高強輕骨料混凝土在橋梁工程應用中的一些問題

摘 要：本文討論了高強輕骨料混凝土在橋梁工程中應用時人們關心的一些問題，如收縮和徐變、耐久性、泵送性、經濟性等，指出這種材料特別適合于在軟土地基和高抗震設防烈度區(qū)修建大跨橋梁以及維修與加固舊橋，其技術經濟效益明顯。

關鍵詞：高強輕骨料混凝土；橋梁工程；收縮；徐變；耐久性；泵送；經濟性

人造輕骨料混凝土已有近百年的應用歷史，并因其獨具的性能優(yōu)勢而在土木工程建設中占有越來越重要的地位。橋梁工程方面接受高強輕骨料混凝土方面比房屋建筑要慢一些，但是高強輕骨料混凝土在國內外橋梁工程依舊得到了廣泛的應用。輕骨料混凝土在國外已經用于上千座橋梁[1、2]，在國內也已用于將近40座橋梁[3]。

雖然高強輕骨料混凝土在橋梁工程方面已經取得一定的市場份額，但還僅僅是很小的一部分，而且在不同的國家，高強輕骨料混凝土的應用情況相差很大。這主要是由于橋梁工程師對這種新材料缺乏了解。高強輕骨料混凝土在橋梁工程應用中存在的一般是出于橋梁工程師對該種材料性能及其使用的熟悉程度。本文討論了高強輕骨料混凝土在橋梁工程中應用時人們關心的一些問題，如彈性模量、收縮和徐變、耐久性、泵送性、經濟性等，希望促進這一技術經濟效益優(yōu)越的材料在橋梁工程中的應用。

一． 收縮和徐變

在橋梁結構中一般都采用預應力，高強輕骨料混凝土的收縮徐變是工程師最關心的一個問題。收縮和徐變會造成預應力損失，如果對收縮和徐變值計算不準，將會對橋梁結構產生比較大的影響。

高強輕骨料混凝土的收縮徐變值通常比普通混凝土高。首先由于其彈性模量比同等級普通混凝土的低。根據Smeplass的研究，水灰比在0.32~0.43的CL60~CL90的高強輕骨料混凝土的彈性模量比同強度普通混凝土的低20~30%[4]。

高強輕骨料混凝土的收縮徐變值通常比普通混凝土高。在早期輕骨料混凝土的收縮比普通混凝土的小。徐變值通常但不總是比等強度普通混凝土的大。徐變隨混凝土強度增加而降低。由于低彈性模量產生較大的彈性應變，輕骨料混凝土在荷載下的總變形比普通混凝土的大[5]。

國內外規(guī)范對收縮徐變的規(guī)定仍然基于普通強度輕骨料混凝土的實驗結果。例如，ACI 213R-87對輕骨料混凝土收縮的取值建議只覆蓋到最高圓柱體強度為45.5MPa的輕骨料混凝土，而且其建議取值范圍很寬[6]，且這些建議基本上是基于1957年Shideler所做的一份綜合性研究結果[7]。

國內外規(guī)范對收縮徐變終值或計算公式的意見不一致，美國預應力混凝土學會1992年版的設計手冊則建議輕骨料混凝土的收縮取值與普通混凝土相同[8]。挪威標準NS3473和2001年發(fā)布的最新歐洲混凝土結構設計規(guī)范[9]中對干表觀密度大于1800 kg/m3的輕骨料混凝土徐變系數的取值為普通混凝土數值乘以系數(ρ/2400)2；對干表觀密度小于1500 kg/m3的輕骨料混凝土徐變系數的取值為普通混凝土數值乘以系數1.3×(ρ/2400)2。

我國《輕骨料混凝土技術規(guī)程》2001年修訂稿中關于收縮徐變及其影響因素的影響系數的取值仍然基于80年代所做的CL20~CL30混凝土試驗結果，仍然采用了《輕骨料混凝土技術規(guī)程》JGJ51-90 規(guī)定的收縮和徐變值。但是我國CL40級高強輕骨料混凝土一年后實測的徐變系數為1.0～1.5[10]，而根據《輕骨料混凝土技術規(guī)程》JGJ51-90給出的強度等級CL20~CL30的公式計算出的徐變系數為2.083，實測值與規(guī)程給出的計算值相差比較大；CL40級高強輕骨料混凝土1年后的收縮值為0.462~0.668mm/m[10]，規(guī)程給出的為0.705mm/m，相差也比較大。

根據CEB/FIB(1977)文獻數據的調查，相同強度的輕骨料混凝土和普通混凝土的徐變具有相同的規(guī)律，最終輕骨料混凝土的徐變度是6.5-9.0×10-5/MPa。不同研究者得到的輕骨料混凝土的徐變度減小到5.5~7.5×10-5/MPa，這低于普通強度混凝土的典型值[11]。

美國預應力混凝土協會設計手冊進行輕骨料混凝土和普通混凝土對比后建議了一個更高的徐變值和相等的收縮值。它推薦使用輕骨料混凝土預應力損失范圍207-379MPa，普通混凝土的損失范圍172-345MPa[8]。

高強輕骨料混凝土在橋梁工程得到了廣泛應用，但也有少數橋梁因為收縮和徐變出現過問題。美國1978年完工的、當時美國采用輕骨料混凝土建造的凈跨最長的分塊拼裝法混凝土箱形梁橋Parrotts渡橋。該橋在使用12年后，195m的主跨中間下垂了約635mm[12]。林同炎國際公司受托診斷的結果表明，實測的徐變比按照PCI或者ACI 209[13]公式的計算值大30%。其原因主要有三方面：一是在設計和施工中采用了密封條件下測得的混凝土收縮和徐變值，而在使用中橋的箱形梁暴露在在天然條件下，這兩者具有不同的收縮和徐變值；二是PCI和ACI 209的計算模型誤差偏大；三是開裂加重了徐變。

歐洲最近關于輕骨料混凝土的一個綜合研究項目EuroLightCon的綜述報告[14]指出了研究長期收縮徐變行為的必要性：由于輕骨料孔結構不同、預濕程度不同，輕骨料的“蓄水池”作用也不同，從而影響收縮和徐變隨時間的發(fā)展，而造成收縮和徐變預測上的困難。因此對高強輕骨料混凝土的收縮徐變除進行必要的實驗外，根據收縮和徐變實驗結果建立預測模型，比較產生的預應力損失與普通混凝土的差異，建立計算方法，從而為工程應用提供可靠的依據。

二． 耐久性

工程師擔心的另一個問題就是高強輕骨料混凝土的耐久性。高強輕骨料混凝土的耐久性與下面幾個因素有關：滲透性、鋼筋銹蝕、凍融性、耐磨性以及堿骨料反應等。

1. 滲透性

高強輕骨料混凝土在高強輕骨料表面覆蓋非常密實的水泥漿，這層水泥漿提高抗?jié)B透的能力[15]。由于高強輕骨料混凝土中骨料的彈性模量和周圍水泥漿基本相同，不會造成應力集中，應力分布均勻，減少了內部裂縫，提高了抗?jié)B透的能力

2. 鋼筋銹蝕

高強輕骨料混凝土的氯化物的滲透深度與普通混凝土沒有不同。高強輕骨料混凝土的氯離子的抵抗性比具有相同強度的普通混凝土高[16]，能有效地減少鋼筋銹蝕，增加耐久性。

3. 凍融性

和普通混凝土一樣，輕骨料混凝土的抗凍融破壞性是由于引入的氣體及低水灰比所決定的。由于輕骨料混凝土骨料內部孔隙較大且多數不相互連接，因此輕混凝土具有較好的凍融耐久性。挪威關于高強輕骨料混凝土和普通混凝土的抗凍抵抗性的調查表明，在即使沒有引氣的情況下，高強輕骨料混凝土有相同或者更高的抵抗能力[17]。

P.Klieger和J.A.Hanson報導的試驗結果表明，30Mpa引氣輕混凝土經300次水中凍融循環(huán)，9種試驗過的骨料有5種表現較高的耐久性，3種略低，1種顯著低于普通骨料(Elgin砂石)。含水量對這些混凝土凍融耐久性的影響極小。通常使用浸泡18～28h骨料會降低混凝土耐久性，但試驗過的19種混凝土有9種耐久性比空氣干燥骨料有略高的耐久性[18]。EL.Saxer教授在Toledo大學進行了一項試驗計劃，確定用8個膨脹頁巖骨料生產者的骨料配制的輕骨料混凝土凍融耐久性，其結果由膨脹頁巖、粘土及板巖協會報導[19]。它證實引氣結構輕混凝土在至少300次水中凍融循環(huán)后具有合乎要求的性能。拌合時(24h吸水后或24h吸水期2/3后)骨料含水量對混凝土耐久性無顯著影響。

清華大學郭玉順等進行的實驗表明，高強輕骨料混凝土具有良好的抗凍融性能,可抵御250～300次循環(huán),耐久性系數均在0.8以上。引氣高強輕骨料混凝土的抗凍融性能與同強度的引氣普通混凝土相同[20]。

4. 耐磨性

如果表層被破壞掉，高強輕骨料混凝土的耐磨性比普通混凝土差。雖然實驗室測得的純輕骨料混凝土摩擦的損失很大，但在普通的公路橋梁上高強輕骨料混凝土與普通混凝土具有相同的耐磨性能[21]。

5. 堿骨料反應

用膨脹粘土、頁巖等生產的高強輕骨料具有較低的堿骨料反應或者幾乎沒有反應。但是如果這些高強輕骨料和自然細骨料生產高強輕骨料混凝土，應該考慮其它組成的堿骨料反應。通常情況下，高強輕骨料混凝土具有較低的堿骨料反應。

6．工程調查結果

T.A.Holm等在一篇文章中報導了對經受嚴歷風化多年的幾個輕骨料混凝土土橋面和混凝土船進行的研究[22]。結果表明，僅發(fā)現了輕骨料混凝土很小破壞。ACI213委員會在報告中報導，高強結構輕輕骨料混凝土抗凍融性等于或高于普通混凝土[23]。

在美國“輕骨料混凝土橋梁設計標準(August 1985)”研究過程中，美國聯邦高速公路處根據30座橋梁的調查得出結論，與國家和工業(yè)標準相比，輕骨料混凝土具有與普通混凝土相同或者更好的耐久性[24]。

根據對使用了20年的日本某些橋梁的調查表明，結構輕骨料混凝土橋梁中裂縫減少，碳化、鹽的滲透減少，輕骨料混凝土提供了比普通混凝土更高的耐久性。針對海邊環(huán)境的許多使用超過80年的結構輕骨料古老結構的調查表明，驗證了在實驗室條件下得出的抗蝕性[24]。

通過實驗以及實際工程調查表明，現在還沒有跡象表明，高強輕骨料混凝土的耐久性與普通混凝土有什么差別。高強輕骨料混凝土的耐久性并不比普通混凝土差。

三． 泵送

高強輕骨料混凝土的工作性能是工程師擔心的另一個問題，尤其是高強輕骨料混凝土的泵送。但泵送高強輕骨料混凝土已經在橋梁工程以及其它工程方面有許多工程實例。世界上第二長的懸臂橋——挪威的Raftsund橋以及世界上第三長的懸臂橋——Rugsund采用CL60級的泵送高強輕骨料混凝土，但除此以外，歐洲的泵送高強輕骨料混凝土數量還很有限，多用于民用建筑。我國也有這方面的實例。蔡甸漢江大橋是京珠(北京—珠海)國道主干線和武漢市外環(huán)公路的重要橋梁，橋面鋪裝層采用的是CL40級的泵送高強輕骨料混凝土[25]。江蘇省南京國際展覽中心工程采用的泵送CL30級的輕骨料混凝土[26]。采用泵送高強輕骨料混凝土的工程實例相對較少，高強輕骨料混凝土的泵送性能應該進一步改善。

1. 泵送中遇到的問題

工程實踐證實，輕骨料密度越小，粒徑越大，則泵送越困難。一般認為輕骨料混凝土比普通混凝土泵送施工困難，對于輕骨料混凝土來說，由于輕骨料的特性使輕骨料在拌和、運輸過程中會吸收混凝土拌和物中的水分，使混凝土拌和物流動性能降低，在泵壓條件下，水分吸收還會增大，影響混凝土的泵送性能，易產生堵泵。輕骨料混凝土的泵送技術是輕骨料混凝土的進一步推廣應用的一個巨大障礙。

泵送高強輕骨料混凝土中存在的三個主要問題：

(1)工作性能降低，當泵送時,，部分水泥漿中的水在壓力作用下滲入輕骨料中，降低了混凝土的工作性能。

(2)當水分由水泥漿滲入輕骨料中，混凝土的體積將輕微降低。因此，泵送輕骨料混凝土具有可壓縮性和在泵壓下表現為塑性。

(3)當增加泵壓時,混凝土中的空氣被壓縮到輕骨料中，這也是泵送輕骨料混凝土具有可壓縮性的原因。然而,當泵壓降低和消逝后,存在于輕骨料孔中的被壓縮空氣又會將輕骨料孔中的水分擠出。如果這種情況發(fā)生在泵管中，會導致混凝土拌和物泌水并會堵塞泵。

2. 泵送的解決方法

目前國內外主要的研究思路是改善高強輕骨料的特性或利用各種混凝土添加劑，改善混凝土的泵送特性。當采用適當的原材料和合理的技術手段，輕骨料混凝土是完全可以滿足泵送要求，泵送前后對混凝土的強度基本沒有影響。

纖維的摻入增強了混凝土的抗裂性，提高了混凝土的抗裂縫能力。日本1999年9月完成的Mogobegawa橋的橋面板首次采用泵送鋼纖維輕骨料混凝土。

四． 經濟效益

使用高強輕骨料混凝土最重要也是最關系的一個問題就是經濟效益問題，即工程造價能否降低。大量實踐證明，對大跨橋梁和空間結構這些自重占總荷載比例較大的工程采用輕骨料混凝土可以比普通密度混凝土減輕20%以上的結構重量，減小基礎荷載，提高構件運輸、吊裝、施工效率，改善結構性能，其綜合經濟技術效益十分顯著，尤其對于軟土地基上的工程。

高強輕骨料和高強輕骨料混凝土單方造價比普通骨料或普通混凝土高。而且高強輕骨料還在其它方面增加費用，高強輕骨料的費用主要集中在兩個方面：首先，大多數情況下，強度較高的輕骨料混凝土，其造價較高主要由于骨料成本較高、預濕費用及水泥用量較多造成的；其次，對攪拌、澆灌和振搗方面需小心控制，需要額外的技術人員和監(jiān)督，這是提高成本的次要原因。但單價只是成本分析的一部分，要考慮整個工程的經濟效益才能做出正確選擇。高強輕骨料混凝土修建的橋梁與普通混凝土相比，具有顯著的經濟效益。

挪威修建的Rugsund橋，采用高強輕骨料混凝土替代普通混凝土設計之后，與普通混凝土相比價降低10%。美國修建的很多橋梁也都具有顯著的經濟效益。

英國陸續(xù)建造了許多采用輕骨料混凝土的橋梁，并對經濟性作了詳細的分析，采用輕骨料混凝土后，平均造價節(jié)約造價3％，某些情況下最高可以節(jié)約7％的造價[27]。

荷蘭對約15座輕骨料混凝土大跨度橋梁的計算表明，這些橋的總造價降低了5-10%[28]。

日本的Mogobegawa橋，與普通混凝土相比，由于橋的重量減少，鋼筋用量減少了6％，全部上部結構造價減少約4％。

我國第一座大規(guī)模使用高強輕骨料的橋梁——天津永定新河大橋總長約1.2km的南北引橋，采用高強輕骨料混凝土的等級為CL40，密度等級為1900，采用的是上海生產的高強陶粒。采用輕骨料混凝土取代普通混凝土后，工程造價降低10％左右[29]。

在橋梁加固拓寬中，由于高強輕骨料質輕高強和其它優(yōu)越的性能，可以在不改變下部基礎的條件下加固、增加車道，能夠降低費用。美國的Brooklyn橋緊急性路面翻修，就采用了高強輕骨料混凝土。北京盧溝橋、健翔橋由于舊橋改造需要，在不改變橋梁原有主要承重結構體系的情況下，為增加橋梁的承載力，擴大通行能力，就采用了高強輕骨料混凝土作為橋面板。

五． 結論和建議

高強輕骨料混凝土的收縮和徐變值比普通混凝土高，只要具有比較準確地實驗值就可以使用，不會對橋梁結構產生不利的影響。

高強輕骨料混凝土與普通混凝土的耐久性沒有什么不同，甚至具有更好的耐久性。

通過一定的措施可以改善高強輕骨料混凝土的工作性能，對橋梁施工不會產生很多不利的影響。

高強輕骨料單方費用往往比普通骨料高，如果考慮到橋梁其他部分因輕骨料混凝土造價地節(jié)約。高強輕骨料混凝土在經濟效益方面與普通混凝土相比具有很高的競爭力，這已經在工程實踐表明。

高強輕骨料混凝土在橋梁工程中有很好的發(fā)展前景，尤其在多震地區(qū)，高強輕骨料混凝土具有很高的性能優(yōu)勢。高強輕骨料混凝土應用技術是現代高強高性能混凝土技術領域中一個新的研究方向，它的出現勢必帶來橋梁材料方面一場新的革命。

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