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[原创] 【理念】桥梁工程混凝土新技术及展望 [复制链接]

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yaqin 发表于 2018-1-22 10:28:24 |显示全部楼层 |          |
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桥梁工程是连接空间、区域的重要纽带,是交通基础建设中的控制性节点工程。在国家“海洋强国”和“交通强国”战略及“一带一路”倡议的大背景下,桥梁工程已成为我国经济发展的迫切需要。近20年来,我国桥梁工程建设取得了举世瞩目的成就,在设计、施工、防灾、管理维护与材料等技术领域实现了重大突破。就已建桥梁工程而言,以苏通大桥、武汉天兴洲长江大桥、南京大胜关长江大桥、山东胶州湾大桥、马鞍山长江大桥为代表,以其独有的桥梁设计、建造、科研等成就,获得了世界范围的高度认可。就在建工程而言,港珠澳大桥等世界级工程吸引了全球桥梁工程界的关注,彰显了桥梁建设的中国实力。但是,近年来桥梁工程面临不确定性因素多、服役环境复杂严酷、施工难度大等难题,对未来我国桥梁工程建设提出了新挑战。

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混凝土是现代桥梁工程的重要建筑材料。在桥梁工程建设中,混凝土广泛应用于桥梁索塔、梁体、墩身与承台等结构部位。随着我国桥梁结构朝着超长、大跨、深水等方向发展,桥梁工程亟需面向工程需求的混凝土新技术。首先,桥梁索塔及超高索塔的混凝土泵送,梁体、墩身与承台的施工,均要求混凝土工作性能须具备大流动性、高流动性保持与低粘度的技术特征,避免工作性能不足导致的桥梁施工进度与质量问题。其次,现代桥梁结构中混凝土开裂现象普遍。锚固区和索塔根部因应力集中易导致开裂;承台与墩柱等大体积结构,截面尺寸大导致混凝土水化温升开裂风险高;箱梁、T梁、组合梁等薄壁结构具有较大的表体比,因施工后养护难、水分散失快,导致较大的干燥收缩开裂风险。再次,未来桥梁工程混凝土结构设计寿命更长(120年以上)、服役环境日趋复杂严酷(荷载作用、氯盐侵入、钢筋锈蚀、冻融破坏、化学腐蚀等)、施工环境更恶劣(大风、海浪、深水、高温等)、施工质量控制难度大(优质砂石骨料缺乏、矿物外加剂品质不稳定等),因此未来桥梁工程钢筋混凝土因耐久性失效破坏的风险更高。 最后,现阶段组合梁结构所采用传统混凝土存在自重偏大,抗拉强度低、应变小等缺陷,导致负弯矩区混凝土破坏现象频发,已成为大型桥梁建造的世界性难题。

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综上所述,围绕桥梁工程发展需求,研究混凝土性能调控新技术是实现我国桥梁强国的必由之路。本文聚焦桥梁工程对混凝土性能的要求,从工作性、抗裂性、耐久性与超高性能化四个方面,阐述混凝土性能调控新技术及发展方向。

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工作性调控技术


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工作性是保证桥梁工程混凝土施工质量的关键。桥梁工程混凝土跨度较大,从索塔、梁体、墩身到承台等施工环境各不相同。工期较长,温度、环境差异较大,混凝土从生产到施工需要经过较长等待时间,因此要求混凝土具有优异的流动性和高流动性保持能力、良好的和易性、低泵送阻力。此外,桥梁混凝土配合比具有胶材用量低、矿物掺和料用量高、水胶比低,部分地区大量使用机制砂的特点,因而造成了新拌混凝土初始分散慢、流动性长时间保持难、泵送阻力大等共性技术难题。针对上述工作性问题,近年来新发展的高性能减水剂技术提供了有效的解决方案。


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(a) 聚羧酸减水剂快速分散作用机制(b)不同链刚性的聚羧酸净浆流动度变化

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图1 刚性官能团改性聚羧酸减水剂实现混凝土快速分散

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备注:1min和4min为净浆搅拌机搅拌时间,30min为净浆搅拌完毕放置30min的流动度,从PCE01到PCE04刚性逐渐增加

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引入刚性官能团改性的聚羧酸减水剂是实现混凝土快速分散的发展方向。传统聚羧酸减水剂为针对硅酸盐水泥设计,与矿物掺和料的适应性不佳,吸附弱、分散慢造成混凝土初始分散难。最新研究发现,在减水剂聚合物主链中引入刚性官能团,抑制聚合物在水泥基材料强碱高盐溶液环境中的主链构象收缩,可以增加“裸露”吸附基团数量,提高吸附速度(图1),使减水剂分子达到吸附平衡的时间缩短,提高短期分散能力。在大掺量矿物掺和料存在条件下,具有上述刚性官能团的减水剂可以显著缩短混凝土拌和时间。

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图2 缓释型减水剂作用机制

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(a)流动度随时间变化(b) 吸附量随时间变化


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图3 缓释型聚羧酸减水剂对净浆工作性保持的影响


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缓释型聚羧酸减水剂是解决混凝土流动性损失的关键技术。一方面,混凝土流动性损失的原因在于水泥水化所引起的自由水消耗及水化产物的网络交接作用。另一方面,在减水剂存在的条件下,聚羧酸减水剂分子早期吸附过快、水化包埋和碱环境下的降解,会造成减水剂分子失效,引起更加显著的流动性损失。就改善混凝土流动性损失而言,传统技术主要通过复配缓凝剂与提高减水剂用量实现流动性损失的调控。前者可延缓胶凝材料水化,从而降低流动性损失作用,但该技术不利于混凝土强度发展;后者增加了混凝土初始泌水量以保证工作性损失后的良好工作性,但混凝土和易性变差、保坍时间有限,易造成新拌混凝土分层离析。理论上,长时间保持混凝土良好工作性的关键在于,维持施工全过程中胶凝材料表面的有效聚羧酸减水剂分子吸附量。因此,向聚合物主链引入缓释型官能团制备缓释型聚羧酸减水剂,在混凝土制备、施工全过程中通过水解释放新的吸附基团,调节缓释官能团的释放速度与比例可以有效调节吸附过程(图2与图3),实现混凝土流动性长时间保持。目前,该技术已应用于桥梁工程,有效满足了苏通大桥超高索塔和大体积承台混凝土的施工需求,实现了300m超高索塔C50混凝土的超高程泵送施工。


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(a)混凝土拌合物粘度的影响机制(b) 降粘型减水剂同流动度砂浆剪切粘度

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图4 缓释型聚羧酸减水剂对净浆工作性保持的影响


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基于混凝土降粘技术实现桥梁工程混凝土的高效施工。桥梁工程混凝土的低水胶比、低胶凝材料用量以及特定地区使用机制砂的特点,增大了新拌混凝土粘度,最终导致泵送困难。研究结果表明,混凝土粘度由富余浆体厚度(填满所有絮凝结构孔隙之外的自由浆体)和连续相的粘度决定。基于上述研究结果,一方面通过引入无机纳微米颗粒,提高水泥浆体堆积密实度释放自由水;另一方面,引入具有支化侧链的聚羧酸减水剂,借助其溶液粘度较低、吸附后空间位阻大的特性,实现水泥浆体中更多自由水的释放,从而增加富余浆体体积,显著降低混凝土粘度(图4)。目前,该技术已成功应用于杭州湾跨海大桥70m大型箱梁(2200吨),有效降低了混凝土粘度。


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裂缝控制技术

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桥梁工程中大体积、变截面、大体表比等结构部位开裂风险较高。此外,高强混凝土使得温度收缩和自收缩问题变得突出,加剧了桥梁工程混凝土的早期收缩开裂。针对桥梁混凝土开裂,一般从提高抗力和降低收缩两个方面进行调控。在提升抗力方面,目前主要基于纤维技术提升基体韧性,采取钢纤维等增韧技术在索塔锚固区(如苏通大桥)得到应用。尽管如此,从水化产物C-S-H的微结构优化提升混凝土韧性,仍是未来需要突破的技术难题。

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混凝土材料收缩大体可以分为以下三个阶段:塑性阶段收缩、硬化阶段自收缩和温度收缩、后期的干燥收缩。在塑性阶段,桥梁混凝土常采取分层或分节施工,混凝土泌水率小于表面水蒸发率时,则会发生塑性裂缝。由于该阶段混凝土尚未硬化、且表面往往埋设钢筋,传统覆盖、蓄水等措施难以养护。近年来,水分蒸发抑制新技术得到越来越多的应用,该技术通过在混凝土表面泌水层上形成稳定单分子膜,可减少塑性阶段水分蒸发75%,且不会影响表面性能,在西北地区高速铁路、干热河谷地区水电等重点工程中得到应用。


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在硬化阶段温度收缩控制方面,目前主要通过原材料优选、配合比优化、保温等措施降低混凝土放热总量、温升及内外温差。我国的胶州湾大桥、杭州湾大桥、港珠澳大桥等,大体积混凝土承台,矿物掺和料用量在55%-65%范围内,而嘉绍大桥的矿物掺和料掺量则达到了70%以上。大掺量掺和料技术可以在一定程度上解决中低强度大体积混凝土温控问题,但现代水泥细度大、水泥水化速率快,随着强度等级提高,快速集中放热现象变得尤为突出,导致冷却水管等措施降温效果有限。近年来,通过新型外加剂降低混凝土温升的技术,已得到学术界和工程界越来越多的关注。如图5所示的水化热调控材料(TRI),掺入混凝土后,与传统缓凝剂主要影响凝结时间不同,其在不改变放热总量的条件下,通过降低水泥的早期水化速率,降低加速期水化放热速率,实现混凝土阶段性的水化热量调控。通过一定散热条件(如冷却水管等),降低混凝土结构温升4℃以上。此外,国际上已出现同类技术,挪威学者还提出了传统的缓凝剂与早强材料复合降低放热速率的技术;美国则提出了“Cool-Crete”技术。未来,水化热调控技术可以和冷却水管等技术进行有效协同。


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图5 水化热调控材料作用效果


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在硬化阶段自收缩方面,内养护技术和补偿收缩技术应用范围最广。目前基于轻集料的内养护技术在多个桥梁中得到应用,主要是基于减少混凝土桥梁自重考虑。如挪威Stolma大桥C60轻集料混凝土、天津永定新河大桥引桥所用的C40轻集料混凝土等工程。和轻集料相比,由Jensen等提出的高吸水树脂内养护技术,具有吸水性能可控、对混凝土的力学性能影响较小等优点。补偿收缩混凝土仍是目前抑制自收缩最有效的技术途径,利用特制的CaO类膨胀组分实现早期膨胀,利用高活性MgO类膨胀组分实现中期膨胀,利用低活性MgO膨胀组分实现后期膨胀。通过采用不同活性膨胀组分多元复合,实现硬化混凝土分阶段、全过程的利用膨胀收缩抑制。补偿收缩技术可实现混凝土无自收缩,有效解决钢管混凝土钢桥、钢-混凝土组合索塔结构混凝土(如在建的红水河特大桥、南京长江五桥等)由于收缩而导致的脱粘、脱空问题。


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耐久性提升技术


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现有钢筋混凝土结构耐久性提升技术的目标,在于延缓混凝土中钢筋的锈蚀,延长结构中锈蚀孕育期,进而保障复杂严酷环境中结构的安全服役寿命。通常采取的技术和措施可分为混凝土抗介质侵蚀和提高钢筋耐腐蚀能力两个方面。

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在混凝土抗介质侵蚀方面,侵蚀性离子传输抑制、长效涂层防护是桥梁工程耐久性提升技术的发展方向。基于低水胶比与大掺量矿物外加剂的海工混凝土技术,是过去桥梁工程解决海洋环境中氯离子侵蚀的主要技术措施,具有很好的技术经济性。尽管如此,随着理论认识与实践经验的加深,低水胶比与大掺量矿物外加剂制备海工混凝土的技术问题凸显。首先,以低水胶比和矿粉、硅灰等矿物外加剂为代表的技术,显著增大了混凝土的自收缩,使得混凝土开裂风险加大。其次,大掺量矿物外加剂的使用明显加大了混凝土的碳化深度,特别当采用粉煤灰时尤为显著。最后,矿物外加剂品质的波动性及多元复合、大掺量的复杂性,使得混凝土的引气效率低、稳定性差。因此,考虑到长寿命要求、服役环境的复杂严酷,单纯采用海工混凝土技术已不能满足桥梁工程耐久性的未来发展需求。针对海工混凝土存在的上述问题,采用纳米材料表面修饰工艺形成的侵蚀性离子传输抑制技术,可以降低混凝土吸水率超过60%,氯离子渗透系数降低了45%(图6和图7),现阶段该技术已在广东虎门二桥的承台结构中得到应用。武汉理工大学的研究结果同样表明,该类技术可实现混凝土内部孔结构中有明显的堵孔晶体形成,并显著提升混凝土抗氯离子渗透性。就既有桥梁工程而言,涂层材料是快速、有效提升混凝土抗侵蚀性能的技术方案。近年来,喷涂聚脲类、氯化橡胶类、丙烯酸脂类、聚氨酯类、水泥基渗透结晶型和有机硅防水涂料等,正被广泛应用于我国诸多桥梁工程。众多工程实践经验表明,混凝土涂层的湿基面固化及界面粘结力、抗冲刷、耐老化性能等参数,直接决定了有机涂层在结构服役过程中的防护效果。相比于国外,我国在桥梁工程中混凝土有机涂层防护材料的开发与研究相对落后,研究的理论深度及技术成熟度均不够,涂层材料在严酷环境作用下的湿固化、老化问题及实际作用效果未得到有效解决,制约了新技术在实际工程中的应用。

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图6 C40混凝土7d龄期吸水率发展规律

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图7 侵蚀性离子传输抑制材料掺量与混凝土氯离子扩散系数关系

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有机分子阻锈技术是桥梁工程提高钢筋耐腐蚀能力的主流方向之一。环氧涂层钢筋的造价高于普通钢筋,但若能有效抑制钢筋的长期锈蚀,则按照桥梁工程全寿命周期计算的成本将大大降低。尽管如此,工程实践经验表明,现场环氧涂层钢筋的运输、搬运、绑扎,以及混凝土浇筑施工中难以完全防止环氧覆膜受到破坏,导致腐蚀环境中钢筋会在破坏处发生严重的局部腐蚀。与环氧涂层钢筋的作用原理不同,基于电化学原理的阴极保护技术,被认为是最为有效的防止钢筋锈蚀的措施之一,通常可分为外加电流和牺牲阳极两类阴极保护技术。该项技术在欧洲已经形成相应的应用标准和技术指南,然而研究表明,其可能诱发预应力钢筋的氢脆、钢筋与混凝土界面的结合强度降低以及在含碱活性集料的混凝土中诱发碱-集料反应等不良影响。同时,该项技术的安装和后期维护费用较高,也很大程度上制约了其广泛的研究和应用。同上述技术相比较,阻锈技术是防止或延缓桥梁工程中混凝土内钢筋腐蚀的有效途径。在避免了传统无机阻锈剂污染环境、用量不足时,有加速钢筋锈蚀的缺陷后,具有环境友好特征的有机分子阻锈技术在20世纪80年代开始发展,并逐渐成为研究的热点。


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图8 pH=9的氯盐环境下钢筋浸泡90天腐蚀外观

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有机分子阻锈技术可以分为掺入型和迁移型两类。掺入型阻锈剂适用于新建桥梁工程,该技术通过在钢筋表面形成具有多位点、强吸附的新型长效有机阻锈分子膜,完成对氯离子和氧气分子的有效隔离,抑制钢筋钝化膜溶解,实现钢筋阴极和阳极的两极保护,即使在pH=9的氯盐环境下钢筋浸泡90天仍然无锈蚀,阻锈效率超过96%(图8)。迁移型阻锈剂适用于既有桥梁工程,基于多吸附中心的有机阻锈小分子构效设计,通过毛细吸附、气相扩散等定向自迁移,取代吸附点蚀坑内的Cl-、H+、抑制钢筋点蚀发展,可实现已建桥梁工程中混凝土结构的无损防护与修复(图9)。目前,大量已经商品化的有机分子阻锈剂,已在桥梁工程及核电工程中得到了广泛应用且服役状态优良,包括崇启大桥、莫桑比克马普托跨海大桥、贵广高铁思贤窖特大桥和田湾核电等。

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图9 有机分子阻锈对钢筋表面腐蚀抑制

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超高性能化技术


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超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC),通常是指抗压强度大于150MPa、抗拉强度大于7MPa,并具有明显应变硬化行为的“超级混凝土”。UHPC具有高强、高韧的特性,可明显改善组合梁结构中混凝土和钢桥面之间的材性差异和协调变形能力。尽管如此,现阶段低水胶比和高胶凝材料用于制备UHPC的应用技术仍存在一些问题。首先,低水胶比和大掺量外加剂为代表的技术显著增大了UHPC的粘度,增加了搅拌、泵送和施工过程中的难度。其次,传统UHPC使用大量硅灰和磨细石英砂制备,往往采用热蒸养护措施,导致成本昂贵、能耗大。此外,低水胶比、高胶凝材料用量以及大掺量超细粉料,导致UHPC收缩大、易开裂,无粗集料UHPC的自收缩可达万分之十。

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图10 大减水和降粘的外加剂协同颗粒降粘

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针对UHPC粘度大的难题,主要的调控技术包括如下三个方面:提高胶凝材料用量;优化颗粒级配,提高颗粒间堆积密实度,使水膜层厚度最大化;优选减水剂,尽可能降低浆体中水溶液粘度。通过大减水和降粘的多功能外加剂以及颗粒降粘技术的开发(图10),可使极低水胶比浆体的粘度降低35%,实现UHPC自密实,从而解决UHPC流动性差、粘度大的难题。就传统制备工艺成本高的难题,研究表明,通过设计高、中、低热动力学活性配伍的矿物外加剂,不同矿物外加剂次递水化并相互促进,可实现混凝土早、中、后期强度持续稳定增长(图11)。高活性的复合矿物外加剂,可大掺量替代水泥,可摒弃大掺量硅灰和高能耗磨细石英粉,以及施压成型和热压养护制备UHPC的通用技术。在收缩大、易开裂方面,基于水化历程和膨胀历程协同调控技术,通过多元复合技术实现调控材料作用历程与收缩历程相匹配,可实现UHPC分阶段全过程收缩抑制,能够很好的解决UHPC收缩大技术难题,使其全过程收缩控制在300微应变以内。基于上述调控技术制备的UHPC有望在南京长江第五大桥、上海松浦等大桥得到应用和实践。


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图11 复合矿物外加剂协同作用

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(1)围绕混凝土初始分散小、工作性保持难和拌和物粘度高的难题,重点开展桥梁工程混凝土专用功能型聚羧酸减水剂的分子构效及调控技术研究,大力推进功能型聚羧酸减水剂及关键技术在桥梁工程的示范应用;


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(2)针对桥梁工程混凝土的塑性收缩、温度收缩和自收缩特征,应大力发展裂缝控制新技术,重点解决高强混凝土早期温湿度耦合作用下的收缩所引起的开裂难题(如新老混凝土交界区域处、变截面区域等);

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(3)针对桥梁工程设计服役寿命长、施工条件复杂与暴露环境严酷的关键问题,深入开展混凝土表层长效防护-基高体抗侵蚀-钢筋高效阻锈的理论与应用研究,形成适于桥梁工程混凝土的耐久性提升技术体系。

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(4)结合现代桥梁工程组合梁结构的快速发展,积极推动传统混凝土向超高性能化方向发展,重点开展常规材料、常规工艺、常温养护条件超高性能混凝土在桥梁工程的关键应用技术研究。

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