（交通运输工程专业论文）苏通大桥高性能混凝土应用研究.pdf

摘要 苏通长江公路大桥总长8 2 0 6 m ，其主桥为斜拉桥结构形式。主桥跨径达 1 0 8 8 m ，主塔高度3 0 6 m 斜拉索的长度5 8 0 m ，群桩基础平面尺寸11 3 7 5 mx4 8 1 m ， 各项指标均居世界第一。主桥设计寿命为1 0 0 年，引桥为6 0 年。该工程总投资 约6 4 5 亿元，是国家重点干线公路跨越长江的重要通道，也是江苏省公路主骨 架之一一赣榆至吴江高速公路的重要组成部分。为保证大桥高性能结构混凝土优 质的工作性和耐久性，本文采取室内试验与现场试验的手段，分别从原材料要求、 配合比设计与优化等角度进行研究，制备出满足苏通大桥各特大型结构工作性 能、耐久性能的特殊需求的高性能混凝土。 本文所作主要工作如下： 在大量国内外调查研究的基础上，对制备高性能混凝土的原材料进行优选和 优化，建立原材料控制指南；在满足苏通大桥专用不同强度等级的高性能混凝土 的物理、力学和耐久性能的要求下，制备出分别适应不同主体部位特殊性能要求 的高性能结构混凝土材料；及时将科研成果进行转化，进行现场技术服务、质量 控制和跟踪、技术数据的收集和分析，转化科研成果。 通过本项目中的各项试验研究，可取得以下几个主要结论： 1 、苏通大桥应选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，c 擅含量不应超过8 ， 水泥细度( 比表面积) 不应超过3 5 0 m 2 k g ，游离氧化钙不超过1 5 。 2 、苏通大桥用粉煤灰的烧失量宜尽可能低，不大于5 ，对预应力混凝土和 引气混凝土不大于3 ；需水量比宜不大于1 0 0 。混凝土中的粉煤灰掺量应不少 于胶凝材料总量的2 0 。 3 、苏通大桥混凝土的配制应使用缓凝型高效减水剂，减水率应该大于2 0 以上；外加剂中的氯离子含量不得大于混凝土中胶凝材料总重的o 0 2 ，高效减 水剂中的硫酸钠含量不大于减水剂干重的1 5 ；氯化钙不能作为混凝土外加剂使 用。 4 、随着砂率提高，混凝土含气量增大，抗压弹性模量有所降低，干燥收缩 率增大；掺入减缩剂，混凝土干燥收缩率明显减小，抗折和劈裂抗拉强度增大。 关键词：苏通大桥高性能混凝土原材料配合比优选优化施工 a b s t r a c t t h et o t a ll e n g t ho fs u z h o u - n a n t o n gr o a db r i d g eo ny a n g t z er i v e ri s8 2 0 6 ma n d t h em a i nb r i d g ei sc a b l e - s t a y e db r i d g e t h es p a nl e n g t ho fm a i nb r i d g ei s10 8 8 ma n d t h em a i nt o w e ri s3 0 6 mt a l l t h el e n g t ho fs t a yc a b l ei s5 8 0 ma n dt h ea r e ao f f o u n d a t i o n p l a n e i s1 1 3 7 5 m 4 8 1 m i n g e n e r a l t h e v a r i o u si n d e xo f s u z h o u n a n t o n gr o a db r i d g eo ny a n g t z er i v e rr e a c h e st h ef i r s ti nt h ew o r l d t h e d e s i g n e ds e r v i c el i f eo fm a i nb r i d g ea n da p p r o a c hb r i d g ei s10 0 ya n d6 0 yr e s p e c t i v e l y s u z h o u - n a n t o n gr o a db r i d g ew i t ht h ei n v e s t m e n to f6 4 5h u n d r e dm i l l i o ny u a ni s t h ei m p o r t a n th i g hw a ya c r o s sy a n g t z er i v e r a tt h es a m et i m e ，t h eb r i d g ei st h e i m p o r t a n tp a r to fg a n y u w u j i a n gh i g h w a y i no r d e rt oe n s u r et h ew o r k a b i l i t ya n d d u r a b i l i t y o fh i g hp e r f o r m a n c eb r i d g es t r u c t u r e ，o p t i m i z a t i o no fr a wm a t e r i a l s s e l e c t i o na n dm i x i n gp r o p o r t i o n sd e s i g nw a ss t u d i e dt h r o u g hl a b o r a t o r ya n df i e l d t e s t i n g t h eh i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t ew i t hq u a l i f i e dw o r k a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yw a s p r e p a r e d t om e e tt h e s p e c i a lr e q u i r e m e n t s o fe x t r a l a r g e s t r u c t u r e so n s u z h o u n a n t o n gr o a db r i d g e t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e ri sp r e s e n t e da sf o l l o w i n g ： b a s e do nl a r g es c a l ei n v e s t i g a t i o n ，s e l e c t i o no fr a wm a t e r i a l sf o rp r e p a r i n gh i g h p e r f o r m a n c ec o n c r e t ew a so p t i m i z e da n dc o n t r o lg u i d ew a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so fs t r e n g t hg r a d e ，p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d d u r a b i l i t y , h i g hp e r f o r m a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o n o fv a r i o u sm a i ns t r u c t u r e sw a s p r e p a r e d i ns p i t eo ft h ew o r km e n t i o n e da b o v e ，q u a l i t y c o n t r o la n dt r a c k i n g ， c o l l e c t i o na n da n a l y s i so ft e c h n i c a ld a t a ，t e c h n i c a ls e r v i c ei nf i e l de n g i n e e r i n ga n d t r a n s f o r m a t i o no fr e s e a r c ha c h i e v e m e n tw e r ec o m p l e t e da tt h es a m et i m e m a i nc o n c l u s i o n sw e r eo b t a i n e dt h r o u g ht h ev a r i o u se x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s ： 1p o r t l a n dc e m e n to ro r d i n a r yp o r t l a n dc e m e n ts h o u l db es e l e c t e da st h el a w m a t e r i a l t h ec 3 ac o n t e n to fc e m e n ts h o u l db eb e l o wt h ev a l u eo f8 t h ef i n e n e s s o fc e m e n ts h o u l dn o tb eb e y o n d3 5 0 m 2 k g t h ef r e ec a oc o n t e n to fc e m e n ts h o u l d n o tb eb e y o n dt h ev a l u eo f1 5 h 2t h ei g n i t i o nl o s so ff l ya s hs h o u l dn o tb eb e y o n dt h ev a l u eo f5 f o r p r e s t r e s s e dc o n c r e t ea n dc o n c r e t ew i t hi n t r o d u c i n ga i r , i g n i t i o nl o s so ff l ya s hs h o u l d n o tb eb e y o n dt h ev a l u eo f3 t h ew a t e rr e q u i r e m e n tr a t i oo ff l ya s hs h o u l dn o tb e b e y o n dt h ev a l u eo f10 0 t h ea d d i t i o nd o s a g eo ff l ya s hs h o u l dn o tb el e s st h a n2 0 o f 也et o t a lc e m e n t i t o u sm a t e r i a l s 3h i g he f f i c i e n c yw a t e rr e d u c i n ga g e n tw i t hr e t a r d i n gp r o p e r t i e sw a ss e l e c t e df o r t h ep r e p a r a t i o no ft h eb r i d g ec o n c r e t e t h ew a t e r r e d u c i n gr a t i ow a sb e y o n dt h ev a l u e o f2 0 t h ec h l o r i d ei o nc o n t e n to fa d m i x t u r e sh a st ob el e s s 也a l lt h e0 0 2 o ft h e t o t a lc e m e n t i t i o u sm a t e r i a l s t h en a s 0 4c o n t e n ti nw a t e rr e d u c i n ga g e n th a v et ob e l e s st h a n15 o ft h ed r ya g e n t n a c ic a n tb eu t i l i z e da sa d m i x t u r eo ft h eb r i d g e c o n c r e t e 4t h ei n c r e a s eo fs a n dp e r c e n tr e s u l t e di ni n c r e a s eo fa i rc o n t e n t ，d e c r e a s eo f c o m p r e s s i v es t a t i ce l a s t i cm o d u l u sa n di n c r e a s eo fd r y i n gs h r i n k a g e t h ea d d i t i o no f s h r i n k a g er e d u c i n ga d m i x t u r ei n d u c e d o b v i o u sr e d u c t i o no fd r y i n gs h r i n k a g e ， i n c r e a s eo ff l e x u r a ls t r e n g t ha n di n c r e a s eo fs p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t h k e y w o r d s ：s u z h o u - n a n t o n gb r i d g e ，h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，r a wm a t e r i a l s ， m i x i n gp r o p o r t i o n s ，o p t i m a ls e l e c t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，c o n s t r u c t i o n i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：塞堕! 垒 日期：盟乙 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：幺兰垒! 垒 导师签名： 研究生签名：丞兰竺! ! 立 导师签名： 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 苏通长江公路大桥总长8 2 0 6 m ，其主桥为斜拉桥结构形式。该桥是继江苏省 江阴长江公路大桥、南京第二长江大桥、江苏润扬长江公路大桥之后又一重大桥 梁工程，其主桥跨径达1 0 8 8 m ，居世界第一；丰塔高度3 0 6 m ，居世界第一；斜 拉索的长度5 8 0 m ，居世界第一；群桩基础平面尺寸1 1 37 5 m x 4 8l m ，居世界世 界第一。南北引桥采用3 0 m 、5 0 m 、7 5 m 预麻力混凝土连续箱梁，专用航道桥采 用2 6 8 m 超长t 型刚构粱。丰桥设计寿命为1 0 0 年，引桥为6 0 年。该工程总投 资约6 45 亿元，是国家重点干线公路跨越长江的重要通道，也是江苏省公路主 骨架之一一赣榆至吴江高速公路的重要组成部分。这座桥对于长江两岸干线公路 网的形成和连接将发挥重要作用，它在国家及江苏省公路运输网中均占有重要地 位。为保障大桥优质的工作性和耐久性，其主体结构部分均采用高性能混凝土 ( h i 曲p e r f o r m a n c ec o n c r e t e ，以下简称为h p c ) ，以提高混凝土施工性能和结构 的长期耐久性能。混凝土耐久性问题一直是国内外专家学者和工程技术人员共同 关注的重大问题，要延长混凝土构筑物使用寿命，结构混凝土原材料的质量控制 应得到充分的重视。 一 圈1 1 苏通大桥 第一章绪论 重大混凝土工程，尤其是重大桥梁工程的耐久性和服役寿命已引起国内外混 凝土工程界和科学界的密切关注，也是当今困扰重大基础设施建造的世界性难 题。发达国家从2 0 世纪7 0 年代末期起，从已有的诸多基础设施工程中逐渐显示 出过早损坏的现象，并认识到问题的严重性。如美国9 0 年代混凝土总价值6 万 亿美元，维修和重建费达每年3 千亿美元之多；1 9 8 7 年美国有2 , 5 3 0 ，0 0 0 座混凝 土桥梁，桥面板使用不到2 0 年就坏了；英国英格兰岛的中环线快车道上有1 1 座 高架桥，全长2 l 公里，总造价2 , 8 0 0 万英镑，修补费用为4 , 5 0 0 万英镑( 为造价 的1 6 倍) ，到2 0 0 4 年修补费要达1 2 亿英镑，接近造价的6 倍。中国的基础设 施建设比发达国家推迟了3 0 年，现正处于建设高潮，已暴露出大量的耐久性问 题，使用寿命低于设计要求，有的使用后3 5 年就出现裂缝，个别的建成尚未 投入使用已出现裂缝超出允许裂宽。随着泵送混凝土发展，混凝土早期收缩裂缝 己引起国内外混凝土界的密切关注。裂缝的产生不仅将严重影响到工程的承载能 力，而且严重危及到结构混凝土耐久性和服役寿命。为此，投入工程的修补费用 则相当可观。如不高度重视提高结构混凝土的耐久性，不建立耐久性保障和评估 体系将后患无穷。 众所周知，己引起国内外高度重视并进行深入研究的高性能混凝土，其核心 是耐久性问题，其破坏因素主要包括渗透、冻融、碳化、碱骨料反应、钢筋锈 蚀和各种化学腐蚀、剥落等。国内外虽对不同的重大混凝土工程提出各自的设计 使用寿命，如英国北海开采平台、日本明石跨海大桥、加拿大联盟大桥等其设计 寿命为1 0 0 年，沙特一巴林高速公路的跨海大桥为1 5 0 年，荷兰东谢尔德海闸为 2 5 0 年，香港青马大桥1 2 0 年，澳门观光塔1 2 0 年，国内各地铁工程、大型桥梁 工程的设计寿命一般为1 0 0 年或1 0 0 以上，但却没有很科学有效的手段和方法来 保证设计寿命的实现，更没有符合客观实际的判断耐久性和预测使用寿命的科学 方法及相应的新理论。虽然耐久性和寿命问题已引起国际上的高度重视，多次举 办了国际会议，并有诸多报导，如欧洲的d u r a c r e t e 项目，这是国际上很有影响 的研究工作，他们提出的耐久性设计和寿命预测方法，是以碳化和氯离子扩散引 起的钢筋锈蚀为主，这个项目建立了一套完整的耐久性设计新体系和相应的寿命 预测方法。但迄今为止，国内外对提高和评估各等级混凝土耐久性的研究依然沿 用过去的经验，逐个因素孤立地进行，这与实际工程所处环境条件极不相符。 2 第一章绪论 本课题在研究过程中，将吸收南京第二长江大桥、江阴大桥、润扬大桥和全 国已建成的大型、特大型桥梁工程的经验，并针对该桥所处环境条件，在技术上 有所突破、有所创新、有所前进，做出苏通大桥应有的特色。 1 2 国内外研究现状 当今国内外在重大桥梁工程的建设中，对制备主体部位结构混凝土材料时均 不同程度的掺入粉煤灰、矿渣等矿物掺合料并已形成热点和达成共识。掺矿物掺 合料的目的是为了降低混凝土的水化热，改善混凝土的施工和易性，但在实际工 程中，有时有顾此失彼的问题出现，如大量掺加粉煤灰后，混凝土的碳化及p h 值下降的问题，又如矿物掺合料掺量高时混凝土的干缩变形增大的问题。为全面 了解目前大型工程中高性能混凝土的应用现状，作者对国内外大量文献进行了整 理和分析。 1 2 1 桥梁用高性能混凝土研究现状 早在1 9 1 8 年， 美】d a 艾布拉姆斯( d a a b r a m s ) 建立了水灰比( w c ) 强 度公式。当混凝土充分密实时，其强度与w c 成反比。1 9 3 0 年，【瑞士 鲍罗米 ( b e l o m e y ) 根据大量试验数据，应用数理统计方法，纳入了水泥强度因素后， 提出了混凝土强度与水泥实际强度及w c 之间的关系。确认了混凝土强度取决于 水泥石性能，而水泥石性能又取决于自身的孔隙率。因为鲍罗米公式中没有考虑 水泥的物理化学性质，水泥水化程度，水化时温度、含气量变化及泌水形成的裂 缝等因素，后来鲍尔斯( p o w e r s ) 又确立了混凝土强度增长与胶空比的关系，即 已水化水泥浆体积与已水化水泥浆体积加毛细孔体积加气孔体积之和的比值。进 一步反映了混凝土强度与毛细空隙的关系。可见减少空隙，增加胶空比，能够提 高混凝土强度是鲍罗米与鲍尔斯公式的一致性。在此基础上，从配合比的设计到 工程验收形成了一套以强度为核心的施工质量控制体系。 混凝土材料因其价格低廉、使用方便，在工程界得到了广泛应用。然而随着 工程的越来越高，越来越大，人们在设计中发现，由于强度不足，导致构件本身 断面积增大，增加构造物自重，并减少有效利用空间，同时在施工过程中，由于 用水量及水泥量较高，容易滋生干缩、徐变、龟裂、泌水、离析或蜂窝等缺点。 为了提高混凝土的强度，工程界开始研究高强水泥的生产，有效的降低了结构自 3 第一章绪论 重。然而由于高强混凝土的单位用水量及水泥量仍然较高，拌和物早期水化热高 及温度上升率大，塑性收缩量大，凝结时间短；结构的抗渗性、水密性、抗风化 能力体积稳定性较低，裂缝产生的概率较大。1 9 9 0 年5 月，美国国家标准与技术 研究院( n i s t ) 与美国混凝土学会( a c i ) 率先提出高性能混凝土h p c ，其特点 为：高强度、高弹性模数、高工作度、高体积稳定性、高耐久性、高耐磨性、高 水密性等等。从公元1 9 9 2 年开始，世界各国逐渐采用同时添加粉煤灰等掺合料及 强塑化剂的方法。掺加粉煤灰等工业废料，不仅可以减轻环境污染，而且可以改 善高强度混凝土黏稠性，减少水化热，降低温度裂缝的产生机率，将水泥中之碱 性物质，如氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾等，转换成稳定性之胶体及晶体，改 善骨材与水泥浆之界面，增加链接强度改善混凝土致密性，减少水泥量，增强混 凝土的工作性；强塑化剂可以减少单位用水量，保持和提高拌和物的工作性，减 少水泥用量，从而提高混凝土的力学性能和长期性能。为了使高性能混凝土更容 易流动，1 9 9 5 年美国混凝土学会a c l 3 1 8 9 5 结构混凝土规范，采用水胶比的 耐久性设计观念，其实已接近高性能混凝土的含义。相比之下，我国对混凝土耐 久性的研究相对滞后，而且大多停留在科研阶段。至蛰j 2 0 0 2 年，混凝土结构设 计规范( g b 5 0 0 10 ) 才有了耐久性设计章节，混凝土结构工程施工质量验收 规范( g b 5 0 2 0 4 2 0 0 2 ) 才有了部分耐久性项目的验收条例。2 0 0 4 年，土木学 会编制了混凝土结构耐久性设计与施工指南( c e c s 2 0 0 4 0 0 1 ) ，供工程设计、 施工与管理人员参考使用。 为了提高重大混凝土工程的使用寿命，各国学者都做了大量的工作。1 9 8 0 年，c e b 发表了混凝土劣化机理；1 9 8 5 年h e r o n ( t n o d u t ) 发表了基于可靠度 设计的理念；1 9 8 9 年c e b 发表了混凝土结构耐久性设计指南；1 9 9 6 年r i l e m 建立 了使用寿命设计的新理念；1 9 9 7 年c e b 新耐久性设计( 以由碳化引起钢筋腐蚀为 例) ；2 0 0 0 年d u r a c r e t e 设计方法正式发表，建立了以碳化和氯离子扩散引起的 钢筋锈蚀为主的耐久性设计和寿命预测方法。 当今国内外在重大桥梁工程的建设中，对制备主体部位结构混凝土材料时均 不同程度的掺入粉煤灰、矿渣等矿物掺合料并已形成热点和达成共识。掺矿物掺 合料的目的是为了降低混凝土的水化热，改善混凝土的施工和易性，但在实际工 程中，有时有顾此失彼的问题出现，如大量掺加粉煤灰后，混凝土的碳化及p h 4 第一章绪论 值下降的问题，又如矿物掺合料掺量高时混凝土的干缩变形增大的问题。总的看 来，在预应力混凝土箱梁中，因控制张拉时混凝土强度问题，矿物掺合料( 特别 是粉煤灰) 掺量相对要少，因其早期强度发展慢，故粉煤灰掺量一般在1 5 左右。 而对桥梁用大体积混凝土( 如墩身、承台、锚锭) ，为降低水化热而有较高的矿 物掺合料掺量，可达3 0 - - - 4 0 ，甚至更高。在选用矿物掺合料品种时，掺粉煤灰 的桥用结构混凝土占有的比例最大。如：江阴大桥、南京二桥、润扬大桥、扬浦 大桥、黄浦大桥、虎门大桥、安徽省的蒙新河特大桥等均采用高性能粉煤灰结构 混凝土。为进一步提高混凝土的耐久性，近年来，优化配合比设计建造的重大桥 梁工程中还采用了粉煤灰与矿渣微粉双掺技术。 总的来看，矿物掺合料在桥用结构混凝土中应用已越来越多，越来越广泛， 包括日本明石跨海大桥大体积自流平混凝土，其复合矿物掺合料的掺量也达4 0 左右。但综合考虑各类主要矿物掺合料对混凝土各项关键技术性能正负效应的 准确评价及正负效应产生的细观与微机理、品种与掺量的优选和优化的研究尚有 不少若明若暗、说不清楚的问题。尤其对结构混凝土的耐久性和变形性能的研究 需要较长时间才能得到综合评价的结果，但往往因研究开始时间滞后，在工程施 工时不能提供结构混凝土材料全部试验资料。更没有对所用混凝土变形性能、抗 裂性能和耐久性的评价结果，故在一定程度上是以经验为主，而试验和理论的指 导很不及时。真正的全面系统研究资料是在工程竣工后的总结鉴定时，才有对所 用结构混凝土材料性能的全面评估，而不是在施工前。这种各主体部位结构混凝 土的变形性能、抗裂性能与耐久性评估的滞后现象往往会造成被动局面。 因此，对苏通大桥应采用的结构混凝土材料配合比必须在国内外已有研究基 础上，针对苏通大桥超高索塔、超大体积承台、长箱梁和超长刚构梁和复杂应力 作用下墩身的特殊要求进一步优选与优化，得到更能满足该桥各主体部位特殊性 能和施工技术要求的结构混凝土材料，并真正突出提高耐久性和寿命的要求，把 工程应用和理论分析、对矿物掺合料正负效应的确切评价落到实处，体现在建桥 工程中。 1 2 2 混凝土在各类特大型结构应用现状分析 目前研究表明，矿物掺合料在桥用结构混凝土中应用已越来越多，越来越 广泛，包括日本明石跨海大桥大体积自流平混凝土，其复合矿物掺合料的掺量 第一章绪论 也达4 0 左右。对苏通大桥应采用的结构混凝土材料配合比必须在国内外已有 研究基础上，针对苏通大桥超高索塔、超大体积承台、长箱梁和超长刚构梁和 复杂应力作用下墩身的特殊要求进一步优选与优化，得到更能满足该桥各主体 部位特殊性能和施工技术要求的结构混凝土材料，并真正突出提高耐久性和寿 命的要求，把工程应用和理论分析、对矿物掺合料正负效应的确切评价落到实 处，体现在建桥工程中。 由于苏通大桥结构设计要求、所处环境条件、采用的混凝土组成材料与润 扬大桥和南京地下铁道工程有诸多不同，具有自身的独有特性和代表性，本项 目通过诸多重要和重大工程的经验积累，结合这座世界上跨度最大、环境条件 又比较复杂的桥梁进行研究，必将从理论和应用两个方面有新的突破。 从表1 和表2 示出的苏通大桥承台、索塔与国内类似结构的对比来看，虽 然国内已做过大量工作，并积累了许多经验，但对苏通大桥超大体积承台，即 在面积、高度、体积等方面国内尚无先例。超高索塔混凝土泵送高度在国内桥 梁工程中也名列第一。因此，在这两个主体部位中必须优选适合于超大体积承 台和超高索塔特殊要求的高性能混凝土配合比设计。 表1 1 苏通大桥承台大体积混凝土与国内同类结构对比 混凝土强承台面积承台高度体积 项目名称结构型式施工时间 度等级 ( m z )( m )( m 3 ) 上海杨浦大桥斜拉桥 c 3 01 5 2 05 07 6 0 01 9 9 4 0 3 江阴长江公路大桥悬索桥 c 3 01 0 9 75 05 4 8 6 1 9 9 6 1 0 芜湖长江大桥斜拉桥 c 3 06 0 37 。o4 2 1 8 1 9 9 8 0 4 荆州长江公路大桥斜拉桥 c 3 08 4 9 6 35 3 4 61 9 9 9 0 3 南京长江二桥 斜拉桥 c 3 08 5 56 05 1 3 02 0 0 0 0 6 天津塘沽海河大桥斜拉桥 c 3 01 6 0 45 o8 0 2 22 0 0 0 0 8 安庆长江公路大桥斜拉桥 c 3 06 6 16 03 9 6 32 0 0 2 1 1 奉节长江公路大桥斜拉桥 c 3 07 3 57 03 6 8 52 0 0 3 0 7 哈尔滨松花江大桥斜拉桥c 3 0 5 2 65 03 6 7 52 0 0 3 0 7 金茂大厦超高层建筑c 5 03 3 7 5 4 0 1 3 5 0 01 9 9 4 0 5 苏通长江公路大桥斜拉桥 c 3 05 0 0 01 2 06 0 0 0 02 0 0 5 6 第一章绪论 表1 2苏通大桥索塔高扬程混凝土泵送施工与国内同类结构对比 项目名称结构型式混凝土强度等级泵送高度( m ) 施工时间 天津电视塔高塔 c 5 02 8 6 01 9 9 0 0 7 上海南浦大桥斜拉桥 c 4 01 5 4 01 9 9 1 1 1 上海杨浦大桥斜拉桥 c 5 02 0 8 01 9 9 8 0 4 上海东方明珠电视塔高塔 c 6 03 5 0 01 9 9 9 0 3 武汉长江二桥悬索桥c 5 01 9 2 01 9 9 3 0 6 江阴长江公路大桥 斜拉桥c 5 01 8 5 01 9 9 5 0 2 浦东国际国际金融大厦超高层建筑 c 4 02 3 8 01 9 9 5 0 7 深圳赛格广场超高层建筑 c 5 03 0 0 81 9 9 6 1 0 广州大都会广场超高层建筑 c 5 01 9 8 81 9 9 8 0 6 鹅公岩长江大桥悬索桥 c 5 01 6 0 o2 0 0 1 0 4 润扬长江公路大桥悬索桥 c 5 02 1 5 02 0 0 3 苏通长江公路大桥斜拉桥c 5 03 0 6 02 0 0 7 可见虽然在不少特大型混凝土结构中，不少科研工作者已对高性能混凝土 的应用进行了初步的研究，但总的来说都尚处于初步探索阶段，且年代相对较 早，所取得的成果既不系统也缺少充分的说服力。相比之下，苏通大桥超大的 建设规模与结构尺寸都注定了对混凝土的工作性能与耐久性能两个方面提出了 更高的挑战。以往的特大型结构混凝土的应用经验对本次研究可提供一定的支 撑，但就高性能混凝土原材料选择与配合比设计方面更多的依靠全新的理论指 导下，进行全面深入的研究。 综上所述，苏通大桥高性能混凝土能否真正实现各项工作性能与耐久性能 的要求，能否科学有效的应用于施工现场，满足其1 0 0 年设计寿命，必须对其 原材料的选择与配合比的设计进行系统而全面的深入研究，并将成果及时的应 用与实际工程，使之能得到不断的得以检验、改进和提升。此项研究既等保证 苏通大桥结构混凝土的一流质量，同时努力能为今后重大桥梁工程有所指导， 具有重大的社会意义和工程价值。 1 3 本文所作工作及技术路线 为了满足苏通大桥各特大型结构工作性能、耐久性能的需求，实现高性能混 凝土的科学应用，本文将重点进行以下3 方面的工作： 1 、苏通大桥高性能混凝土原材料优选研究 在大量国内外调查研究的基础上，对制备高性能混凝土的原材料进行优选和 7 第一章绪论 优化，建立原材料控制指南，优选和有效利用优质矿物掺合料( i 级粉煤灰、磨 细矿粉、粉煤灰与磨细矿粉按适当比例复合) ，充分发挥掺合料不同程度的形态 效应、火山灰效应、微集料效应，发挥其粒径叠加与化学成分互补效应，优化与 改善混凝土的组成与结构，充分利用优质混凝土外加剂，改善水泥水化放热曲线， 减小混凝土早期变形，提高其自身抗裂能力，选用新型混凝土外加剂解决混凝土 表层色差问题。 2 、苏通大桥高性能混凝土制备技术与配合比设计方法研究 在满足苏通大桥专用不同强度等级的高性能混凝土的物理、力学和耐久性能 的要求下，制各出分别适应不同主体部位，特别是3 0 6 m 超高索塔、2 6 8 m 超长 刚构梁、4 2 2 7 1 m 3 超大体积承台、复杂受力状态下各类桥墩等特殊性能要求的高 性能结构混凝土材料，提出制备方法与技术，重点攻关墩身色差与微裂纹问题。 提出以耐久性为目标，充分考虑工作性、强度和抗裂性要求的高性能结构混凝土 配合比设计方法，把重大桥梁用高性能混凝土新材料上升到一个新水平。 3 、苏通大桥高性能混凝土现场应用与成果提升 及时将科研成果进行转化，进行现场技术服务、质量控制和跟踪、技术数据 的收集和分析，转化科研成果。 本文的技术路线如图1 2 所示： 第一章绪论 图1 - 2 技术路线图 9 第二章苏通大桥高性能混凝士优选研究 第二章苏通大桥高性能混凝土原材料优选研究 没有优质的原材料就无法制备出优质的混凝土，优质的原材料是制备h p c 的基础，是优化h p c 配合比设计的前提，是高性能混凝土良好的施工工作性、 物理力学性能和耐久性的保证。为保证混凝土的耐久性，必须掺加一定的优质活 性掺合料和外加剂，高效减水剂和优质活性掺合料已经成为h p c 不可缺少的组 份。针对苏通大桥超高索塔( 3 0 6 m ) c 5 0 混凝土、超大体积承台( 4 2 2 7 1 m 3 ) c 3 5 混凝土、大型箱梁( 3 0 、5 0 、7 5 m ) c 5 0 混凝土，大型连续刚构梁( 2 6 8m ) c 6 0 混凝土等不同强度等级结构混凝土的各自特点，配制出强度满足要求、流动性大、 坍落度损失小、可泵性好，水化热小、抗裂和耐久性好的高性能混凝土，应特别 重视研究混凝土原材料的优选和质量控制。 因此，本章中作者首先依据国内外各类原材料试验、评价等相关规范进行广 泛调研研究，并结合各项最新研究成果和苏通大桥具体环境需求与结构特点，提 出满足苏通大桥高性能混凝土各项工作性能与耐久性能的原材料指标要求、控制 方法和优选原则，并在此基础上，针对苏通大桥可能使用的各类混凝土原材料进 行深入的分析研究，为苏通大桥高性能结构混凝土的应用提供优质的原材料。 2 1 高性能结构混凝土原材料的质量标准 2 1 1 水泥 水泥取样方法参照标准g b1 2 5 7 3 1 9 9 0 水泥取样方法，试验方法分别参 照g b t1 3 4 5 9 1 水泥细度检验方法，g b t1 3 4 6 2 0 0 1 水泥标准稠度用水量、 凝结时间、安定性检验方法，g b t1 7 6 7 1 1 9 9 9 水泥胶砂强度检验方法( i s o ) 法。其技术要求如表2 1 和表2 2 ，数据引自g b1 7 5 1 9 9 9 ，g b1 2 9 5 8 1 9 9 9 ， g b1 3 4 4 】9 9 9 。 1 0 第二章苏通大桥高性能混凝土优选研究 表2 1 水泥的主要物理性能技术指标 水泥性能 序号项目指标 p ip p op s 1 不溶物，牛 0 7 51 5 0| 2 烧失量，丰 3 03 55 ol 3 氧化镁，净 5 o 4 三氧化硫，牛 3 54 04 o 比表面积，m 2 k g ， 3 0 0|l 5 细度 8 0 u m 方孔筛筛余，丰 l1 0 o1 0 0 凝结时初凝，m i n ，不早于4 5 6 间终凝，h ，不迟于6 5 6 51 01 0 7安定性沸煮法检验合格 8 碱含量( 以n a 2 0 + 0 6 5 8 k 2 0 计) ， 低碱水泥不大于0 6 0 表2 2 水泥的主要力学性能技术指标 水泥( 抗折抗压) 强度( m p a ) ，不低于 强度 p i 和p p op s 等级 3 d2 8 d3 d2 8 d3 d2 8 d 3 2 52 5 1 1 o2 5 l o o |5 5 3 2 55 5 3 2 5 3 2 5 r3 5 1 6 03 5 1 5 0 4 2 53 5 1 7 03 5 1 6 o3 5 1 5 0 6 5 4 2 56 5 4 2 56 5 4 2 5 4 2 5 r 4 o 2 2 。0 4 0 2 1 04 o 1 9 0 5 2 54 0 2 3 04 o 2 2 o 4 0 2 1 o 7 o 5 2 57 0 5 2 57 0 5 2 5 5 2 5 r5 0 2 7 o5 o 2 6 04 5 2 3 0 6 2 55 o 2 8 0 8 0 6 2 5|i| 6 2 5 r5 5 3 2 0 2 1 2 掺合料 矿物掺合料的技术条件应符合国家标准高强高性能混凝土用矿物外加剂 ( g b t1 8 7 3 6 - 2 0 0 2 ) 的规定。 粉煤灰取样和试验方法应分别依据g b1 5 9 6 9 1 用于水泥和混凝土中的粉 第二章苏通大桥高性能混凝土优选研究 煤灰，g b t1 7 6 1 9 9 6 水泥化学分析方法。其主要技术要求如下表3 ，数据引 自g b1 5 9 6 9 1 。 表2 3 粉煤灰的主要技术要求 指标 序号项目指标 ii ii i i 1 细度( 0 0 4 5l am 方孔筛筛余) ，丰 1 2 2 0 4 5 2 需水量比，丰 9 51 0 51 1 5 3 烧失量，丰 581 5 4 含水量，丰 11 不规定 5三氧化硫，丰 3 3 3 6 氯离子，牛o 0 2 矿渣取样方法参照标准g b1 2 5 7 3 1 9 9 0 水泥取样方法，试验方法应分别 依据g b t2 0 3 1 9 9 4 用于水泥中的粒化高炉矿渣，g b t1 8 0 4 6 2 0 0 0 用于水 泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉，其主要技术要求如下表2 - 4 ，数据引自g b t 18 0 4 6 2 0 0 0 。 表2 _ 4 矿渣微粉的主要技术指标 指标 序号项目指标 s 1 0 5$ 9 5$ 7 5 1 密度，c m ? ，术 2 8 2 比表面积，m g ，术 3 5 0 7 d9 57 55 5 3 活性指数，术 2 8 d1 0 59 57 5 4 流动度比，术 8 59 09 5 5 含水量，牛 1 0 6 三氧化硫，净 4 0 7 氯离子，丰 0 0 2 8 烧失量，牛 3 o 2 1 3 砂 砂的取样和试验方法可依据j t j 0 5 8 2 0 0 0 公路工程集料试验规程和g b t 1 2 第二章苏通大桥高性能混凝土优选研究 1 4 6 8 4 2 0 0 1 建筑用砂。砂颗粒级配应满足i 区或i i 区或i 区的级配要求。砂 按细度模数可分为粗、中、细砂三种规格，其细度模数分别为：粗砂：3 7 - 3 1 ， 中砂：3 0 - 2 3 ，细砂：2 2 1 6 。按技术要求可分为i 类、类、i 类，其中1 类宜用于强度等级大于c 6 0 的混凝土，类宜用于强度等级c 3 0 - - c 6 0 及抗冻、 抗渗或其他要求的混凝土，i i i 类宜用于强度等级小于c 3 0 的混凝土和建筑砂浆。 其主要技术指标如表5 ，数据引自g b f r1 4 6 8 4 2 0 0 1 ，主要技术指标应同时满足 j t j 0 4 1 2 0 0 0 公路桥涵施工技术规范的要求，如表2 5 。 表2 5 砂的主要技术要求( g b 厂r1 4 6 8 4 2 0 0 1 ) 指标 序号 项目 ii i i l 含泥量( 按质量计) ， 1 o3 o5 o 2 泥块含量( 按质量计) ， 01 o2 o 云母( 按质量计) ， 1 o2 o2 o 有害轻物质( 按质量计) ， 1 0 3物质 有机物( e l 色法) 合格 含量 硫化物和硫酸盐( 按s 0 3 质量计) ， o 5 氯化物( 以c l 质量计) ， 1 3 5 0 7 空隙率， 4 7 8碱集料反应， c 3 0 混凝土 c 3 0 混凝土 l 含泥量( 按质量计) ， 3 o5 0 2 其中泥块含量( 按质量计) ， 1 02 o 3 云母含量( 按质量计) ， 2 0 4 轻物质( 按质量计) ， 1 0 5 硫化物和硫酸盐( 按s 0 3 质量计) ， 1 0 6 有机物( 比色法) 颜色应不深于标准色 7 坚同性的重量损失， 8 类宜用于强度等级c 3 0 c 6 0 及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土，i i i 类宜 用于强度等级小于c 3 0 的混凝土。其主要技术指标如表2 7 ，数据引自g b t 1 4 6 8 5 2 0 0 1 ，主要技术指标应同时满足j t j 0 4 1 2 0 0 0 公路桥涵施工技术规范 的要求，如表2 8 。 1 4 第二章苏通大桥高性能混凝土优选研究 表2 7 碎石的主要技术要求 指标 序号 项目 ii i i l 含泥量( 按质量计) ， 0 51 o 1 5 2 泥块含量( 按质量计) ， o0 50 7 有害物质有机