溫馨提示:山東省質(zhì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)新舊資質(zhì)過(guò)渡 [詳細(xì)]
引言
港珠澳大橋工程總投資超過(guò)1200億人民幣,位于珠江口岸橫跨伶仃洋海域,東接香港,西接珠海和澳門,全長(zhǎng)55公里,由4島、1隧、1橋多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式組成的超大型跨海交通工程。港珠澳大橋地處華南地區(qū)高溫、高濕、高鹽海洋腐蝕環(huán)境,要確保其120年使用壽命極具挑戰(zhàn)。港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn),需要從三個(gè)方面進(jìn)行,一是基于相似環(huán)境下的長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)并結(jié)合工程調(diào)查數(shù)據(jù),利用Fick定律擴(kuò)散模型進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)耐久性參數(shù)設(shè)計(jì):氯離子擴(kuò)散系數(shù)、保護(hù)層厚度等;二是混凝土質(zhì)量控制技術(shù):包含混凝土配合比設(shè)計(jì)、原材料質(zhì)量控制、混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制、澆筑養(yǎng)護(hù)質(zhì)量控制等;三是開通后的運(yùn)營(yíng)維護(hù):預(yù)先埋設(shè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定期觀測(cè)、根據(jù)觀測(cè)結(jié)果定期進(jìn)行耐久性評(píng)估、并采取相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)措施形成耐久性維護(hù)技術(shù)。本文簡(jiǎn)單闡述混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)技術(shù),著重介紹港珠澳大橋沉管混凝土配合比設(shè)計(jì)的過(guò)程,把混凝土生產(chǎn)質(zhì)量過(guò)程控制的經(jīng)驗(yàn)介紹給大家,為今后類似工程提供理論和實(shí)踐參考。
圖1 港珠澳大橋
1 混凝土耐久性設(shè)計(jì)技術(shù)
利用在湛江暴露試驗(yàn)站放置試件所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及華南地區(qū)港口碼頭調(diào)查所獲得的數(shù)據(jù)做依據(jù),按照可靠度理論,采用Fick定律擴(kuò)散模型進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì),建立設(shè)計(jì)使用年限、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、鋼筋保護(hù)層厚度等參數(shù)間的定量關(guān)系。
1.1 臨界氯離子濃度、混凝土表面氯離子濃度的確定
港珠澳大橋與湛江暴露試驗(yàn)站相距僅四百多公里,表1中可見港珠澳大橋所處環(huán)境與湛江暴露站環(huán)境高度相似。
表1 港珠澳大橋與湛江暴露站環(huán)境
湛江暴露試驗(yàn)站按大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、水下區(qū)放置了不同配比2500多組試件,按不同齡期采集樣本進(jìn)行測(cè)試,對(duì)大量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定混凝土臨界氯離子濃度、表面氯離子濃度。
1.2 Fick定律及擴(kuò)散模型
以氯離子滲透抵達(dá)鋼筋表面時(shí)作為耐久性極限狀態(tài),設(shè)計(jì)方程為:
G=Ccr-Cs[1-erf(xd/2√DcttSL
)] (1)式中:Ccr,s為混凝土臨界氯離子濃度和表面氯離子濃度(%);xd為混凝土保護(hù)層深度(m);Dcl為氯離子擴(kuò)散系數(shù)(m2/s);tSL為設(shè)計(jì)使用年限;erf為誤差函數(shù)。
對(duì)95個(gè)長(zhǎng)期樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明,氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間呈指數(shù)衰減關(guān)系,但氯離子擴(kuò)散不會(huì)無(wú)限衰減,故將衰減周期定為30年,氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間衰減見公式(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為齡期;n為氯離子擴(kuò)散系數(shù)時(shí)間衰減指數(shù);Dcl(28)為28d齡期時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)(實(shí)測(cè)暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù))。
按照可靠度理論確定分項(xiàng)系數(shù)將Fick擴(kuò)散模型修正為:
(4)
式中:gc 、g,s, 、g D、g n為參數(shù)分項(xiàng)系數(shù);x
dnom為名義保護(hù)層厚度;Λxd 為保護(hù)層厚度允許偏差(約為10mm);h=(28/365×30)n;為設(shè)計(jì)使用年限。1.3 鋼筋保護(hù)層厚度的確定
根據(jù)式(4)以氯離子擴(kuò)散系數(shù)特征值Dcl(28)和名義保護(hù)層厚度作為變量,設(shè)計(jì)年限定為120年,得出不同暴露條件(區(qū)域)下鋼筋混凝土構(gòu)件保護(hù)層厚度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系,見圖2所示。
圖2鋼筋混凝土構(gòu)件保護(hù)層厚度與56d氯離子擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系
1.4 長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與NT build492方法測(cè)試氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系
圖2中為暴露試驗(yàn)實(shí)測(cè)氯離子擴(kuò)散系數(shù)與保護(hù)層厚度的關(guān)系,但理論計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)不等于實(shí)際構(gòu)件耐久性質(zhì)量控制指標(biāo),因此需要將長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)與快速試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間進(jìn)行相關(guān)性轉(zhuǎn)換。圖3為快速氯離子擴(kuò)散系數(shù)與暴露試驗(yàn)實(shí)測(cè)氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系。
圖3 快速試驗(yàn)擴(kuò)散系數(shù)與暴露試驗(yàn)系數(shù)關(guān)系
D0(控制)=k.D0(壽命) (5)
式中:D0(控制)為快速試驗(yàn)氯離子擴(kuò)散系數(shù);D0(壽命)為實(shí)測(cè)暴露氯離子擴(kuò)散系數(shù);k為轉(zhuǎn)換系數(shù)。
從圖3中可以看到,暴露試驗(yàn)擴(kuò)散系數(shù)與快速試驗(yàn)擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)性不高,但為了提高耐久性安全保證率,將擴(kuò)散系數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)k值取為2,即可將壽命計(jì)算理論擴(kuò)散系數(shù)轉(zhuǎn)換為快速試驗(yàn)擴(kuò)散系數(shù)控制值,將港珠澳大橋混凝土構(gòu)件最大氯離子擴(kuò)散系數(shù)及最小保護(hù)層厚度按不同部位及所處環(huán)境對(duì)應(yīng)列于表2。
表2 港珠澳大橋混凝土構(gòu)件最大氯離子擴(kuò)散系數(shù)及最小保護(hù)層厚度
2 海工高性能混凝土性能要求
港珠澳大橋混凝土配制的基本原則是:滿足混凝土強(qiáng)度、耐久性的前提下,同時(shí)滿足施工性、抗裂性要求、盡可能兼顧經(jīng)濟(jì)環(huán)保。
2.1橋梁結(jié)構(gòu)混凝土性能
橋梁分通航孔橋和非通航孔橋,構(gòu)件類型多,綜合考慮結(jié)構(gòu)尺寸、施工工藝、使用環(huán)境、強(qiáng)度、耐久性等因素,不同部位混凝土性能指標(biāo)要求如表3所示,同時(shí)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)混凝土狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。
表3 橋梁結(jié)構(gòu)混凝土性能要求
2.2預(yù)制沉管混凝土性能指標(biāo)
港珠澳大橋沉管隧道深埋海底-44.5m,隧道全長(zhǎng)6704m,預(yù)制沉管隧道長(zhǎng)5664m,單節(jié)隧道尺寸為37.95m×11.4m×22.5m,最大壁厚1.5m,采用工廠法、流水線生產(chǎn)、全斷面一次性澆筑,單次澆筑方量近3400方混凝土,沉管節(jié)段結(jié)構(gòu)巨大、鋼筋密集、預(yù)埋件眾多,對(duì)混凝土工作性、重塑性能、凝結(jié)時(shí)間要求極高。為適應(yīng)頂推工藝,增加了3d強(qiáng)度要求,綜合分析確定沉管混凝土性能要求見表4、表5?! ?/p>
圖4 沉管隧道設(shè)計(jì)方案圖
圖5 預(yù)制沉管實(shí)景圖
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 混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量控制技術(shù)
3.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)思路
(1)依據(jù)構(gòu)件尺寸大小、澆筑工藝、所處腐蝕暴露環(huán)境,確定新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的力學(xué)性能、耐久性要求、抗裂性要求;
?。?)調(diào)研和優(yōu)選符合要求的原材料;
?。?)參考早期科研放置在暴露試驗(yàn)站大摻量粉煤灰、礦渣粉混凝土配合比,不斷對(duì)新拌混凝土性能測(cè)試、挑選滿足新拌混凝土性能要求的配比成型試件進(jìn)行硬化性能、膠凝材料組成水化放熱測(cè)試,確定水膠比大小、膠凝材料比例、用量范圍等;
?。?)優(yōu)選出幾組符合要求的混凝土配合比,進(jìn)行多尺寸模型驗(yàn)證試驗(yàn),并利用沉管模型試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元仿真驗(yàn)證分析,最終獲得符合要求的沉管混凝土理論配合比。
下面以沉管混凝土配合比設(shè)計(jì)為例,對(duì)上述思路進(jìn)行說(shuō)明。
3.2 沉管混凝土配合比設(shè)計(jì)
沉管處于深海中,最大埋深達(dá)-44.5米,在耐久性設(shè)計(jì)上,把沉管外側(cè)按照最嚴(yán)苛暴露環(huán)境浪濺區(qū)考慮,內(nèi)側(cè)按照海洋環(huán)境大氣區(qū)考慮,作為不可更換部件,抗?jié)B和防裂要求不能出現(xiàn)危害性裂縫,水化熱與收縮是影響混凝土開裂的兩個(gè)最主要因素。
3.2.1不同膠凝材料體系對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響
圖6為不同膠凝材料體系混凝土暴露于海洋環(huán)境浪濺區(qū)5a的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。圖中顯示大摻量粉煤灰+礦渣粉膠凝材料體系具有優(yōu)異的抗氯離子滲透性,初始擴(kuò)散系數(shù)最小且衰減較快。
圖6 長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)
3.2.2 不同膠凝材料體系的混凝土強(qiáng)度、開裂敏感性研究
對(duì)粉煤灰+礦渣粉膠凝材料體系的水化放熱量和抗裂性進(jìn)行研究,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。膠凝材料用量和膠凝材料組成比例,水化放熱量及對(duì)開裂的敏感性是影響混凝土結(jié)構(gòu)抗裂性能的關(guān)鍵因素。從圖7.a可以看出,摻入粉煤灰和礦渣粉后可顯著降低膠凝材料體系的水化放熱量,并且水化放熱量隨著礦物摻合料摻量提高而降低。膠凝材料開裂時(shí)間比以純硅酸鹽水泥小圓環(huán)試驗(yàn)開裂時(shí)間為基準(zhǔn),圖7.b表明礦物摻合料能夠顯著延長(zhǎng)開裂時(shí)間,降低開裂敏感性,大大提高混凝土抗開裂性能。
圖7 膠凝材料體系的水化放熱及開裂時(shí)間比
圖8表示不同膠凝材料體系對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。在水膠比相同條件下,28d齡期后,除單摻粉煤灰混凝土外,其他混凝土的強(qiáng)度均高于純硅酸鹽混凝土,且其抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增加。分析不同膠凝材料體系性能列于表6中,可以看出混摻粉煤灰和礦渣粉體系的綜合性能建議。
圖8不同膠凝材料體系混凝土抗壓強(qiáng)度
表6 不同膠凝體系性能
3.2.3 水膠比對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)及抗壓強(qiáng)度的影響
圖9為水膠比對(duì)混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)及強(qiáng)度的影響。從圖9中可以看出,混凝土抗壓強(qiáng)度及氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別隨著水膠比的降低而提高、下降。為確保新拌混凝土的工作性,混凝土28d強(qiáng)度達(dá)到C45,水膠比宜大于0.33,為確保耐久性氯離子擴(kuò)散系數(shù)滿足要求,水膠比應(yīng)小于0.38。
圖9 水膠比對(duì)混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)及強(qiáng)度的影響
3.2.4 漿體比例對(duì)混凝土抗裂性及工作性的影響
利用溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)獲得漿體比例與抗裂安全系數(shù)之間的關(guān)系,得到混凝土的抗裂安全系數(shù)隨著漿體比例的提高而降低,為滿足混凝土抗裂性要求,漿體比例宜小于31.5%。
表7
3.2.5骨料粒徑大小對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響
研究了粗集料最大粒徑對(duì)混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響,得到在相同條件下,氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨集料粒徑增大而增大。
3.2.6多尺度模型試驗(yàn)確定混凝土生產(chǎn)配合比、澆筑溫度控制指標(biāo)
在港珠澳大橋主體結(jié)構(gòu)中,沉管對(duì)混凝土綜合性能要求較高,包括較高的工作性和抗裂防滲性能要求。因此,沉管混凝土生產(chǎn)配合比的確定經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)而艱巨的過(guò)程。轉(zhuǎn)戰(zhàn)廣州、新會(huì)、珠??偁I(yíng)地、珠海桂山四地,進(jìn)行了1年多的室內(nèi)試驗(yàn),6次現(xiàn)場(chǎng)小尺寸模型試驗(yàn),2次足尺模型試驗(yàn),驗(yàn)證了皮帶輸送和泵送兩種不同澆筑工藝,最終確定了表8所示的混凝土生產(chǎn)配合比,表9、表10為沉管新拌混凝土性能及硬化混凝土性能。
圖10 小尺寸模型試驗(yàn)
圖11 足尺模型試驗(yàn)
表8 沉管混凝土的生產(chǎn)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
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多尺度模型試驗(yàn)研究,制定了混凝土生產(chǎn)及澆筑溫度控制指標(biāo),如表11所示。
表11 沉管混凝土溫度控制指標(biāo)
3.3沉管混凝土原材料質(zhì)量控制
原材料的質(zhì)量控制按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和《港珠澳大橋混凝土耐久性質(zhì)量控制技術(shù)規(guī)程》執(zhí)行。有區(qū)別的地方是:
(1)將礦渣粉的7d活性指數(shù)放寬至65%,其他指標(biāo)滿足S95級(jí)要求;
?。?)粉煤灰的需水量比≦100%,其他指標(biāo)符合Ⅰ級(jí)粉煤灰要求;
?。?)碎石緊密堆積空隙率≦40%;
(4)減水劑收縮率比小于95%,含氣量小于2.5%,建議在1.5~2.0%。
3.4沉管混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制
即使室內(nèi)研究混凝土配合比所有指標(biāo)沒有問(wèn)題,但最終混凝土結(jié)構(gòu)能否達(dá)到和滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求,要靠混凝土生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制、澆筑質(zhì)量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在混凝土生產(chǎn)過(guò)程中,采取各種措施盡可能降低各類原材料的溫度,降低出機(jī)溫度,確?;炷翝仓肽囟鹊陀?6℃,以控制沉管混凝土較高溫升及內(nèi)外表溫差,降低混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn);制度化的測(cè)定混凝土出機(jī)、入模時(shí)的坍落度、溫度、容重和含氣量,采取的具體措施如下(不是全部):
?。?)搭設(shè)帶高棚的砂石料場(chǎng),提前將砂石料轉(zhuǎn)運(yùn)入料場(chǎng)中,降低砂石料溫度;
?。?)設(shè)置粉料中轉(zhuǎn)倉(cāng),降低粉料溫度;
(3)對(duì)攪拌站操作室、上料稱量系統(tǒng)封閉設(shè)置,布設(shè)大功率空調(diào)、冷風(fēng)系統(tǒng);
?。?)在混凝土生產(chǎn)過(guò)程中,采用碎冰、5℃~8℃冷卻水取代常溫拌合水控制混凝土出機(jī)溫度;
?。?)混凝土運(yùn)輸車、泵送管全部包裹,夏季定時(shí)噴淋降溫,冬季保溫,入泵口搭設(shè)遮陽(yáng)(雨)棚,避免陽(yáng)光直射和雨水落入;
?。?)在混凝土生產(chǎn)過(guò)程中,每4h對(duì)集料含水率進(jìn)行檢測(cè),控制混凝土入模坍落度維持在200±20mm。
3.5 人員管理制度
預(yù)制沉管混凝土質(zhì)量要達(dá)到120年使用壽命,第一步就是要把實(shí)際澆筑的混凝土按照設(shè)計(jì)好的配合比生產(chǎn)出來(lái)并澆筑振搗密實(shí)(關(guān)鍵重點(diǎn)),確保保護(hù)層厚度符合要求,作為原材料質(zhì)量檢控、混凝土生產(chǎn)質(zhì)量保證部門,在提供高品質(zhì)混凝土方面起到關(guān)鍵作用,事情都是由人操作來(lái)完成的,在此將在工作中建立的混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制的人員管理制度提供給大家參考。
?。?)三崗位質(zhì)量監(jiān)督反饋制度——即在攪拌機(jī)出料口、泵機(jī)入口和澆筑區(qū)泵管出口三崗位進(jìn)行全天候不間斷監(jiān)測(cè)、檢測(cè)混凝土狀態(tài),如有波動(dòng)則通過(guò)微信實(shí)時(shí)反饋混凝土狀態(tài),攪拌站控制人員和前場(chǎng)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)及時(shí)調(diào)整;
?。?)三級(jí)巡檢制度——即帶班組長(zhǎng)、技術(shù)與質(zhì)量負(fù)責(zé)人、試驗(yàn)室主任三級(jí)巡檢,對(duì)混凝土狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),指導(dǎo)攪拌站控制人員及時(shí)調(diào)整;
?。?)三會(huì)制度——即澆筑前交底會(huì)、澆筑中交接班會(huì)、澆筑完畢后的總結(jié)會(huì),交底會(huì)是把原材料的檢測(cè)情況告知所有生產(chǎn)值班人員,注意混凝土生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)注意問(wèn)題及調(diào)整的方向;交接班會(huì)指生產(chǎn)過(guò)程上一班人員將混凝土生產(chǎn)情況、澆筑施工情況向接班人員交代清楚,合理安排混凝土生產(chǎn)進(jìn)度避免等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng);澆筑完畢后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)視頻、圖片進(jìn)行分析混凝土狀態(tài),結(jié)合拆模后的情況進(jìn)行分析措施的有效性,全員參與討論、持續(xù)培訓(xùn)和提高生產(chǎn)質(zhì)量控制水平和質(zhì)量意識(shí)。
4 沉管混凝土性能評(píng)定
(1)保護(hù)層厚度:利用雷達(dá)儀檢測(cè)技術(shù)測(cè)定每個(gè)節(jié)段底板、外墻、內(nèi)墻、中墻隨機(jī)兩個(gè)區(qū)域的保護(hù)層厚度,統(tǒng)計(jì)分析了沉管鋼筋保護(hù)層厚度分布,保護(hù)層厚度合格率≥90%,最大負(fù)偏差不超過(guò)5mm,保護(hù)層厚度控制滿足設(shè)計(jì)要求。
?。?)混凝土強(qiáng)度評(píng)定:對(duì)4270組留置混凝土強(qiáng)度試件進(jìn)行測(cè)試并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,強(qiáng)度值符合正態(tài)分布規(guī)律, 28d抗壓強(qiáng)度平均值57.7MPa,標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.3MPa;56d抗壓強(qiáng)度平均值66.5MPa,標(biāo)準(zhǔn)偏差3.0MPa,均滿足設(shè)計(jì)要求。
?。?)氯離子擴(kuò)散系數(shù)評(píng)定:對(duì)504組留置試件進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn),得到了氯離子擴(kuò)散系數(shù)也成正態(tài)分布。28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)均值為5.0×10-12m2/s,標(biāo)準(zhǔn)偏差0.5×10-12m2/s;56d氯離子擴(kuò)散系數(shù)平均值為3.1×10-12m2/s,標(biāo)準(zhǔn)偏差0.3×10-12m2/s。
5 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了港珠澳大橋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)的方法;以港珠澳大橋沉管混凝土配合比設(shè)計(jì)為例,著重介紹海工高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)方法;總結(jié)了沉管混凝土生產(chǎn)、澆筑經(jīng)驗(yàn);通過(guò)港珠澳大橋沉管混凝土配合比的實(shí)際應(yīng)用,證明適當(dāng)?shù)乃z比(0.35)、極低的膠凝材料用量(28天C45,420kg/m3)、大摻量粉煤灰、礦渣粉的混摻體系,對(duì)抑制混凝土開裂極為有利。港珠澳大橋混凝土配合比設(shè)計(jì)經(jīng)歷了室內(nèi)試驗(yàn)研究、現(xiàn)場(chǎng)多尺度模型試驗(yàn)研究過(guò)程,結(jié)合澆筑工藝對(duì)混凝土進(jìn)行工作性、耐久性驗(yàn)證最終確定配合比的過(guò)程,對(duì)類似工程具有極重要的參考意義。