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南方双色球重号走势图:港珠澳大橋海工高性能混凝土結構耐久性設計及其實現

時間:2019-05-09    作者:張寶蘭     

双色球红球遗漏 www.ntlaui.com.cn

  引言

  港珠澳大橋工程總投資超過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55公里,由4島、1隧、1橋多種復雜結構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高溫、高濕、高鹽海洋腐蝕環境,要確保其120年使用壽命極具挑戰。港珠澳大橋混凝土結構耐久性設計及其實現,需要從三個方面進行,一是基于相似環境下的長期暴露試驗并結合工程調查數據,利用Fick定律擴散模型進行混凝土結構耐久性參數設計:氯離子擴散系數、?;げ愫穸鵲?;二是混凝土質量控制技術:包含混凝土配合比設計、原材料質量控制、混凝土生產質量控制、澆筑養護質量控制等;三是開通后的運營維護:預先埋設觀測點進行定期觀測、根據觀測結果定期進行耐久性評估、并采取相應的維護保養措施形成耐久性維護技術。本文簡單闡述混凝土結構耐久性設計技術,著重介紹港珠澳大橋沉管混凝土配合比設計的過程,把混凝土生產質量過程控制的經驗介紹給大家,為今后類似工程提供理論和實踐參考。

 

圖1 港珠澳大橋

  1 混凝土耐久性設計技術

  利用在湛江暴露試驗站放置試件所采集的試驗數據以及華南地區港口碼頭調查所獲得的數據做依據,按照可靠度理論,采用Fick定律擴散模型進行耐久性設計,建立設計使用年限、氯離子擴散系數、鋼筋?;げ愫穸鵲炔問淶畝抗叵?。

  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站相距僅四百多公里,表1中可見港珠澳大橋所處環境與湛江暴露站環境高度相似。

  表1 港珠澳大橋與湛江暴露站環境

  湛江暴露試驗站按大氣區、浪濺區、水位變動區、水下區放置了不同配比2500多組試件,按不同齡期采集樣本進行測試,對大量測試數據進行統計分析來確定混凝土臨界氯離子濃度、表面氯離子濃度。

  1.2 Fick定律及擴散模型

  以氯離子滲透抵達鋼筋表面時作為耐久性極限狀態,設計方程為:

  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?;げ閔疃齲╩);Dcl為氯離子擴散系數(m2/s);tSL為設計使用年限;erf為誤差函數。

  對95個長期樣本數據進行統計分析表明,氯離子擴散系數隨時間呈指數衰減關系,但氯離子擴散不會無限衰減,故將衰減周期定為30年,氯離子擴散系數隨時間衰減見公式(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為氯離子擴散系數時間衰減指數;Dcl(28)為28d齡期時的氯離子擴散系數(實測暴露試驗數據)。

  按照可靠度理論確定分項系數將Fick擴散模型修正為:

                                      (4)

  式中:gc 、g,s, 、g D、g n為參數分項系數;xdnom為名義?;げ愫穸?;Λxd為?;げ愫穸仍市砥睿ㄔ嘉?0mm);h=(28/365×30)n;為設計使用年限。

  1.3 鋼筋?;げ愫穸鵲娜范?/strong>

  根據式(4)以氯離子擴散系數特征值Dcl(28)和名義?;げ愫穸茸魑淞?,設計年限定為120年,得出不同暴露條件(區域)下鋼筋混凝土構件?;げ愫穸扔肼壤胱永┥⑾凳墓叵?,見圖2所示。

 

圖2鋼筋混凝土構件?;げ愫穸扔?6d氯離子擴散系數的關系

  1.4 長期暴露試驗氯離子擴散系數與NT build492方法測試氯離子擴散系數關系

  圖2中為暴露試驗實測氯離子擴散系數與?;げ愫穸鵲墓叵?,但理論計算擴散系數不等于實際構件耐久性質量控制指標,因此需要將長期暴露試驗數據與快速試驗數據之間進行相關性轉換。圖3為快速氯離子擴散系數與暴露試驗實測氯離子擴散系數之間的關系。

 

 圖3 快速試驗擴散系數與暴露試驗系數關系

  D0(控制)=k.D0(壽命)               (5)

  式中:D0(控制)為快速試驗氯離子擴散系數;D0(壽命)為實測暴露氯離子擴散系數;k為轉換系數。

  從圖3中可以看到,暴露試驗擴散系數與快速試驗擴散系數的相關性不高,但為了提高耐久性安全保證率,將擴散系數轉換系數k值取為2,即可將壽命計算理論擴散系數轉換為快速試驗擴散系數控制值,將港珠澳大橋混凝土構件最大氯離子擴散系數及最小?;げ愫穸勸床煌課患八肪扯雜α杏詒?。

  表2 港珠澳大橋混凝土構件最大氯離子擴散系數及最小?;げ愫穸?/p>

  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:滿足混凝土強度、耐久性的前提下,同時滿足施工性、抗裂性要求、盡可能兼顧經濟環保。

  2.1橋梁結構混凝土性能

  橋梁分通航孔橋和非通航孔橋,構件類型多,綜合考慮結構尺寸、施工工藝、使用環境、強度、耐久性等因素,不同部位混凝土性能指標要求如表3所示,同時根據施工現場情況對混凝土狀態進行調整。

  表3 橋梁結構混凝土性能要求

  2.2預制沉管混凝土性能指標

  港珠澳大橋沉管隧道深埋海底-44.5m,隧道全長6704m,預制沉管隧道長5664m,單節隧道尺寸為37.95m×11.4m×22.5m,最大壁厚1.5m,采用工廠法、流水線生產、全斷面一次性澆筑,單次澆筑方量近3400方混凝土,沉管節段結構巨大、鋼筋密集、預埋件眾多,對混凝土工作性、重塑性能、凝結時間要求極高。為適應頂推工藝,增加了3d強度要求,綜合分析確定沉管混凝土性能要求見表4、表5?! ?/p>

圖4 沉管隧道設計方案圖 

圖5 預制沉管實景圖

  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 混凝土結構施工質量控制技術

  3.1 混凝土配合比設計思路

 ?。?)依據構件尺寸大小、澆筑工藝、所處腐蝕暴露環境,確定新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的力學性能、耐久性要求、抗裂性要求;

 ?。?)調研和優選符合要求的原材料;

 ?。?)參考早期科研放置在暴露試驗站大摻量粉煤灰、礦渣粉混凝土配合比,不斷對新拌混凝土性能測試、挑選滿足新拌混凝土性能要求的配比成型試件進行硬化性能、膠凝材料組成水化放熱測試,確定水膠比大小、膠凝材料比例、用量范圍等;

 ?。?)優選出幾組符合要求的混凝土配合比,進行多尺寸模型驗證試驗,并利用沉管模型試驗所得數據進行有限元仿真驗證分析,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計為例,對上述思路進行說明。

  3.2 沉管混凝土配合比設計

  沉管處于深海中,最大埋深達-44.5米,在耐久性設計上,把沉管外側按照最嚴苛暴露環境浪濺區考慮,內側按照海洋環境大氣區考慮,作為不可更換部件,抗滲和防裂要求不能出現危害性裂縫,水化熱與收縮是影響混凝土開裂的兩個最主要因素。

  3.2.1不同膠凝材料體系對氯離子擴散系數的影響

  圖6為不同膠凝材料體系混凝土暴露于海洋環境浪濺區5a的氯離子擴散系數。圖中顯示大摻量粉煤灰+礦渣粉膠凝材料體系具有優異的抗氯離子滲透性,初始擴散系數最小且衰減最快。

 

圖6 長期暴露試驗混凝土氯離子擴散系數

  3.2.2 不同膠凝材料體系的混凝土強度、開裂敏感性研究

  對粉煤灰+礦渣粉膠凝材料體系的水化放熱量和抗裂性進行研究,試驗結果如圖7所示。膠凝材料用量和膠凝材料組成比例,水化放熱量及對開裂的敏感性是影響混凝土結構抗裂性能的關鍵因素。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。膠凝材料開裂時間比以純硅酸鹽水泥小圓環試驗開裂時間為基準,圖7.b表明礦物摻合料能夠顯著延長開裂時間,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間比

  圖8表示不同膠凝材料體系對混凝土強度的影響。在水膠比相同條件下,28d齡期后,除單摻粉煤灰混凝土外,其他混凝土的強度均高于純硅酸鹽混凝土,且其抗壓強度隨齡期增長而增加。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最好。

 

圖8不同膠凝材料體系混凝土抗壓強度

  表6 不同膠凝體系性能

 

  3.2.3 水膠比對混凝土氯離子擴散系數及抗壓強度的影響

  圖9為水膠比對混凝土抗氯離子擴散系數及強度的影響。從圖9中可以看出,混凝土抗壓強度及氯離子擴散系數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強度達到C45,水膠比宜大于0.33,為確保耐久性氯離子擴散系數滿足要求,水膠比應小于0.38。

 圖9 水膠比對混凝土抗氯離子擴散系數及強度的影響

  3.2.4 漿體比例對混凝土抗裂性及工作性的影響

  利用溫度應力試驗機獲得漿體比例與抗裂安全系數之間的關系,得到混凝土的抗裂安全系數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骨料粒徑大小對混凝土氯離子擴散系數的影響

  研究了粗集料最大粒徑對混凝土抗氯離子擴散系數的影響,得到在相同條件下,氯離子擴散系數隨集料粒徑增大而增大。

  3.2.6多尺度模型試驗確定混凝土生產配合比、澆筑溫度控制指標

  在港珠澳大橋主體結構中,沉管對混凝土綜合性能要求最高,包括最高的工作性和抗裂防滲性能要求。因此,沉管混凝土生產配合比的確定經歷了一個漫長而艱巨的過程。轉戰廣州、新會、珠海總營地、珠海桂山四地,進行了1年多的室內試驗,6次現場小尺寸模型試驗,2次足尺模型試驗,驗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

       圖11  足尺模型試驗

  表8  沉管混凝土的生產配合比(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

     通過現場多尺度模型試驗研究,制定了混凝土生產及澆筑溫度控制指標,如表11所示。

  表11 沉管混凝土溫度控制指標

  3.3沉管混凝土原材料質量控制

  原材料的質量控制按照相關國家標準和《港珠澳大橋混凝土耐久性質量控制技術規程》執行。有區別的地方是:

 ?。?)將礦渣粉的7d活性指數放寬至65%,其他指標滿足S95級要求;

 ?。?)粉煤灰的需水量比≦100%,其他指標符合Ⅰ級粉煤灰要求;

 ?。?)碎石緊密堆積空隙率≦40%;

 ?。?)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沉管混凝土生產質量控制

  即使室內研究混凝土配合比所有指標沒有問題,但最終混凝土結構能否達到和滿足設計指標的要求,要靠混凝土生產過程中的質量控制、澆筑質量控制來實現。

  在混凝土生產過程中,采取各種措施盡可能降低各類原材料的溫度,降低出機溫度,確?;炷兩街肽N露鵲陀?6℃,以控制沉管混凝土最高溫升及內外表溫差,降低混凝土開裂的風險;制度化的測定混凝土出機、入模時的坍落度、溫度、容重和含氣量,采取的具體措施如下(不是全部):

 ?。?)搭設帶高棚的砂石料場,提前將砂石料轉運入料場中,降低砂石料溫度;

 ?。?)設置粉料中轉倉,降低粉料溫度;

 ?。?)對攪拌站操作室、上料稱量系統封閉設置,布設大功率空調、冷風系統;

 ?。?)在混凝土生產過程中,采用碎冰、5℃~8℃冷卻水取代常溫拌合水控制混凝土出機溫度;

 ?。?)混凝土運輸車、泵送管全部包裹,夏季定時噴淋降溫,冬季保溫,入泵口搭設遮陽(雨)棚,避免陽光直射和雨水落入;

 ?。?)在混凝土生產過程中,每4h對集料含水率進行檢測,控制混凝土入模坍落度維持在200±20mm。

  3.5 人員管理制度

  預制沉管混凝土質量要達到120年使用壽命,第一步就是要把實際澆筑的混凝土按照設計好的配合比生產出來并澆筑振搗密實(關鍵重點),確保?;げ愫穸確弦?,作為原材料質量檢控、混凝土生產質量保證部門,在提供高品質混凝土方面起到關鍵作用,事情都是由人操作來完成的,在此將在工作中建立的混凝土生產質量控制的人員管理制度提供給大家參考。

 ?。?)三崗位質量監督反饋制度——即在攪拌機出料口、泵機入口和澆筑區泵管出口三崗位進行全天候不間斷監測、檢測混凝土狀態,如有波動則通過微信實時反饋混凝土狀態,攪拌站控制人員和前場實時聯動及時調整;

 ?。?)三級巡檢制度——即帶班組長、技術與質量負責人、試驗室主任三級巡檢,對混凝土狀態進行評價,指導攪拌站控制人員及時調整;

 ?。?)三會制度——即澆筑前交底會、澆筑中交接班會、澆筑完畢后的總結會,交底會是把原材料的檢測情況告知所有生產值班人員,注意混凝土生產過程中應重點注意問題及調整的方向;交接班會指生產過程上一班人員將混凝土生產情況、澆筑施工情況向接班人員交代清楚,合理安排混凝土生產進度避免等待時間過長;澆筑完畢后通過現場視頻、圖片進行分析混凝土狀態,結合拆模后的情況進行分析措施的有效性,全員參與討論、持續培訓和提高生產質量控制水平和質量意識。

  4 沉管混凝土性能評定

 ?。?)?;げ愫穸齲豪美狀鏌羌觳餳際醪舛扛黿詼蔚裝?、外墻、內墻、中墻隨機兩個區域的?;げ愫穸?,統計分析了沉管鋼筋?;げ愫穸確植?,?;げ愫穸群細衤省?0%,最大負偏差不超過5mm,?;げ愫穸瓤刂坡閔杓埔?。

 ?。?)混凝土強度評定:對4270組留置混凝土強度試件進行測試并進行統計分析,強度值符合正態分布規律, 28d抗壓強度平均值57.7MPa,標準偏差為3.3MPa;56d抗壓強度平均值66.5MPa,標準偏差3.0MPa,均滿足設計要求。

 ?。?)氯離子擴散系數評定:對504組留置試件進行氯離子擴散系數試驗,得到了氯離子擴散系數也成正態分布。28d氯離子擴散系數均值為5.0×10-12m2/s,標準偏差0.5×10-12m2/s;56d氯離子擴散系數平均值為3.1×10-12m2/s,標準偏差0.3×10-12m2/s。

  5 結語

  本文介紹了港珠澳大橋混凝土結構耐久性設計及其實現的方法;以港珠澳大橋沉管混凝土配合比設計為例,著重介紹海工高性能混凝土配合比設計方法;總結了沉管混凝土生產、澆筑經驗;通過港珠澳大橋沉管混凝土配合比的實際應用,證明適當的水膠比(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,對抑制混凝土開裂極為有利。港珠澳大橋混凝土配合比設計經歷了室內試驗研究、現場多尺度模型試驗研究過程,結合澆筑工藝對混凝土進行工作性、耐久性驗證最終確定配合比的過程,對類似工程具有極重要的參考意義。



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