [15] 由于高强轻骨料混凝土中骨料的弹性模量和周围水泥浆基本相同, 不会造成应力集中, 应力分布均匀, 减少了内部裂缝, 提高了抗渗透的能力 2. 钢筋锈蚀高强轻骨料混凝土的氯化物的渗透深度与普通混凝土没有不同高强轻骨料混凝土的氯离子的抵抗性比具有相同强度的普通混凝土高 [16], 能有效地减少钢筋锈蚀, 增加耐久性 3. 冻融性和普通混凝土一样, 轻骨料混凝土的抗冻融破坏性是由于引入的气体及低水灰比所决定的由于轻骨料混凝土骨料内部孔隙较大且多数不相互连接, 因此轻混凝土具有较好的冻融耐久性挪威关于高强轻骨料混凝土和普通混凝土的抗冻抵抗性的调查表明, 在即使没有引气的情况下, 高强轻骨料混凝土有相同或者更高的抵抗能力 [17] P.Klieger 和 J.A.Hanson 报导的试验结果表明,30Mpa 引气轻混凝土经 300 次水中冻融循环,9 种试验过的骨料有 5 种表现较高的耐久性,3 种略低,1 种显著低于普通骨料 (Elgin 砂石 ) 含水量对这些混凝土冻融耐久性的影响极小通常使用浸泡 18~28h 骨料会降低混凝土耐久性, 但试验过的 19 种混凝土有 9 种耐久性比空气干燥骨料有略高的耐久性 [18] 2

3 EL.Saxer 教授在 Toledo 大学进行了一项试验计划, 确定用 8 个膨胀页岩骨料生产者的骨料配制的轻骨料混凝土冻融耐久性, 其结果由膨胀页岩粘土及板岩协会报导 [19] 它证实引气结构轻混凝土在至少 300 次水中冻融循环后具有合乎要求的性能拌合时 (24h 吸水后或 24h 吸水期 2/3 后 ) 骨料含水量对混凝土耐久性无显著影响清华大学郭玉顺等进行的实验表明, 高强轻骨料混凝土具有良好的抗冻融性能, 可抵御 250~300 次循环, 耐久性系数均在 0.8 以上引气高强轻骨料混凝土的抗冻融性能与同强度的引气普通混凝土相同 [20] 4. 耐磨性如果表层被破坏掉, 高强轻骨料混凝土的耐磨性比普通混凝土差虽然实验室测得的纯轻骨料混凝土摩擦的损失很大, 但在普通的公路桥梁上高强轻骨料混凝土与普通混凝土具有相同的耐磨性能 [21] 5. 碱骨料反应用膨胀粘土页岩等生产的高强轻骨料具有较低的碱骨料反应或者几乎没有反应但是如果这些高强轻骨料和自然细骨料生产高强轻骨料混凝土, 应该考虑其它组成的碱骨料反应通常情况下, 高强轻骨料混凝土具有较低的碱骨料反应 6. 工程调查结果 T.A.Holm 等在一篇文章中报导了对经受严历风化多年的几个轻骨料混凝土土桥面和混凝土船进行的研究 [22] 结果表明, 仅发现了轻骨料混凝土很小破坏 ACI213 委员会在报告中报导, 高强结构轻轻骨料混凝土抗冻融性等于或高于普通混凝土 [23] 在美国轻骨料混凝土桥梁设计标准 (August 1985) 研究过程中, 美国联邦高速公路处根据 30 座桥梁的调查得出结论, 与国家和工业标准相比, 轻骨料混凝土具有与普通混凝土相同或者更好的耐久性 [24] 根据对使用了 20 年的日本某些桥梁的调查表明, 结构轻骨料混凝土桥梁中裂缝减少, 碳化盐的渗透减少, 轻骨料混凝土提供了比普通混凝土更高的耐久性针对海边环境的许多使用超过 80 年的结构轻骨料古老结构的调查表明, 验证了在实验室条件下得出的抗蚀性 [24] 通过实验以及实际工程调查表明, 现在还没有迹象表明, 高强轻骨料混凝土的耐久性与普通混凝土有什么差别高强轻骨料混凝土的耐久性并不比普通混凝土差三. 泵送高强轻骨料混凝土的工作性能是工程师担心的另一个问题, 尤其是高强轻骨料混凝土的泵送但泵送高强轻骨料混凝土已经在桥梁工程以及其它工程方面有许多工程实例世界上第二长的悬臂桥挪威的 Raftsund 桥以及世界上第三长的悬臂桥 Rugsund 采用 CL60 级的泵送高强轻骨料混凝土, 但除此以外, 欧洲的泵送高强轻骨料混凝土数量还很有限, 多用于民用建筑我国也有这方面的实例蔡甸汉江大桥是京珠 ( 北京珠海 ) 国道主干线和武汉市外环公路的重要桥梁, 桥面铺装层采用的是 CL40 级的泵送高强轻骨料混凝土 [25] 江苏省南京国际展览中心工程采用的泵送 CL30 级的轻骨料混凝土 [26] 采用泵送高强轻骨料混凝土的工程实例相对较少, 高强轻骨料混凝土的泵送性能应该进一步改善 1. 泵送中遇到的问题工程实践证实, 轻骨料密度越小, 粒径越大, 则泵送越困难一般认为轻骨料混凝土比普通混凝土泵送施工困难, 对于轻骨料混凝土来说, 由于轻骨料的特性使轻骨料在拌和运输过程中会吸收混凝土拌和物中的水分, 使混凝土拌和物流动性能降低, 在泵压条件下, 水分吸收还会增大, 影响混凝土的泵送性能, 易产生堵泵轻骨料混凝土的泵送技术是轻骨料混凝土的进一步推广应用的一个巨大障碍 3

4 泵送高强轻骨料混凝土中存在的三个主要问题 : (1) 工作性能降低, 当泵送时,, 部分水泥浆中的水在压力作用下渗入轻骨料中, 降低了混凝土的工作性能 (2) 当水分由水泥浆渗入轻骨料中, 混凝土的体积将轻微降低因此, 泵送轻骨料混凝土具有可压缩性和在泵压下表现为塑性 (3) 当增加泵压时, 混凝土中的空气被压缩到轻骨料中, 这也是泵送轻骨料混凝土具有可压缩性的原因然而, 当泵压降低和消逝后, 存在于轻骨料孔中的被压缩空气又会将轻骨料孔中的水分挤出如果这种情况发生在泵管中, 会导致混凝土拌和物泌水并会堵塞泵 2. 泵送的解决方法目前国内外主要的研究思路是改善高强轻骨料的特性或利用各种混凝土添加剂, 改善混凝土的泵送特性当采用适当的原材料和合理的技术手段, 轻骨料混凝土是完全可以满足泵送要求, 泵送前后对混凝土的强度基本没有影响纤维的掺入增强了混凝土的抗裂性, 提高了混凝土的抗裂缝能力日本 1999 年 9 月完成的 Mogobegawa 桥的桥面板首次采用泵送钢纤维轻骨料混凝土四. 经济效益使用高强轻骨料混凝土最重要也是最关系的一个问题就是经济效益问题, 即工程造价能否降低大量实践证明, 对大跨桥梁和空间结构这些自重占总荷载比例较大的工程采用轻骨料混凝土可以比普通密度混凝土减轻 20% 以上的结构重量, 减小基础荷载, 提高构件运输吊装施工效率, 改善结构性能 ( 尤其是抗震性能 ), 其综合经济技术效益十分显著, 尤其对于软土地基上的工程高强轻骨料和高强轻骨料混凝土单方造价比普通骨料或普通混凝土高而且高强轻骨料还在其它方面增加费用, 高强轻骨料的费用主要集中在两个方面 : 首先, 大多数情况下, 强度较高的轻骨料混凝土, 其造价较高主要由于骨料成本较高预湿费用及水泥用量较多造成的 ; 其次, 对搅拌浇灌和振捣方面需小心控制, 需要额外的技术人员和监督, 这是提高成本的次要原因但单价只是成本分析的一部分, 要考虑整个工程的经济效益才能做出正确选择高强轻骨料混凝土修建的桥梁与普通混凝土相比, 具有显著的经济效益挪威修建的 Rugsund 桥, 采用高强轻骨料混凝土替代普通混凝土设计之后, 与普通混凝土相比价降低 10% 美国修建的很多桥梁也都具有显著的经济效益英国陆续建造了许多采用轻骨料混凝土的桥梁, 并对经济性作了详细的分析, 采用轻骨料混凝土后, 平均造价节约造价 3%, 某些情况下最高可以节约 7% 的造价 [27] 荷兰对约 15 座轻骨料混凝土大跨度桥梁的计算表明, 这些桥的总造价 ( 包括基础 ) 降低了 5-10% [28] 日本的 Mogobegawa 桥, 与普通混凝土相比, 由于桥的重量减少, 钢筋用量减少了 6%, 全部上部结构造价减少约 4% 我国第一座大规模使用高强轻骨料的桥梁天津永定新河大桥总长约 1.2km 的南北引桥, 采用高强轻骨料混凝土的等级为 CL40, 密度等级为 1900, 采用的是上海生产的高强陶粒采用轻骨料混凝土取代普通混凝土后, 工程造价降低 10% 左右 [29] 在桥梁加固拓宽中, 由于高强轻骨料质轻高强和其它优越的性能, 可以在不改变下部基础的条件下加固增加车道, 能够降低费用美国的 Brooklyn 桥紧急性路面翻修, 就采用了高强轻骨料混凝土北京卢沟桥健翔桥由于旧桥改造需要, 在不改变桥梁原有主要承重结构体系的情况下, 为增加桥梁的承载力, 扩大通行能力, 就采用了高强轻骨料混凝土作为桥面板 4

5 五. 结论和建议高强轻骨料混凝土的收缩和徐变值比普通混凝土高, 只要具有比较准确地实验值就可以使用, 不会对桥梁结构产生不利的影响高强轻骨料混凝土与普通混凝土的耐久性没有什么不同, 甚至具有更好的耐久性通过一定的措施可以改善高强轻骨料混凝土的工作性能, 对桥梁施工不会产生很多不利的影响高强轻骨料单方费用往往比普通骨料高, 如果考虑到桥梁其他部分因轻骨料混凝土造价地节约高强轻骨料混凝土在经济效益方面与普通混凝土相比具有很高的竞争力, 这已经在工程实践表明高强轻骨料混凝土在桥梁工程中有很好的发展前景, 尤其在多震地区, 高强轻骨料混凝土具有很高的性能优势高强轻骨料混凝土应用技术是现代高强高性能混凝土技术领域中一个新的研究方向, 它的出现势必带来桥梁材料方面一场新的革命参考文献 [1] Thomas A., Holm and Theodore W., Bremner ( 2001 ), State-of-the-Art Report on High-Strength, High-Durability Structural Low-Density Concrete for Applications in Severe Marine Environments, Innovations for Navigation Projects Research Program, ERDC/SL TR-00-3 (TR INP-00-2), U.S. Army Engineer Research and Development Center, August [2] FHWA(Federal Highway Administration),(1985),Criteria for designing lightweight concrete bridges,report No. FHWA/RD-85/045, McLean, VA. [3] 龚洛书柳春圃, 轻集料混凝土, 中国铁道出版社,1996 [4] Smeplass,S. (1992), Mechanical Properties-Lightweight Concrete. Report 4.5, High Strength Concrete. SP4-Materials Design, SINTEF. [5] C.H.Best and M.Plovka, Creep of Lightweight Concrete, Magazine of concrete Research, Vol.11, No.33, Novembere 1959, pp [6] American Concrete Institute, ACI 213R-87: Guide for structural lightweight aggregate concrete, [7] J. J. Shideler, Lightweight Aggregate Concrete for Structural Use, Joumal, American Concrete Institute, Oct. 1957, Proceedings, Vol. 54, pp [8] Prestressed Concrete Institute, Prestressed Concrete Institute Design Handbook, 4th ed., Chicago, IL., [9] pren (2 nd draft), Eurocode 2: Design of concrete structures- -Part 1: General rules and rules for buildings, January [10] 龚洛书丁威, 轻集料混凝土收缩和徐变标定意见和建议, 混凝土,2002 年第 2 期 ( 总第 148 期 ) [11] CEB-FIP Manual (1977). Lightweight Aggregate Concrete. CEB-FIP Manual of Design and Technology, The Construction Press, London, 1977, p 169. [12] Rafael Manzanarez and Miroslav Olmer, Parrotts Ferry Bridge Retrofit, T.Y. Lin International, January, [13] American Concrete Institute, ACI 209R-82: Prediction of Creep, Shrinkkage, and Tempertature Effects in Concrete Structures, [14] EuroLightCon Document BE /R2, LWAC Material Properties State-of-the-Art, December

6 [15] Havdahl, J., Hammer, T.A., Justnes, H., Smeplass, S. (1993). LWA Concrete for Floaters, SP5 Durability. Report 5.1 Rebar Corrosion and Frost Resistance, SINTEF report STF70 A93042, Trondheim, Norway. [16] Zhang, M.H., Gjørv, O.E. (1995). Properties of High-strength Lightweight Concrete. CEB/FIP International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete, Sandefjord, Norway,pp Ed. I. Holand et al. [17] Jacobsen, S., Gran, H.C., Hammer, T.A. (1997). Lightcon DP2 Material egenskaper Del rapport2.6 Frostbestandighet - avskalling vs volumnedbrytning Del 2 (In Norwegian) Lightcon SP 2Material properties, Report 2.6 Frost resistance - scaling vs volume Deterioration Part 2,SINTEF Report STF22 A97826, Trondheim, Norway. [18] P.klieger and J.A. Hanson, Freezing and Thawing Tests of Lightweight Aggregate Concrete, ACI Journal,Vol.57,No.z, January 1961, pp [19] Freeze-Thaw Durability of Structural Lightweight concrete, Lightweight Concrete Information Sheet No.13, Expanded Shale, Clay, and Slate Institute, June 1970 [20] 郭玉顺木村薰丁建彤等, 高强高耐久性轻骨料混凝土的性能, 混凝土,2000 年第 10 期 ( 总第 132 期 ) [21] Holm, T.A., Brown, W.R., Larsen, T.M. (1995). Long-term service performance of lightweight concrete bridge structures. CEB/FIP International Symposium on Structural Lightweight Aggregate Concrete, Sandefjord, Norway, pp [22] Holm, T.A., Bremner, T.W., Vaysburd, A. (1988). Carbonation of Marine Structural Lightweight Concretes. Second Int. Conference in Concrete in Marine Environment, Canada, pp [23] ACI Committee 213, Guide for Structural Lightweight Aggregate Concrete-ACI 213 R-79,Concrete International: Design and Construction, February 1979,pp [24] ESCSI(Expanded Shale, Clay and Slate Institute),(2001),Building Bridges and Marine Structures With Structural Lightweight Aggregate Concrete,Publication No [25] 丁庆军张勇等, 高强轻集料混凝土桥面施工泵送技术, 混凝土 2002 年第 1 期 ( 总第 147 期 ) [26] 郭玉忠, 高丽, 陈永才, 陶粒混凝土的试验研究及在国展工程中的应用,2000 年第六届全国轻骨料及轻骨料混凝土学术讨论会论文集 [27] Daly, Albert F. (2000), Use of Lightweight Aggregate Concrete in Bridges, Proceedings Second International Symposium On Structural Lightweight Aggregate Concrete, Edited by Steiner Helland, Ivar Holand and Sverre Smeplass, June 2000, Kristiansand, Norway, pp [28] EuroLightCon BE /R1, Definitions and International Consensus Report, April 1998 [29] 吴旗孙运国, 优化设计和高强陶粒砼在永定新河大桥上的应用,2000 年第六届全国轻骨料及轻骨料混凝土学术讨论会论文集 6

利用天然轻骨料（如浮石、凝灰岩等）、工业废料轻骨料（如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等）、人造轻骨料（页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等）制成的轻质混凝土具有密度较小、相对强度高以及保温、抗冻性能好等优点利用工业废渣如废弃锅炉煤渣、煤矿的煤矸石、火力发电站

利用天然轻骨料（如浮石、凝灰岩等）、工业废料轻骨料（如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等）、人造轻骨料（页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等）制成的轻质混凝土具有密度较小、相对强度高以及保温、抗冻性能好等优点利用工业废渣如废弃锅炉煤渣、煤矿的煤矸石、火力发电站高强轻骨料混凝土在桥梁工程中的应用及发展孙海林丁建彤叶列平 ( 清华大学土木工程系, 北京,100084) 摘要 : 本文介绍了高强轻骨料混凝土在桥梁工程中的应用概况, 分析了高强轻骨料混凝土的优点, 讨论了这种材料应用于桥梁工程中应解决的关键问题, 展望了高强轻骨料混凝土桥梁工程的发展前景关键词 : 高强轻骨料混凝土 ; 桥梁工程 ; 弹性模量 ; 泵送 ; 收缩 ; 徐变一. 高强轻骨料混凝土的概念