C60高性能混凝土預(yù)應(yīng)力梁預(yù)制技術(shù)

摘要：本文通過對(duì)南四環(huán)涼水河橋C60高性能砼預(yù)應(yīng)力梁預(yù)制前的理論分析，材料選擇，配合比設(shè)計(jì)及預(yù)制過程中的技術(shù)措施和質(zhì)量控制的論述，探討了高性能砼梁預(yù)制的技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：高性能砼；預(yù)應(yīng)力；配合比；原材料。

1前言

目前，世界各國對(duì)高性能混凝土的定義還不統(tǒng)一，美國和加拿大等國將高強(qiáng)混凝土視同為高性能混凝土。我國著名混凝土專家吳中偉院士將高性能混凝土定義為："高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代混凝土技術(shù)制作的混凝土，它以耐久性作為設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)。針對(duì)不同用途要求，高性能混凝土應(yīng)對(duì)耐久性、工作性、適用性、強(qiáng)度、體積穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等性能有重點(diǎn)的予以保證。為此高性能混凝土在配合比設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)是低水膠比，選用優(yōu)質(zhì)原材料，并除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細(xì)摻料和高效減水劑[1]。"由于北京地區(qū)的大型預(yù)制構(gòu)件主要在工廠內(nèi)生產(chǎn)，運(yùn)輸距離較短，對(duì)坍落度要求相對(duì)較低，因此一般高性能混凝土要求的不離析、大流動(dòng)度等高工作性指標(biāo)并不適合于預(yù)制構(gòu)件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，預(yù)應(yīng)力梁使用中等坍落度混凝土（140～160mm）比較合適。由于北京冬天較寒冷，并常使用化冰鹽，因此"凍融與鹽凍"破壞已成為北京城市立交橋預(yù)應(yīng)力梁耐久性破壞的主要因素之一[2]。提高混凝土抗凍性有兩種途徑，一種是摻加引氣劑，另一種是提高抗?jié)B性。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度高于60℃時(shí)不宜采用摻加引氣劑的方法提高抗凍性，可以用摻加硅灰等超細(xì)摻和料提高密實(shí)性的方法提高抗凍性。

對(duì)于后張預(yù)應(yīng)力梁構(gòu)件，應(yīng)用高強(qiáng)高性能混凝土有如下優(yōu)點(diǎn):(1)可施加更大的預(yù)應(yīng)力；可更早的施加預(yù)應(yīng)力；由于高強(qiáng)混凝土的徐變值較小可降低預(yù)應(yīng)力損失。（2）可以減小截面積尺寸，降低結(jié)構(gòu)自重，或增加橋下凈空。（3）在同一工程中，對(duì)不同的構(gòu)件采用不同的混凝土強(qiáng)度，對(duì)于統(tǒng)一構(gòu)件與施工模板的尺寸提供了有利條件。這些間接因素，有時(shí)比節(jié)約材料或降低工程造價(jià)更有實(shí)際意義。（4）具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)驗(yàn)表明:用60Mpa混凝土代替30-40Mpa的混凝土，可節(jié)約混凝土量40%；節(jié)約鋼材39%；降低工程造價(jià)20%-35%。應(yīng)用于混凝土構(gòu)件生產(chǎn)，還具有節(jié)省蒸養(yǎng)耗能的效益，混凝土強(qiáng)度每提高10Mpa，每立方米混凝土可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約13kg。（5）具有顯著的社會(huì)效益?？梢源蟠筇岣呋炷翗?gòu)件的耐久性，減少養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，在城市減少對(duì)交通的干擾。由于高強(qiáng)高性能混凝土的上述優(yōu)點(diǎn)，高性能混凝土在大、中型橋梁和城市立交橋中有十分廣泛的應(yīng)用前景。

北京市南四環(huán)涼水河鐵路專線橋由北京市第一水利工程處負(fù)責(zé)施工，該橋由6跨后張預(yù)應(yīng)力梁組成，梁長35m，梁高1.8m，包括邊梁24片，中梁84片，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C60。所有預(yù)應(yīng)力梁由北京瑞博公司第三構(gòu)件廠負(fù)責(zé)加工制造。該橋梁的特點(diǎn)是：(1)梁長35m，僅比當(dāng)時(shí)北京市內(nèi)最長的西直門立交橋梁短1m（36m）；梁高1.8m，在北京市最高。梁長和梁高決定了不能采用養(yǎng)護(hù)池通蒸汽的傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)工藝，只能采用現(xiàn)場加工方式。（2）混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度高，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95%以上才能進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉；為了防止張拉拱值過大，需對(duì)砼的彈性模量進(jìn)行檢測(cè)。（3）工期短，工程量大，為了提高預(yù)制加工速度對(duì)混凝土早期強(qiáng)度要求高。（4）冬季施工，大氣溫度低，必須有可靠的防凍和提高早期強(qiáng)度的養(yǎng)護(hù)措施。（5）耐久性要求高。以上特點(diǎn)要求我們必須按照高性能混凝土的思路進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并采取一些特殊的工藝措施進(jìn)行施工。

2 原材料優(yōu)選和配合比設(shè)計(jì)

高強(qiáng)高性能混凝土是通過降低水灰比、增強(qiáng)水泥石與集料的界面區(qū)、改善水泥水化產(chǎn)物、降低孔隙率、提高密實(shí)度來實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高耐久性。為了滿足施工性能和耐久性能要求，必須使用高效減水劑和活性摻和料。配制技術(shù)的關(guān)鍵在于原材料的選擇與配合比的設(shè)計(jì)。高強(qiáng)混凝土的原材料包括水泥、砂石集料、化學(xué)外加劑(高效減水劑及其復(fù)合劑)以及活性摻和料。

　2.1原材料的選擇

(1)水泥：一般情況下，配制高強(qiáng)混凝土所用的水泥，其C3A含量應(yīng)盡量低，以有利于與高效減水劑的適應(yīng)并減少坍落度損失。在選用水泥時(shí)還應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，綜合考慮一些因素，如凝結(jié)時(shí)間、早期強(qiáng)度、變形性和耐久性等特殊要求。通過比選，本工程采用了邯鄲低堿P.O.525#水泥，0.080mm篩篩余為4.8%，當(dāng)量Na2O含量為0.43%。

(2)集料：集料品質(zhì)對(duì)高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量有重要影響。粗集料的粒徑、形狀和礦物成分對(duì)混凝土的強(qiáng)度也有影響。一般宜選用密實(shí)堅(jiān)硬的石灰?guī)r或深層火成巖。最大粒徑不超過20mm。在相同的條件下，用碎石配制的高強(qiáng)混凝土，其強(qiáng)度高于礫石。相對(duì)粗集料而言，細(xì)集料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響較小，但必須選用潔凈的砂子，細(xì)度模量以2.7～3.1為宜。

石子采用最大粒徑20mm碎石，針片狀含量小于10%。砂子采用盧溝橋中砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。(3)高效減水劑：采用FAC-6復(fù)合型低堿萘系高效減水劑，粉劑摻量為1.5%，當(dāng)量Na2O含量為2.2%。(4)活性摻和料的選擇：試驗(yàn)表明，摻加I級(jí)粉煤灰或硅粉，28天強(qiáng)度都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但粉煤灰混凝土早期強(qiáng)度低，特別在溫度低的條件下，強(qiáng)度發(fā)展更慢，影響拆模時(shí)間。加入硅粉的混凝土3天強(qiáng)度可達(dá)到28天的67%。我們最后選擇了使用硅粉的配比。硅灰為貴州產(chǎn)，當(dāng)量Na2O含量為1.4%。

　2.2 配合比設(shè)計(jì)

高強(qiáng)混凝土的配合比設(shè)計(jì)，不能沿用普通混凝土的方法，必須通過試配來確定。其原因是:

(1)當(dāng)W/C<0.4以后，盡管水灰比對(duì)混凝土強(qiáng)度仍存在著敏感性，但已不象普通強(qiáng)度混凝土與水灰比之間所具有的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)高強(qiáng)混凝土中增加了一些新的組分材料，不僅是高效減水劑，有時(shí)還摻入活性摻和料，而且集料的品質(zhì)和性能又對(duì)高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

(3)根據(jù)北京市建委的規(guī)定，混凝土單方含堿量應(yīng)小于3kg。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定的C60混凝土配合比為：水泥：水：砂：石子：硅粉：FAC-6=480：153：608：1129：30：7.65。該配比混凝土單方含堿量為2.65kg<3kg，滿足建委規(guī)定。

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3 質(zhì)量控制與質(zhì)量保證

混凝土攪拌、施工操作因素以及施工環(huán)境對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土的質(zhì)量十分敏感，因此，必須有嚴(yán)格的質(zhì)量控制與質(zhì)量保證制度。

(1)配料：嚴(yán)格按照配合比和指定材料進(jìn)行配料，不得擅自變更。原材料采用重量計(jì)量。采用電子稱計(jì)量時(shí)，工作前應(yīng)開機(jī)預(yù)熱10分鐘，同時(shí)檢查、調(diào)整機(jī)械靈敏度，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。骨料采用裝載機(jī)喂料，不得將泥土或雜物混入料內(nèi)。加粉狀減水劑時(shí)可將其與水泥同時(shí)加入，但不得混入結(jié)硬塊。(2)攪拌：配料計(jì)量裝置每月校驗(yàn)一次精度。砂子含水率每天開盤進(jìn)行測(cè)定，修正施工配合比。校驗(yàn)與標(biāo)定結(jié)果均用文字形式記載。

因?yàn)楦邚?qiáng)混凝土的水膠比較普通混凝土低得多，應(yīng)嚴(yán)格控制水的計(jì)量。混凝土每臺(tái)班開始攪拌前，應(yīng)先開動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行空車試運(yùn)轉(zhuǎn)，待正常后加入清水空轉(zhuǎn)2-3min，使攪拌筒內(nèi)壁潤濕，然后排凈水再上料；攪拌第一罐混凝土?xí)r應(yīng)按配合比減少10%的石子量。投料順序:石子---水泥---砂子。嚴(yán)格控制攪拌時(shí)間，不得任意縮短，混凝土應(yīng)拌制均勻，色澤一致，和易性良好，已拌好的混凝土不得中途加水?；炷猎跀嚢璧攸c(diǎn)測(cè)坍落度，每臺(tái)班每配合比不得少于一次并做好記錄；同時(shí)，還應(yīng)觀察混凝土的粘聚性和保水性，并做記錄。

(3)澆筑與成型：混凝土從攪拌機(jī)中卸出到澆注完畢的延續(xù)時(shí)間不宜超過90min，混凝土使用吊斗入模時(shí)，吊斗高度距模板不超過60cm，下料時(shí)必須均勻，嚴(yán)禁一次集中下料，應(yīng)分層澆注，每層混凝土虛鋪高度不得超過30cm。

附著式振搗器使用前應(yīng)檢查與模板連接是否牢固，每澆注一層混凝土須振搗一次，振搗時(shí)間不宜過長。振搗棒應(yīng)快插慢拔，使各部受力均勻，不得碰觸預(yù)埋件、波紋管，并應(yīng)避免碰撞模板、鋼筋；也不得將振搗棒放在模板支撐、拉桿及鋼筋骨架上。振搗時(shí)各振點(diǎn)要均勻排列，按順序進(jìn)行，不得漏振，插搗應(yīng)插入到前一層混凝土不小于5cm深處，以保證澆注層接茬處密實(shí)。振搗完畢，用木抹子將混凝土上表面找平。(4)養(yǎng)護(hù)：高強(qiáng)混凝土通常不會(huì)出現(xiàn)較多的泌水，澆灌后如果不及時(shí)采取措施防止混凝土表面濕度的失去，則可能使暴露在大氣中的混凝土表面上產(chǎn)生塑性收縮裂縫，因此，高強(qiáng)混凝土在表面抹光后應(yīng)立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。本工程采用日本進(jìn)口熱風(fēng)槍加熱養(yǎng)護(hù)工藝，首先，在構(gòu)件澆注成型后，在模板長度方向，兩端各安裝一臺(tái)熱風(fēng)槍，并通上花管，盤在模板四周，然后用苫布覆蓋。加溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間為24小時(shí)，升溫(4小時(shí)10℃/小時(shí))，恒溫(16小時(shí)，40℃)，降溫(4小時(shí)，10℃/小時(shí))，在升降溫期間，每小時(shí)測(cè)溫一次;恒溫期間，每2小時(shí)測(cè)溫1次。

(5)檢驗(yàn)：試塊制作設(shè)專人負(fù)責(zé)，每塊試塊必須標(biāo)明成型時(shí)間、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、試塊編號(hào)，并填寫在試驗(yàn)報(bào)告單上，試塊與試塊報(bào)告單的填寫內(nèi)容必須一致。

混凝土取樣應(yīng)在澆注地點(diǎn)，攪拌后第三盤至結(jié)束前30min之間隨機(jī)取樣。三塊為一組，制作6組，試塊必須振搗密實(shí)，不得有超過規(guī)定的蜂窩、麻面等缺陷，以及直徑和深度超過3mm的氣孔，外表整齊方正，不得缺棱掉角，外形幾何尺寸偏差不得超過±1mm，角度偏差不得超過±2o。

4 工程應(yīng)用效果及分析

預(yù)應(yīng)力梁加工過程中，采用實(shí)際施工用混凝土成型立方體抗壓強(qiáng)度試件，分別測(cè)定標(biāo)養(yǎng)28天抗壓強(qiáng)度以及1天、3天、7天同條件養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度。工程竣工后對(duì)全部C60混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。

由表1中結(jié)果可以看出，所使用的高強(qiáng)高性能混凝土28天標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度平均值為74.1Mpa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的123.5%，28天變異系數(shù)較小（3.24），說明質(zhì)量控制水平很好。采用日本熱風(fēng)槍加熱同條件養(yǎng)護(hù)的混凝土試件1天強(qiáng)度即可達(dá)到28天強(qiáng)度的55.5%，已經(jīng)超過混凝土受凍臨界強(qiáng)度。1天強(qiáng)度變異系數(shù)也較?。?.75），再次證明混凝土質(zhì)量穩(wěn)定性較好。由于加熱養(yǎng)護(hù)1天混凝土強(qiáng)度已經(jīng)較高，1天以后的預(yù)應(yīng)力梁雖然僅采取簡單覆蓋保溫養(yǎng)護(hù)方法，但是混凝土強(qiáng)度仍然穩(wěn)定發(fā)展，3天同條件養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度達(dá)63.9%，7天強(qiáng)度可達(dá)94.2%。同條件養(yǎng)護(hù)7天即可達(dá)到預(yù)應(yīng)力梁張拉強(qiáng)度。3天和7天強(qiáng)度變異系數(shù)較大是由于養(yǎng)護(hù)1天后梁實(shí)體和試件受大氣溫度影響太大造成的。

另外，為了考查混凝土彈性模量隨強(qiáng)度的發(fā)展情況，在張拉時(shí)測(cè)定了所有預(yù)應(yīng)力梁的彈性起拱值。35m梁的彈性拱平均值為31mm(梁的設(shè)計(jì)拱值為L/100=35mm)，說明混凝土彈性模量隨強(qiáng)度發(fā)展較好。

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