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【摘 要】本文通过对中等跨径桥梁结构上应用的高强预应力混凝土空心板类型的选择、原材料的性能分析和控制、配合比的设计及应用分析、社会经济效益分析等做了较全面的论述。
【关键词】高性能混凝土;空心板类型;配合比设计;效益分析
Application of high performance concrete in span bridge structure
Zhao Guang-ming
(Xinxiang City Suburb Highway Administration Xinxiang Henan 453000)
【Abstract】Through application of medium-span bridge structures of high strength prestressed concrete hollow slab type selection, performance analysis and control of raw materials, mix design and application analysis, social and economic benefits analysis to do a more complete discussion.
【Key words】High-performance concrete; Hollow plate type; Mix design; Benefit analysis
1. 前言
目前公路桥梁预应力混凝土结构施工中为获取高性能的混凝土,采用依靠掺用外加剂和活性矿物材料,使拌和料具有良好的工作度,并在硬化后具有高强度性能的水泥混凝土,在桥梁施工中变为常用的技术手段。由于高强度混凝土具有耐久、强度高、徐变小等特点,所以应用于桥梁结构能有效降低了结构自重和结构高度,增加了结构物的内力臂、结构刚度和桥梁跨度,对增加结构的耐久性和使用寿命,降低维修费用起到了重要作用。高性能混凝土一般具有和易性好和早强的性能,因而便于浇筑和加快模板周转速度,所以推广应用高强混凝土日益显得重要。对16m、20m跨径的预应力混凝土桥梁广泛推广应用了C60高强混凝土,并取得显著的技术经济效益。
2. 水泥混凝土原材料的技术要求
原材料的技术性能与质量是配制高性能混凝土的关键,对原材料的技术要求为:
2.1 水泥质量。
水泥是混凝土混合料中的胶结材料,高性能混凝土对水泥标号一般不低于52.5号,质量稳定的52.5级硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥均能满足C60混凝土生产要求,但由于水泥C3A2对混凝土的流动性和水化热有不良影响,其含量应低,另外,水泥中游离的CaO、MgO和SO3等有害成分要尽量减少。
2.2 粗集料质量。
粗集料的性能对高强度混凝土的抗压强度和弹性模量起到决定性的作用,对于密级配和级配良好的粗集料来说,最大粒径越大,所有粗集料堆积后的空隙体积越小,因而能够节约水泥浆,对于强度变形都有利,并且拌料的工作度也比较好。但是,粗集料的颗粒太大时,颗粒本身的强度会因内部缺陷而降低,对混凝土的性能产生不利影响,因此,粗集料的级配粒径、含泥量和针片状颗粒含量均要符合限值要求。
2.3 细集料质量。
相对于粗集料来说,细集料的影响较小些,但它同样关系到高强混凝土的质量。如果细集料级配的细度模数小于2.6偏细,则配制高强混凝土的需水量要增加,同样,细集料的含泥量和泥块含量也会加大用水量和外加剂用水量,加大混凝土干缩,降低混凝土的耐久性和强度,所以应用于高强混凝土的细集料的细度模数、含泥量和泥块含量均要符合限值要求。
2.4 混凝土外加剂。
高效减水剂是配制高强混凝土不可或缺的成分,使用性能良好的高效减水剂可起到减少用水量、增强水泥活性和水化作用、增大混凝土坍落度及减少混凝土坍落度的损失、延长混凝土初凝时间等作用,而且它还能提高混凝土的强度和抗渗性,但是,如果用量过多,则会损害混凝土的耐久性,如加快混凝土碳化速度和钢筋的锈蚀速度,所以工程中根据不同减水剂的特性由试验来确定它的掺量,使它既起到减水剂增强效果,又能够保证高强混凝土的使用质量。
3. 预应力空心板梁的截面要求
预应力混凝土空心板具有上部结构建筑高度低、预制施工简单、易实现标准化和工厂化施工、产品质量可靠、造价低、施工吊装设备容易解决等优点,是中小跨桥梁设计的首选对象。空心板的截面形式多种多样,有大孔板、圆孔板、双拱门式空心板等多种形式,不同的截面形式各有各的优点。大孔板有挖空率高、重量轻等优点,芯模制作虽说较为复杂,一般需采用钢芯模,但与胶囊芯模相比,使用钢芯模制作的空心板质量保证率系数更高,不会出现胶囊芯模不易固定、周转次数多影响空心板质量等问题,缺点是顶板必须配置横向受力钢筋以承担车轮荷载、顶板底面不易控制等。圆孔板适宜采用胶囊芯模,制作工艺简单,能适应不同板厚的空心板,但挖空率小,自重较大,工程质量不易控制,经济效益较低。
实际工程中,预应力混凝土空心桥面板宽常见的有1.0m、1.2m、1.5m等几种,不同的板宽有各自的优点。装配式桥面空心板的刚度是桥梁的重要技术参数,由计算刚度参数计算公式可知:对于相同高度的桥面空心板,桥面越宽,计算刚度越大,荷载的横向分布系数也就越大;荷载的横向分布系数越大,横向各板受力的均匀性、协调性能越好,考虑到实际公路桥梁工程施工中吊车起吊能力等因素的影响,空心板又不宜过宽,因此综合以上考虑,16m和20m预应力混凝土空心板采用幅宽为1.34m的宽幅大孔板较适宜。
4. 高性能混凝土配合比设计
混凝土的配合比设计首先应确定混凝土配制强度相对应的水灰比,普通混凝土的水灰比一般控制在0.40以下。但C60级以上等级的混凝土强度,水灰比与其强度的线形关系较差,离散性也较大,因此,对这种高强混凝土一般要采取一些增密措施。高强混凝土的强度变化规律与鲍罗米公式相差较远,它的水灰比只能按现有试验资料确定。然后通过试配予以调整。高强混凝土试配时所用的3个配合比的水灰比差值不能保持一般的0.05,否则其水灰比将达到不可操作区,而高水灰比则进入了非高强区,均失去了对高强混凝土的代表性,因此,这一差值应缩小,但缩小差值后有时3个强度所谓线性关系不易得到反映,此时,就只能按经验结果凭经验来确定设计水灰比。一般说来,在实验室配制符合要求的高强混凝土相对比较容易,但是要在整个施工过程中混凝土都要稳定在要求的质量水平功能上就相对要困难一些,配制C60级高强混凝土,不需要用特殊的材料,但必须控制本地区所能得到的原材料的质量,它们除了要有比较好的性能指标外,还必须质量稳定,即在施工期内主要性能不能有太大变化。结合预应力桥梁混凝土不同配合比和使用不同性能减水剂的C60高强混凝土进行分析,试配结果见表1所列。
通过对不同产地的原材料和不同性能的高效减水剂进行试配,均能配制出C60高强混凝土,而使用减水效果好的减水剂,使用质量稳定、富裕系数大的水泥和采用较低的水灰比和砂率配制的混凝土富裕系数更大～些;从表中还可看出:第3、4种配合比减水剂使用的是液体减水剂,7d强度较高,甚至可达到80MPa,但7d以后强度增幅较小,而采用粉剂减水剂,7d强度较低.但7d以后强度还有较大的增长空间。在配制过程中还发现,采用粉剂减水剂,坍落度经时损失少,易于施工控制;使用液体减水剂,可以配制出坍落度更大的混凝土,坍落度可达到15~16cm,但坍落度损失快,施工工艺要求较高。使用粉剂减水剂时,宜使用后掺法,采用二次投料,这样可以减少混凝土坍落度经时损失,通常40min仅损失2~3cm,坍落度还能够保征在11cm左右,而一次投料掺入粉剂减水剂时,坍落度损失则要快许多,施工难度要更大一些。
5. 经济性对比
从公路桥梁使用的跨径16~20m高强预应力混凝土空心板结构形式可以看出,它具有建筑高度
低、挖空率大等优点,和普通预应力空心板相比,它能耗更少,质量更可靠。下面我们以C60宽幅空心板与普通预应力空心板,按全幅单跨材料用量进行比较,结果见表2所列。
从上面的对比可以看出:C60混凝土空心板与C50混凝土空心板高度相同,相对于全幅单孔桥梁来说,它们的横断面积相同,而C60混凝土空心板的挖空率要大得多,所以材料用量相对会节省一些。另外,由于C60混凝土空心板的板宽为1.34m,远大于普通C50混凝土空心板的板宽(0.99m),所以它的受力性能更好,使用性能也更好。
6. 结束语
目前,桥梁结构正在向着低高度、轻型结构发展,高强预应力混凝土空心板可以有效减轻结构自重,
增加承载能力,因此通过高强预应力混凝土空心板在公路上的推广应用,使高标号混凝土配制
生产工艺更趋于成熟化,使高标号混凝土生产走向普及,为优化空心板梁结构,更进一步优化桥梁结构,降低结构高度,节省原材料,降低路基填方高度,节省资源和能源奠定了良好的基础。
参考文献
[1]JTJ041-2000 公路桥涵施工技术规范.北京:人民交通出版社,2000.
[2] 中华人民共和国建设部.普通混凝土配合比设计规程.北京:中国建筑工业出版社,2005.
[3] 路桥施工计算手册.北京:人民交通出版社,2001.
[文章编号]1006-7619(2010)06-18-565
[作者简介] 赵光明(1966-),男,本科,工程师,从事公路技术工作。
【关键词】高性能混凝土;空心板类型;配合比设计;效益分析
Application of high performance concrete in span bridge structure
Zhao Guang-ming
(Xinxiang City Suburb Highway Administration Xinxiang Henan 453000)
【Abstract】Through application of medium-span bridge structures of high strength prestressed concrete hollow slab type selection, performance analysis and control of raw materials, mix design and application analysis, social and economic benefits analysis to do a more complete discussion.
【Key words】High-performance concrete; Hollow plate type; Mix design; Benefit analysis
1. 前言
目前公路桥梁预应力混凝土结构施工中为获取高性能的混凝土,采用依靠掺用外加剂和活性矿物材料,使拌和料具有良好的工作度,并在硬化后具有高强度性能的水泥混凝土,在桥梁施工中变为常用的技术手段。由于高强度混凝土具有耐久、强度高、徐变小等特点,所以应用于桥梁结构能有效降低了结构自重和结构高度,增加了结构物的内力臂、结构刚度和桥梁跨度,对增加结构的耐久性和使用寿命,降低维修费用起到了重要作用。高性能混凝土一般具有和易性好和早强的性能,因而便于浇筑和加快模板周转速度,所以推广应用高强混凝土日益显得重要。对16m、20m跨径的预应力混凝土桥梁广泛推广应用了C60高强混凝土,并取得显著的技术经济效益。
2. 水泥混凝土原材料的技术要求
原材料的技术性能与质量是配制高性能混凝土的关键,对原材料的技术要求为:
2.1 水泥质量。
水泥是混凝土混合料中的胶结材料,高性能混凝土对水泥标号一般不低于52.5号,质量稳定的52.5级硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥均能满足C60混凝土生产要求,但由于水泥C3A2对混凝土的流动性和水化热有不良影响,其含量应低,另外,水泥中游离的CaO、MgO和SO3等有害成分要尽量减少。
2.2 粗集料质量。
粗集料的性能对高强度混凝土的抗压强度和弹性模量起到决定性的作用,对于密级配和级配良好的粗集料来说,最大粒径越大,所有粗集料堆积后的空隙体积越小,因而能够节约水泥浆,对于强度变形都有利,并且拌料的工作度也比较好。但是,粗集料的颗粒太大时,颗粒本身的强度会因内部缺陷而降低,对混凝土的性能产生不利影响,因此,粗集料的级配粒径、含泥量和针片状颗粒含量均要符合限值要求。
2.3 细集料质量。
相对于粗集料来说,细集料的影响较小些,但它同样关系到高强混凝土的质量。如果细集料级配的细度模数小于2.6偏细,则配制高强混凝土的需水量要增加,同样,细集料的含泥量和泥块含量也会加大用水量和外加剂用水量,加大混凝土干缩,降低混凝土的耐久性和强度,所以应用于高强混凝土的细集料的细度模数、含泥量和泥块含量均要符合限值要求。
2.4 混凝土外加剂。
高效减水剂是配制高强混凝土不可或缺的成分,使用性能良好的高效减水剂可起到减少用水量、增强水泥活性和水化作用、增大混凝土坍落度及减少混凝土坍落度的损失、延长混凝土初凝时间等作用,而且它还能提高混凝土的强度和抗渗性,但是,如果用量过多,则会损害混凝土的耐久性,如加快混凝土碳化速度和钢筋的锈蚀速度,所以工程中根据不同减水剂的特性由试验来确定它的掺量,使它既起到减水剂增强效果,又能够保证高强混凝土的使用质量。
3. 预应力空心板梁的截面要求
预应力混凝土空心板具有上部结构建筑高度低、预制施工简单、易实现标准化和工厂化施工、产品质量可靠、造价低、施工吊装设备容易解决等优点,是中小跨桥梁设计的首选对象。空心板的截面形式多种多样,有大孔板、圆孔板、双拱门式空心板等多种形式,不同的截面形式各有各的优点。大孔板有挖空率高、重量轻等优点,芯模制作虽说较为复杂,一般需采用钢芯模,但与胶囊芯模相比,使用钢芯模制作的空心板质量保证率系数更高,不会出现胶囊芯模不易固定、周转次数多影响空心板质量等问题,缺点是顶板必须配置横向受力钢筋以承担车轮荷载、顶板底面不易控制等。圆孔板适宜采用胶囊芯模,制作工艺简单,能适应不同板厚的空心板,但挖空率小,自重较大,工程质量不易控制,经济效益较低。
实际工程中,预应力混凝土空心桥面板宽常见的有1.0m、1.2m、1.5m等几种,不同的板宽有各自的优点。装配式桥面空心板的刚度是桥梁的重要技术参数,由计算刚度参数计算公式可知:对于相同高度的桥面空心板,桥面越宽,计算刚度越大,荷载的横向分布系数也就越大;荷载的横向分布系数越大,横向各板受力的均匀性、协调性能越好,考虑到实际公路桥梁工程施工中吊车起吊能力等因素的影响,空心板又不宜过宽,因此综合以上考虑,16m和20m预应力混凝土空心板采用幅宽为1.34m的宽幅大孔板较适宜。
4. 高性能混凝土配合比设计
混凝土的配合比设计首先应确定混凝土配制强度相对应的水灰比,普通混凝土的水灰比一般控制在0.40以下。但C60级以上等级的混凝土强度,水灰比与其强度的线形关系较差,离散性也较大,因此,对这种高强混凝土一般要采取一些增密措施。高强混凝土的强度变化规律与鲍罗米公式相差较远,它的水灰比只能按现有试验资料确定。然后通过试配予以调整。高强混凝土试配时所用的3个配合比的水灰比差值不能保持一般的0.05,否则其水灰比将达到不可操作区,而高水灰比则进入了非高强区,均失去了对高强混凝土的代表性,因此,这一差值应缩小,但缩小差值后有时3个强度所谓线性关系不易得到反映,此时,就只能按经验结果凭经验来确定设计水灰比。一般说来,在实验室配制符合要求的高强混凝土相对比较容易,但是要在整个施工过程中混凝土都要稳定在要求的质量水平功能上就相对要困难一些,配制C60级高强混凝土,不需要用特殊的材料,但必须控制本地区所能得到的原材料的质量,它们除了要有比较好的性能指标外,还必须质量稳定,即在施工期内主要性能不能有太大变化。结合预应力桥梁混凝土不同配合比和使用不同性能减水剂的C60高强混凝土进行分析,试配结果见表1所列。
通过对不同产地的原材料和不同性能的高效减水剂进行试配,均能配制出C60高强混凝土,而使用减水效果好的减水剂,使用质量稳定、富裕系数大的水泥和采用较低的水灰比和砂率配制的混凝土富裕系数更大～些;从表中还可看出:第3、4种配合比减水剂使用的是液体减水剂,7d强度较高,甚至可达到80MPa,但7d以后强度增幅较小,而采用粉剂减水剂,7d强度较低.但7d以后强度还有较大的增长空间。在配制过程中还发现,采用粉剂减水剂,坍落度经时损失少,易于施工控制;使用液体减水剂,可以配制出坍落度更大的混凝土,坍落度可达到15~16cm,但坍落度损失快,施工工艺要求较高。使用粉剂减水剂时,宜使用后掺法,采用二次投料,这样可以减少混凝土坍落度经时损失,通常40min仅损失2~3cm,坍落度还能够保征在11cm左右,而一次投料掺入粉剂减水剂时,坍落度损失则要快许多,施工难度要更大一些。
5. 经济性对比
从公路桥梁使用的跨径16~20m高强预应力混凝土空心板结构形式可以看出,它具有建筑高度
低、挖空率大等优点,和普通预应力空心板相比,它能耗更少,质量更可靠。下面我们以C60宽幅空心板与普通预应力空心板,按全幅单跨材料用量进行比较,结果见表2所列。
从上面的对比可以看出:C60混凝土空心板与C50混凝土空心板高度相同,相对于全幅单孔桥梁来说,它们的横断面积相同,而C60混凝土空心板的挖空率要大得多,所以材料用量相对会节省一些。另外,由于C60混凝土空心板的板宽为1.34m,远大于普通C50混凝土空心板的板宽(0.99m),所以它的受力性能更好,使用性能也更好。
6. 结束语
目前,桥梁结构正在向着低高度、轻型结构发展,高强预应力混凝土空心板可以有效减轻结构自重,
增加承载能力,因此通过高强预应力混凝土空心板在公路上的推广应用,使高标号混凝土配制
生产工艺更趋于成熟化,使高标号混凝土生产走向普及,为优化空心板梁结构,更进一步优化桥梁结构,降低结构高度,节省原材料,降低路基填方高度,节省资源和能源奠定了良好的基础。
参考文献
[1]JTJ041-2000 公路桥涵施工技术规范.北京:人民交通出版社,2000.
[2] 中华人民共和国建设部.普通混凝土配合比设计规程.北京:中国建筑工业出版社,2005.
[3] 路桥施工计算手册.北京:人民交通出版社,2001.
[文章编号]1006-7619(2010)06-18-565
[作者简介] 赵光明(1966-),男,本科,工程师,从事公路技术工作。