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突破瓶頸期許百年——橋樑混凝土效能提升關鍵技術

由橋樑雜誌發表于運動2023-01-21

簡介上述提升技術的關鍵在於，利用塗層材料降低表面臨界氯離子濃度，透過傳輸抑制材料降低擴散係數，採用內摻型鋼筋阻鏽材料提升鋼筋鏽蝕臨界離子濃度，藉助遷移型阻鏽材料實現脫鈍鋼筋再鈍化，最終保障全壽命週期橋樑結構混凝土達到設計使用年限

c50混凝土黏怎麼解決

混凝土是建設橋樑工程的基礎建築材料。隨著橋樑結構形式的新發展，施工控制的複雜性與服役環境的嚴酷性，對橋樑混凝土提出了更新、更高的要求。其中，橋樑索塔、墩身與承臺的施工，需要形成混凝土流動性調控關鍵技術，解決施工期的工程質量和進度問題；承臺和墩柱等大體積混凝土的抗裂問題，箱梁等薄壁結構面臨乾燥收縮開裂的高風險，亟需形成橋樑工程收縮裂縫控制技術；橋樑工程面臨長壽命設計要求，及高鹽、高寒、過載等嚴酷複雜環境，結構混凝土耐久性提升已成為橋樑工程“平安百年品質工程”的關鍵工作方向。此外，橋樑工程組合梁結構使用的傳統混凝土表現出自重大、抗拉強度低、應變小等問題，常常導致負彎矩區混凝土破壞，需要透過混凝土超高效能化突破上述技術瓶頸。

流動性調控

為了實現橋樑工程的高品質，需要保障混凝土具有優異的流動性，最終制備均勻密實的硬化混凝土。然而，混凝土配合比、原材料以及施工環境的獨特性，對流動性調控帶來了一系列問題。大量礦物摻和料的應用使得混凝土初始分散慢黏度大，例如海工混凝土中粉煤灰、礦粉等礦物摻和料用量已超過40%。其次，機制砂粒形差，級配不佳，巖性差異大，其大規模應用易導致混凝土拌和物穩定性差、敏感性高、易離析泌水，同時加劇新拌混凝土流動性損失、增加黏度造成施工困難。此外，橋樑工程的複雜結構和嚴苛環境，對混凝土流動性提出更高要求，其中長時間、高遠距離泵送與高溫施工環境，要求新拌混凝土長時間保持高流動性和和易性。

針對混凝土初始分散慢的問題，透過向聚羧酸減水劑主鏈引入剛性基團抑制收縮，可以促進吸附基團裸露，從而增強在不同粉體介面的吸附驅動力，顯著提高分散速度，大幅度提升高摻量礦物摻和料混凝土的初始流動性，實現快速分散，在大摻量摻和料條件下攪拌時間甚至可以縮短50%。

針對混凝土流動性損失大的問題，基於聚羧酸減水劑分階段吸附的基本設計思路，向聚合物主鏈引入具有鹼響應特性的官能團，在鹼性環境中不斷水解形成新的吸附基團，增強吸附能力，持續吸附增加顆粒間距，彌補由於水泥水化、漿體絮凝結構增強造成的流動性損失。透過調節鹼響應官能團的響應速率和用量，可以調控吸附歷程，形成系列具有不同流動性保持特性的緩控釋減水劑，根據實際工程調整流動度保持時間，可以保障常溫施工條件下3-5h流動性保持，在40℃高溫下不少於3h流動性保持的按需調控。

針對機制砂混凝土易離析泌水的問題，可採用觸變穩健型化學外加劑分子。該類高分子量水性聚合物，其分子鏈間的纏結作用，使混凝土漿體具有一定的黏稠度，且可以吸附粘結多個固體顆粒，促進網路結構的形成，束縛自由水。該材料同時具有較好的觸變性（剪下變稀），在靜止狀態能夠保持穩定，但在外力作用下，能夠迅速恢復流動態，具有很好的流動性。經過結構最佳化，泌水率可降低90%。

這些新材料和技術在藏木大橋、平塘特大橋、孟加拉帕德瑪大橋等一系列國內外重大工程中應用，保障了工程順利實施。拉林鐵路雅魯藏布江藏木大橋是世界最大跨徑（430m）鐵路工程中承式鋼管混凝土拱橋，針對海拔高、溫差大（日溫差＞20℃）、原材料品質波動大的惡劣施工條件，採用緩控釋、黏度調控、觸變調控的綜合措施抑制鋼管內混凝土流動效能波動，實現了混凝土6h頂升泵送，保障鋼管混凝土填充密實。在亞洲公路工程第一高塔——貴州平塘特大橋超高主塔，採用快分散、黏度調控和觸變調控綜合技術，解決了機制砂配製C50高標號混凝土垂直泵送328米的應用難題。在帕德瑪大橋125。46m世界最長水下鋼斜樁，採用快速分散、選擇吸附、緩控釋、觸變調控的綜合措施，解決了南亞40℃高溫混凝土4h流動性保持難題。

收縮裂縫控制

橋樑工程中強度C50及以上現澆高強混凝土已普遍使用，如索塔混凝土、鋼管混凝土拱橋的管內混凝土等。高強混凝土水膠比低、膠凝材料用量高，且摻加超細的礦物摻和料，早期水化放熱速率加快，水化引起的自乾燥效應更為突出。自乾燥效應引起的自收縮，一方面會導致鋼管混凝土的收縮脫空；另一方面，且在早期和混凝土溫降收縮相互疊加，在外約束作用下極易引起開裂。在裂縫控制方面，可以從材料、施工等多方面採取措施。如：高強混凝土配合多采取摻入較多粉煤灰與磨細礦渣等摻和料取代水泥的方式進行設計；施工過程中則採取原材料降溫，並佈置冷卻水管等措施降低溫度峰值。工程實踐中，粉煤灰雖能抑制自收縮，但效果有限。磨細礦渣則會增大混凝土的自收縮，大摻量摻和料難以徹底解決收縮問題。同時，也正是由於高強混凝土收縮尤其是自收縮的較大問題，工程中採取的單一溫控措施難以解決開裂問題。

針對橋樑高強混凝土收縮的型別、出現的時間段、收縮大小溫度和收縮歷程特點，優選功能材料，從混凝土自身效能改善的角度抑制各種收縮變形，是解決混凝土收縮開裂的有效途徑。在具體措施方面，可透過多元複合膨脹技術，實現混凝土收縮的分階段、全過程補償；透過水化熱調控措施，降低混凝土的水化溫升及溫降收縮。多元複合膨脹技術，採用不同膨脹效能及膨脹溫溼度敏感性的鈣質和鎂質膨脹源，實現變溫變溼條件下高強混凝土無收縮。水化溫升抑制技術，則是利用有機材料連續緩慢釋放並吸附在水泥顆粒表面，在不改變放熱總量不變的情況下，降低水泥加速期水化放熱速率，在一定散熱調控下，達到減小結構混凝土的溫度峰值，延長達到溫峰的時間，並減小降溫速率。

上述兩種技術為硬化混凝土收縮和開裂的抑制提供了新的思路，在多項橋樑工程中得到示範及應用。其中，平南三橋是中承式鋼管混凝土拱橋，主橋跨徑575米，鋼管混凝土強度等級為C70。採用多元複合膨脹技術，可實現試驗室20℃條件下，混凝土28d齡期自生體積膨脹在100×10-6以上，90d齡期無自收縮，在變溫條件下產生有效膨脹，並在管內形成一定的預壓應力。滬蘇通長江大橋索塔為大體積鋼筋混凝土結構，壁厚1。2m～4。2m、強度等級C60，由於分節澆築導致新澆混凝土受到下部硬化混凝土的外約束較大。採用水化溫升抑制技術與多元複合膨脹技術製備低溫升高抗裂混凝土，控制入模溫度不超過28℃，並在內部設冷卻水管。相比於基準混凝土，採取抗裂混凝土技術，中心和表層溫度峰值分別降低4。7℃和3。5℃；裡表溫差降低3。6℃（圖1（a）），單位溫升膨脹增大超1倍，單位溫降收縮減小35%，開裂風險係數（收縮拉應力和抗拉強度比值）降低30%以上，中心、表面開裂風險分別低於0。7和1。0（圖2（b）），收縮裂縫數量平均降低近80%，工藝引數滿足設計指標的節段能夠避免開裂。

圖1 變溫條件下C70混凝土自收縮測試結果

（a）滬蘇通大橋實景圖

（b）溫度監測結果

（c）開裂風險係數計算結果

圖2 滬通大橋索塔混凝土效能

超高效能化

大量工程實踐表明，大跨徑橋樑的梁體開裂和主跨過度下撓是世界性難題，是長期困擾工程界，制約大跨徑橋樑進一步發展的技術瓶頸。就鋼-混凝土組合橋樑而言，因橋面自重較大，導致經濟適用跨徑受限，且存在負彎矩混凝土橋面板易開裂的難題，究其基本原因為結構自重大，材料或連線易出現靜力和疲勞受拉開裂所致。而具有超高強度、超高韌性與超耐久性的超高效能混凝土（UHPC），被認為是梁橋病害控制和結構體系創新的重要載體，因而被廣泛應用於預製箱梁、組合橋面板、輕型組合梁結構、節點連線及橋樑加固維修等場景。然而黏度大、施工難，必須蒸汽養護，無法使用粗骨料和收縮開裂風險高是UHPC亟待解決的技術瓶頸，嚴重製約了其在工程實際中的推廣應用。

針對UHPC黏度大、施工難問題，採用超分散降黏外加劑和微奈米顆粒，最佳化顆粒堆積狀態，提升堆積密實度，增加超細粉體吸附層厚度和顆粒間距，降低顆粒間隙液黏度，可降低UHPC黏度60%，提高漿體流速80%，進而滿足高遠端泵送施工、自密實成型。

針對UHPC必須蒸汽養護問題，透過奈米材料聚合物共價修飾、外層包覆和表面吸附改性，調節奈米粒子表面性質，提高在UHPC漿體中的分散性，降低結晶勢壘，加速水化，最佳化水化產物的堆積密度，減少微裂縫，常溫養護條件下可提升UHPC抗壓強度50%，實現混凝土常溫工藝下的超高強。

針對UHPC無法摻加粗骨料的問題，引入奈米改性顆粒，促進高與超高密CSH凝膠在介面大量生成，減小介面過渡區厚度，提高介面膠結強度50%。並透過強極性的鏈棒狀結構聚合物，細化、重排CH晶體，提高微結構的緻密度，提升基體抗拉強度30%。結合纖維的端部設計及表面改性技術，提升斷裂能70%，實現超高強與超高韌的統一。粗骨料UHPC抗拉強度可突破10MPa，彈性模量可提升至70GPa，徐變係數可低於0。4。

針對UHPC自收縮大問題，採用低溼度敏感型鈣類膨脹材料，透過表面化學包覆、粒度控制，推遲水化峰值，減少早期無效水化，實現膨脹歷程的調控；採用原位接枝聚合物減縮劑，降低孔溶液表面張力和孔隙負壓，延緩應力發展，減小UHPC自收縮50%，可低於300uε。

圖3 南京長江第五大橋

上述新材料和新技術促成了混凝土超高效能化的實現，並在南京長江第五大橋（圖3）、南潯大橋等一批國家重大工程成功應用。作為國際首創應用粗骨料UHPC橋面板的典型範例，南京長江第五大橋（主橋跨徑1769m）的主樑採用整體抗扭效能較好的整體箱形組合梁型式，頂板採用了17cm厚粗骨料UHPC橋面板，其彈性模量可達60GPa（圖4（a）），經1000萬次疲勞試驗後，結構未見開裂（圖4（b））；降低了橋面板自重30%，延長了疲勞壽命3倍，並滿足了常規養護工藝下UHPC橋面板規模穩定製備，為解決超大跨徑混凝土橋樑撓度大的難題提供了有效載體，促進了新型橋樑結構體系的創新。

（a）彈性模量結果

（b）疲勞試驗結果

圖4 南京長江第五大橋粗骨料UHPC效能

耐久性提升技術

橋樑工程常暴露於嚴酷環境，遭受侵蝕介質滲透、鋼筋鏽蝕、凍融破壞及化學腐蝕等耐久性破壞。此外，橋樑混凝土施工常年需要面對大風、海浪、深水、高溫等施工條件，施工質量控制難度大。因此，嚴酷複雜環境下橋樑工程用鋼筋混凝土因耐久性失效破壞的風險高，亟需採取耐久性提升技術保障橋樑工程的長壽命。

就傳統耐久性技術而言，主要採用低水膠比與大摻量礦物摻和料的海工混凝土技術，實現橋樑工程耐久性的提升，該技術具有較好的經濟性，可以有效保障海洋環境等中度與嚴重作用等級的結構混凝土耐久性。但同時該技術存在混凝土收縮開裂風險高、碳化加快和拌和物流動性不穩定等問題。因此，亟需研發面向嚴酷複雜環境的結構混凝土耐久性提升技術，解決嚴重及以上作用等級的橋樑工程百年壽命難題。為了實現嚴酷複雜環境下橋樑混凝土的長壽命，可透過多因素耦合條件下耐久性量化設計和“隔、阻、緩、延”技術體系實現。上述提升技術的關鍵在於，利用塗層材料降低表面臨界氯離子濃度，透過傳輸抑制材料降低擴散係數，採用內摻型鋼筋阻鏽材料提升鋼筋鏽蝕臨界離子濃度，藉助遷移型阻鏽材料實現脫鈍鋼筋再鈍化，最終保障全壽命週期橋樑結構混凝土達到設計使用年限。

圖5 橋樑混凝土的“隔、阻、緩、延”耐久性技術體系

透過考慮擴散係數時變效應、凍融損傷剝落程度和硫酸鹽侵蝕剝落的時變效應，建立多因素耦合作用下結構混凝土服役壽命預測模型，可實現橋樑混凝土耐久性設計的定量化和科學化。阻，透過抗侵蝕抑制材料最佳化混凝土內部孔結構並實現孔隙表面疏水，降低混凝土基體的吸水率與氯離子擴散係數，是實現混凝土抗介質侵蝕的前沿技術。緩，採用阻鏽分子抑制鋼筋腐蝕，摻入型阻鏽劑透過鋼筋表面形成具有多位點、強吸附的新型長效有機阻鏽分子膜，阻止氯離子和氧氣分子的吸附和抑制鋼筋鈍化膜溶解，實現鋼筋陰極和陽極的兩極保護。即使在3。5%的氯鹽環境下鋼筋浸泡90天仍無生鏽發生，可實現95%以上的阻鏽效率。隔，即採用塗層材料封閉混凝土表層的傳輸通道，是有效提升橋樑工程耐久性的重要附加防護措施。緩，透過遷移性阻鏽劑實現，利用毛細吸附、氣相擴散等原理實現阻鏽劑定向自遷移，取代鋼筋表面點蝕坑內的Cl- 、H+，起到抑制鋼筋點蝕發展的效果，用來修復既有橋樑工程。上述耐久性成套提升技術已在工程中應用並取得積極效果，其中抗侵蝕抑制劑已經成功應用於南沙大橋的承臺結構，在未出現溫度裂縫基礎上實現28d電通量僅為540C，28d氯離子擴散係數<4。0x10-12 m2/s，滿足了浪濺區結構混凝土100年的設計壽命要求。