在海洋工程中應(yīng)大力推廣高性能混凝土

在沿海及河流入?？诮ㄔ斓拇笮徒ㄖこ?。包括港口、跨海大橋等由于受海水侵蝕導(dǎo)致鋼筋銹蝕。混凝土膨脹開裂。維護(hù)改造費用昂貴。使用壽命受到嚴(yán)重影響。

上個世紀(jì)60年代發(fā)達(dá)國家開始探索提高混凝土耐久性的新途徑。至80年代形成了高性能混凝土的概念。90年代高性能混凝土技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展并得到了廣泛應(yīng)用。我國引進(jìn)和開展這方面研究的時間不長。 “九五”期間交通部組織開展國家重點科技項目“深水樞紐港建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)”研究。將“港口水工建筑物耐久性研究”列為子課題。以防治氯鹽侵蝕為主研究提高港工建筑物耐久性和使用壽命的成套應(yīng)用技術(shù)。在此期間交通部還組織編制了《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》。提出把高性能混凝土作為提高新建海港工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的首選措施。在此基礎(chǔ)上。2000 年中國港灣建設(shè) 總公司技術(shù)中心組織集團所屬科研院所根據(jù)各自特點分工協(xié)作。投入大量人力物力財力開展了抗氯鹽污染高性能混凝土配制成套技術(shù)及耐久性壽命預(yù)測的課題研究。通過2年多的努力實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。目前該成果已經(jīng)和正在國內(nèi)外的多項港口工程和跨海大橋工程中應(yīng)用。

高性能混凝土與普通混凝土的區(qū)別在于其將高工作性、高強度、高耐久性集于一身。雖然強度與耐久性有一定的相關(guān)性。但它又區(qū)別于高強混凝土。其特點在于不追求過高的強度而把耐久性特別是高抗氯離子滲透性能放在首位。從根本上提高了混凝土本身的護(hù)筋性能。

高性能混凝土是通過以下途徑達(dá)到上述要求的：使用礦物摻合料替代部分水泥作膠凝材料。如硅粉、磨細(xì)礦渣粉、優(yōu)質(zhì)粉煤灰。可以單摻。也可以兩組份或三組份共摻。膠凝材料用量要適當(dāng)富裕一些。限定最少用量。這些活性礦物成份顆粒微小。最細(xì)的硅粉其粒徑僅為水泥粒徑的1/100。磨細(xì)礦渣粉和粉煤灰的粒徑也比水泥為小。在拌制的混凝土中發(fā)揮填充效應(yīng)和火山灰反應(yīng)使混凝土變得更加致密。從而降低混凝土的滲透性;摻與所用水泥相匹配的高效減水劑。降低混凝土拌合物的用水量。采用低水膠比是提高混凝土耐久性的關(guān)鍵。實際應(yīng)用的高性能混凝土水膠比都介于0.25～0.4 之間。高效減水劑與水泥的相容性好壞不但決定是否保證拌制混凝土的高流動性。更主要的是能否降低拌合物坍落度的經(jīng)時損失；采用最大粒徑小的優(yōu)質(zhì)骨料。石子粒徑在10-25mm 范圍。原因是減小了骨料水泥漿界面應(yīng)力差。消除了內(nèi)部裂縫。

當(dāng)然高性能混凝土除了要精心進(jìn)行配合比設(shè)計外。其生產(chǎn)澆注和養(yǎng)護(hù)過程也都是不可忽視的。由于外加劑和礦物摻合料需要充分分散均勻。需要適當(dāng)延長攪拌時間。由于其泌水少。水分蒸發(fā)容易導(dǎo)致塑性裂縫的產(chǎn)生。因此其振搗、抹面和養(yǎng)護(hù)需要連續(xù)銜接。特別是對淡水潮濕養(yǎng)護(hù)的要求應(yīng)嚴(yán)格遵守。

總之。配制高性能混凝土與配制普通混凝土并沒有本質(zhì)區(qū)別。上個世紀(jì)50年代我國著名的混凝土材料專家。原一航局科研所所長郭云炳先生就總結(jié)出配制優(yōu)質(zhì)港工混凝土的三原則即。低水灰比、富配合、優(yōu)質(zhì)骨料。這與配制高性能混凝土的基本道理如出一轍。因此高性能混凝土并沒有什么奧妙和神秘，只要我們認(rèn)真地按照結(jié)構(gòu)對耐久性和力學(xué)性能的要求，科學(xué)地選擇組成材料，精心進(jìn)行配合比的設(shè)計，遵循既定規(guī)程施工就完全可以生產(chǎn)出符合要求的高性能混凝土。

對于高性能混凝土的壽命預(yù)測，除了按國際上通行的方式進(jìn)行室內(nèi)外試驗，氯離子滲透切片分析和理論推導(dǎo)之外，還制造了大批量不同配比的試件進(jìn)行海洋暴露試驗，試件齡期長達(dá)30年。擬將室內(nèi)混凝土耐久性快速試驗與現(xiàn)場暴露試驗的結(jié)果結(jié)合起來，對壽命預(yù)測進(jìn)行修正，以期建立可靠、實用的壽命預(yù)測方法。

高性能混凝土所用材料除硅粉價格較貴以外，磨細(xì)礦粉和優(yōu)質(zhì)粉煤灰與水泥單價略同，甚至稍低。硅粉摻量除有特殊要求的工程可摻至膠凝材料用量的8-10％以外，一般單摻或共摻的范圍僅3-5％，因此采用高性能混凝土較之普通混凝土單價提高相當(dāng)有限，特別是與其耐久性壽命成倍提高的效果相比，大大降低了建筑物的服務(wù)周期成本，經(jīng)濟效益和社會效益十分顯著。高性能混凝土的生產(chǎn)工藝并不復(fù)雜，也不需要添加特殊設(shè)備，只要精心施工，難度不大。

總之在海洋工程中率先大力推廣應(yīng)用高性能混凝土是利國利民，對建設(shè)、設(shè)計、施工都是非常有益、有利的。科學(xué)研究和實踐已經(jīng)證明，摻用符合要求的磨細(xì)礦物摻和料替代部分水泥作為膠凝材料其意義決非傳統(tǒng)觀念上的節(jié)約水泥，更非廢物利用，它使混凝土結(jié)構(gòu)本身更加密實抗?jié)B，十倍甚至幾十倍的降低了氯離子滲透系數(shù)。試驗還證明采用大摻量粉煤灰的高性能引氣混凝土比普通引氣混凝土在相同條件下具有更高的抗凍性，這與我們以前的慣常認(rèn)知也有很大的不同。針對高性能混凝土的應(yīng)用，在很多方面尚需要提高認(rèn)識，轉(zhuǎn)變觀念，加大宣傳力度。

近年來隨著高性能混凝土在海洋工程中的應(yīng)用，也出現(xiàn)了一些值得注意的問題。其中對高性能混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫問題的認(rèn)識尤為突出，甚至由此導(dǎo)致輿論上的誤區(qū)。其實高性能混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫的原因與普通混凝土結(jié)構(gòu)是基本相同的。非荷載作用產(chǎn)生的裂縫大多是因為膠凝材料水化熱引起的混凝土的脹縮，澆注混凝土結(jié)構(gòu)物的內(nèi)外溫差和新老混凝土之間的約束關(guān)系等原因造成的。雖然高性能混凝土由于采用磨細(xì)礦物摻合料替代部分水泥，一般情況下膠凝材料比單摻水泥時的水化熱有所降低，對防止裂縫的產(chǎn)生帶來有利因素，但其絕熱溫升降低的幅度有限，對限制裂縫開展所起作用不是十分明顯。因此，普通混凝土結(jié)構(gòu)物需要采取的防裂措施在高性能混凝土中同樣適用，也同樣必要。在結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料選擇和配合比設(shè)計以及施工工藝諸方面都不能因為采用了高性能混凝土而有所忽視，相反地由于對混凝土耐久性要求的提高而更應(yīng)該受到充分重視。當(dāng)前，在某些海洋工程中采用高性能混凝土出現(xiàn)的裂縫現(xiàn)象，如防波堤堤身裂縫、預(yù)制大跨度鋼筋混凝土箱梁裂縫、現(xiàn)澆碼頭疊合梁橫梁裂縫以及橋梁承臺外用薄壁高性能混凝土套箱做鑲面內(nèi)澆混凝土造成套箱外壁裂縫等現(xiàn)象，大多是因為建筑物分層位置及分段長度不當(dāng)；混凝土拌合物水化熱溫升過高，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差過大；疊合結(jié)構(gòu)長，上下層澆注間隔時間久；約束體承受混凝土初期膨脹和內(nèi)外溫差共同作用形成的彎矩使其混凝土表層拉應(yīng)力超過了極限抗拉強度所致。當(dāng)采用了相應(yīng)的措施之后，情況都有了顯著的改善。

但是，高性能混凝土水膠比低，結(jié)構(gòu)致密，在澆注初期由于混凝土表層自由水迅速消耗而得不到補充，極易產(chǎn)生早期收縮裂縫，需要采取針對性措施去克服。在配合比方面適當(dāng)降低砂率和減少膠凝材料用量，在膠凝材料中摻入適量的粉煤灰，非十分必要盡可能不采用早強型水泥，當(dāng)采用普通的養(yǎng)護(hù)方法時不追求過低的水膠比，有利于抗裂性能的改善。尤其是適量粉煤灰的摻入，可大幅降低混凝土的自收縮，與硅粉共摻既可發(fā)揮摻硅粉電通量和早期強度易保證的優(yōu)勢又可抑制摻硅粉更易發(fā)生早期干縮裂縫的作用。其實，控制高性能混凝土早期裂縫的發(fā)生，關(guān)鍵還在于施工工藝和養(yǎng)護(hù)措施，特別是在混凝土澆注的第1天。低水膠比的高性能混凝土初凝前后最好進(jìn)行2次振搗、2次壓面，并及時用塑料薄膜覆蓋，連續(xù)進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)。總之，要做到精心施工、精心養(yǎng)護(hù)。

由于材料科學(xué)的發(fā)展，磨細(xì)礦物摻合料和高效減水劑的使用，使混凝土的水灰比有可能大幅降低，混凝土的孔結(jié)構(gòu)也發(fā)生了質(zhì)的變化，通過大量不同組份摻和料配制的高性能混凝土的抗凍實驗證明，高性能加氣混凝土的抗凍性能優(yōu)于同等條件下的標(biāo)準(zhǔn)混凝土，其結(jié)果足以使我們對在北方寒冷地區(qū)海洋工程潮差和浪濺部位采用高性能混凝土解除顧慮樹立信心。在研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性壽命時，通常都把氯離子滲透到主筋表面達(dá)到一定濃度，鋼筋鈍化膜破壞，鋼筋銹蝕膨脹，混凝土開裂作為基本依據(jù)，其壽命的長短除了混凝土環(huán)境和氯離子滲透系數(shù)的大小。以外，在很大程度上取決于鋼筋保護(hù)層的厚度，并且與保護(hù)層厚度的平方成正比。因此，為了滿足建筑物特定理論上的耐久性年限，有時會把鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)甚至主要受力構(gòu)件的保護(hù)層設(shè)計得過厚，反而造成鋼筋對混凝土表層裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展失去制約作用。對采用高性能混凝土的鋼筋混凝土主要受力構(gòu)件而言，僅計算荷載作用下限制裂縫開展寬度的結(jié)構(gòu)配筋是不夠的，還應(yīng)進(jìn)一步開展鋼筋配置對混凝土裂縫控制與影響機理的研究。沒有充分把握和依據(jù)時，應(yīng)按照水運工程混凝土施工規(guī)范。和海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范關(guān)于鋼筋混凝土保護(hù)層最小厚度的規(guī)定執(zhí)行。當(dāng)不能滿足設(shè)計計算的耐久性年限要求時，可以采取其它如涂層封閉保護(hù)、外加電流法等綜合性措施解決。此外，所謂大體積混凝土的概念以及大體積混凝土防裂措施的傳統(tǒng)觀念都應(yīng)該隨之更新，代之以在更寬廣視野上的新理念。

隨著基本建設(shè)規(guī)模的急劇擴大，建筑市場對水泥和磨細(xì)礦物摻和料的需求迅速增長，質(zhì)量不穩(wěn)定，良莠不分，供不應(yīng)求的現(xiàn)象相當(dāng)普遍。在這樣的背景之下只有堅定地執(zhí)行質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)才是推廣應(yīng)用高性能混凝土的正確選擇。

隨著我國國力的增強和科技水平的提高，延長建筑物使用壽命，提高建筑物耐久性已成為基本建設(shè)中的迫切任務(wù)。特別是結(jié)合當(dāng)前海工工程向大型、外海發(fā)展的趨勢，大力推廣利用高性能混凝土適當(dāng)其時。