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博聞廣議:關(guān)于橋涵高性能混凝土相關(guān)規(guī)范的幾點認識

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本文選自《商品混凝土》雜志2023年第10期

關(guān)于橋涵高性能混凝土相關(guān)規(guī)范的幾點認識

聞寶聯(lián)

高性能混凝土在建設(shè)領(lǐng)域已經(jīng)深入人心,各個行業(yè)也紛紛出臺了相應(yīng)的標準和規(guī)范。橋涵運營環(huán)境惡劣,最容易出現(xiàn)腐蝕劣化,影響其耐久性,因而眾多規(guī)范也把橋涵耐久性的保障作為重點來強調(diào)?!陡咝阅芑炷良夹g(shù)條件》GB/T 41054—2021、《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》GB/T 50476—2019、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T 3650—2020、《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》JTG/T 3310—2019、《鐵路混凝土》TB/T 3275—2018等等,這些規(guī)范中,也都把橋涵列入適用范圍。而由于行業(yè)特點不同、編制的年代不同以及編制人員認識上的差異,規(guī)范要求也各有千秋。本文對現(xiàn)行最新的幾個規(guī)范進行簡單的梳理,以幫助大家認識理解。當然這里列出的并不全面,可能有些以偏概全。

1 環(huán)境類別及環(huán)境作用等級的劃分的差異

首先,需要明確的是,高性能混凝土是一個相對概念,同時,耐久性設(shè)計也是一種環(huán)境設(shè)計,確定環(huán)境的分級是非常關(guān)鍵的!

國標《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標準》GB/T 50476— 2019(以下簡稱“耐久性標準”)中將環(huán)境分為五類(見表1),《高性能混凝土技術(shù)條件》GB/T 41054—2021(以下簡稱“高性能技術(shù)條件”)也是與耐久性標準一致。

兩個公路行標《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T 3650—2020(以下簡稱“公路施工規(guī)范”)、《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》JTG/T 3310—2019(以下簡稱“公路耐久性規(guī)范”)將環(huán)境分為七類,見表2。

《鐵路混凝土》TB/T 3275—2018(以下簡稱鐵標)沿襲《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》TB 10005—2010,將環(huán)境分為六類,與國標和公路行標分類不同,分類方法如表3。

不同環(huán)境類別下,作用等級不同,公路行標和“耐久性標準”、“高性能技術(shù)條件”從輕度到極端嚴重分為A-F級,見表4和表5。

“耐久性標準”只在海洋氯化物環(huán)境里出現(xiàn)了F級,公路行標結(jié)合環(huán)境列入F級范圍的結(jié)構(gòu)高于國標。

“鐵標”環(huán)境作用等級按1、2、3、4作用來劃分,分別劃分成各自環(huán)境下的作用等級。碳化環(huán)境分為T1、T2、T3,氯鹽環(huán)境分為L1、L2、L3,化學(xué)侵蝕環(huán)境分為H1、H2、H3、H4,鹽結(jié)晶環(huán)境分為Y1、Y2、Y3、Y4,凍融環(huán)境分為D1、D2、D3、D4,磨蝕環(huán)境分為M1、M2、M3。3、4都是相對嚴重的作用等級。

可見,不同的規(guī)范對環(huán)境和作用等級劃分是不同的,雖然本質(zhì)上并無明顯差別,但還是要注意不要錯用,因為這還涉及后面原材料以及配比設(shè)計的要求差異。

這里值得一提的是,一些省份的公路地標環(huán)境類別及作用等級的劃分有的沿用了“鐵標”,這值得商榷,因為公路行業(yè)早在2006年就已經(jīng)出臺了《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》JTG/T B07-01-2006,也就是《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》JTG/T 3310—2019的前身,引用“鐵標”建設(shè)公路會造成引用規(guī)范錯亂,驗收會出現(xiàn)問題。

2 對原材料和配合比要求的差異

2.1 對水泥的要求

“公路耐久性規(guī)范”中5.2.1要求:

3 硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥的細度不宜超過350m2/kg;水泥中鋁酸三鈣(CA)含量不宜超過8%(海水中不宜超過5%)。大體積混凝土宜采用硅酸二鈣(CS)含量相對較高的水泥。

4 應(yīng)選用質(zhì)量穩(wěn)定、低水化熱和堿含量偏低的水泥。水泥的堿含量(按NaO量計)不宜超過0.6%。

“公路施工規(guī)范”中:

6.2.1橋涵工程采用的水泥應(yīng)符合現(xiàn)行《通用硅酸鹽水泥》(GB 175)的規(guī)定,水泥的品種和強度等級應(yīng)通過混凝土配合比試驗選定,且其特性應(yīng)不會對混凝土的強度、耐久性和工作性能產(chǎn)生不利影響。當混凝土中采用堿活性集料時,宜選用含堿量不大于0.6%的低堿水泥。

在后面又專門對高性能混凝土做了明確要求,見表6。對于氯離子含量,要求有點過嚴,很難達到。

表7是高性能技術(shù)條件中的要求。

對比表6、表7,后者將水泥比表面積適當放大了一些,強調(diào)了不同齡期水化熱和抗壓強度要求,這對抗裂是有好處的。

“鐵標”中的要求如表8。

公路和國標中,都建議使用低堿水泥,但低堿水泥的產(chǎn)量很難滿足工程需求,而“鐵標”沒有強調(diào)低堿水泥,這項規(guī)定更為務(wù)實。后面我們也會談到,堿含量是要算單方總量的,單獨控制某個材料堿含量,最后又混到一起,意義多大呢?

2.2 對于摻合料的要求

摻合料以最為廣泛應(yīng)用的粉煤灰和礦渣粉作為對比。

“耐久性設(shè)計標準”中對粉煤灰并未提出特別的要求,只是燒失量小于5%,氧化鈣含量小于10%。

“高性能技術(shù)條件”中:

6.2.3 對于高強高性能混凝土或有抗?jié)B、抗凍、抗腐蝕、耐磨或有其他特殊要求的混凝土,不應(yīng)采用低于Ⅱ級的粉煤灰。

“公路耐久性規(guī)范”中5.2.3:

3公路工程混凝土結(jié)構(gòu)宜采用F類I級或Ⅱ級粉煤灰。對普通鋼筋混凝土,粉煤灰燒失量不宜大于8%;需水量比不宜大于105%;I級粉煤灰的45m方孔篩篩余不宜大于12%,Ⅱ級粉煤灰的篩余量不宜大于20%。粉煤灰其他相關(guān)技術(shù)指標應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596)的規(guī)定。

公路施工規(guī)范中要求如表9。

注:1.粉煤灰中的CaO 含量大于5%時,應(yīng)經(jīng)試驗證明其安定性合格。

2.預(yù)應(yīng)力高性能混凝土或浪濺區(qū)的鋼筋混凝土應(yīng)采用Ⅰ級粉煤灰或燒失量不大于5%、需水量比不大于100%的Ⅱ級粉煤灰。

對粉煤灰,要求在高性能混凝土中F類粉煤灰游離CaO 含量1.0,這個要求有點嚴格了,但注解里解釋CaO 含量如果大于5%時,應(yīng)經(jīng)試驗證明其安定性合格,合格也可以用。

沒有要求必須是Ⅰ級粉煤灰,燒失量不大于5%、需水量比不大于100%的Ⅱ級粉煤灰也可以,但預(yù)應(yīng)力混凝土還是要求燒失量小于2%。

“鐵標”5.2.3 中要求粉煤灰應(yīng)選擇顏色均勻、不含有油污等雜質(zhì)的F類產(chǎn)品,且與水泥和水混合時不應(yīng)有明顯刺激性氣體逸出,其性能應(yīng)滿足表10的要求。

注:當混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境為嚴重凍融破壞環(huán)境時,宜采用燒失量不大于 3.0% 的粉煤灰。

當采用干法或半干法脫硫工藝排出的粉煤灰時,應(yīng)檢測半水亞硫酸鈣(CaSO·1/2HO)含量。

* 堿含量用于計算混凝土的總堿含量。

“鐵標”考慮到了當前濕法脫硫灰脫硝灰中銨鹽與堿反應(yīng)釋放氨氣的影響,以及干法脫硫亞硝酸鈣的影響,具有現(xiàn)實意義。

事實上Ⅰ級粉煤灰的產(chǎn)量很難滿足工程的需求。粉煤灰的品質(zhì)受收塵工藝、工序、煤的品種、脫硫脫硝方法等因素影響,能保障Ⅱ級就很不錯了,強調(diào)Ⅰ級灰可操作性不強,Ⅱ級灰均能滿足工程要求,更具現(xiàn)實意義!

對于礦渣粉,幾個標準基本參照了《高強高性能混凝土用礦物外加劑》GB/T 18736—2017、《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB/T 51003—2014等標準的規(guī)定,對部分相關(guān)指標作出了修改。個別指標有所增減,基本不存在實現(xiàn)的難度。

然而在這些規(guī)范之中,對超細粉都沒有提出要求,超細粉在保障混凝土工作性能、耐久性能作用突出,應(yīng)該受到關(guān)注。

2.3 對于骨料的要求

“耐久性設(shè)計標準”附錄B中:

B.3.2混凝土骨料應(yīng)滿足骨料級配和粒形的要求,石子宜采用單粒級兩級配或三級配,分級投料;級配后的骨料松堆空隙率不應(yīng)大于43%。

B.3.3混凝土用砂在開采、運輸、堆放和使用過程中,應(yīng)采取防止遭受海水污染或混用不合格海砂的措施。

砂的密度應(yīng)在飽和面干狀態(tài)下檢測,理論配合比中砂的用量以飽和面干質(zhì)量計。

未提出特別的要求,但提出了配合比設(shè)計砂采用飽和面干法,這一點在當前應(yīng)用機制砂是比較合適的。

“高性能技術(shù)條件”中,也是基本沿用了《建設(shè)用卵石、碎石》GB/T 14685、《建設(shè)用砂》GB/T 14684的規(guī)定,未做特殊要求。

“公路施工規(guī)范”中:

骨料的要求按《建設(shè)用卵石、碎石》GB/T 14685—2011、《建設(shè)用砂》GB/T 14684—2011的規(guī)定對相關(guān)技術(shù)指標進行了修改。刪除了關(guān)于砂“Ⅰ類宜用于強度等級大于C60的混凝土;Ⅱ類宜用于強度等級C30~C60及有抗凍、抗?jié)B或其他要求的混凝土;Ⅲ類宜用于強度等級小于C30的混凝土和砌筑砂漿”的要求;增加了“卵石和碎石混合使用時,壓碎值應(yīng)分別按卵石和碎石控制”的規(guī)定,放寬了對卵石應(yīng)用的限制以充分利用資源,壓碎值限制對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類粗骨料也隨之分別限制不超過10%、20%、30%。GB/T 14685、GB/T 14684目前已經(jīng)更新到了2022版,感興趣的讀者可以對照看一下。

對高性能混凝土,部分要求粗集料宜選用質(zhì)地均勻堅硬、粒形良好、級配合理、線脹系數(shù)小的潔凈碎石或卵石,不宜采用砂巖加工成的碎石,且應(yīng)采用連續(xù)兩級配或連續(xù)多級配,其壓碎指標尚應(yīng)不大于10%等要求。

值得一提的是,目前公路兩個行標骨料的壓碎值要求采用國標200kN壓力的實驗方法。上一版規(guī)范采用的是公路400kN的實驗方法,但壓碎值指標要求給工程造成很多混亂,執(zhí)行過程中進行了幾次勘誤,這一版改了過來,使用了建設(shè)標準,操作起來更為便捷。對細骨料的壓碎值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類砂分別控制不超過20%、25%、30%。

“鐵標”中對粗骨料壓碎值比國標要嚴格一些,分為C30以上和C30以下兩個等級,對火成巖、水成巖和變質(zhì)巖分別要求,總體差異與國標不是太大,對細骨料壓碎值統(tǒng)一為不超過25%。

現(xiàn)行的幾個規(guī)范中,對固廢的應(yīng)用都有所回避或是沒有強調(diào),但合格的固廢材料至少在低強度混凝土中應(yīng)用是沒有問題的,無論強度或耐久性指標都能滿足。

2.4 對水質(zhì)的要求

前面提到的幾個標準、規(guī)范對水質(zhì)的要求基本參考了《混凝土用水標準》JGJ 63—2006,對于養(yǎng)護用水,“公路施工規(guī)范”專門進行了強調(diào),如表11,與素混凝土用水指標一致,但這也還不全面,比如對Fe2+離子未做限定,這個在實踐中發(fā)現(xiàn)了很多問題都是Fe2+引起的,而現(xiàn)行規(guī)范都未涉及。

注:1. 對設(shè)計使用年限為100年的結(jié)構(gòu)混凝土,氯離子含量不得超過500mg/L;對使用鋼絲或經(jīng)熱處理鋼筋的預(yù)應(yīng)力混凝土,氯離子含量不得超過350mg/L。

2. 堿含量按NaO+0.658KO 計算值表示。采用非堿活性集料時,可不檢驗堿含量。

3 配合比設(shè)計要求的差異

3.1 膠材限量的差異

早期規(guī)范中只限定了最小膠材或是水泥單方用量,為的是保障足夠的漿體量以利于施工,而過多的膠材不僅不經(jīng)濟,體積穩(wěn)定性也不良。所以現(xiàn)在也限定了最大膠材用量。表12是耐久性標準的要求。

注:1. 表中數(shù)據(jù)適用于最大骨料粒徑為20mm 的情況,骨料粒徑較大時宜適當降低膠凝材料用量,骨料粒徑較小時可適當增加膠凝材料用量;

2. 引氣混凝土的膠凝材料用量與非引氣混凝土要求相同;

3. 當膠凝材料的礦物摻合料摻量大于20%時,最大水膠比不應(yīng)大于0.45。

對膠材用量最應(yīng)該受到關(guān)注的是C50混凝土,對比上一版(GB/T 50476—2008),C35以下限量400kg/m3,C40、C45限定400kg/m3,C50膠材限量480kg/m3、C55限量500kg/m3,實踐中,個人感覺480kg/m3更為合理,可能是考慮到現(xiàn)在骨料粒形和級配普遍不良緣故吧。

“高性能混凝土技術(shù)條件”中,對混凝土的膠材用量未作明確要求。

“公路耐久性規(guī)范”中,C50膠材限量480kg/m、C55限量500kg/m,公路施工規(guī)范中,前面要求也是這樣,而對后面高性能混凝土部分,6.15.9要求:

1 對不同強度等級混凝土的膠凝材料總量應(yīng)進行控制,C40以下宜不大于400kg/m;C40~C50宜不大于450 kg/m;C60及以上的非泵送混凝土宜不大于500 kg/m3,泵送混凝土宜不大于530kg/m;且膠凝材料漿體體積宜不大于混凝土體積的35%

2 水膠比應(yīng)根據(jù)混凝土的配制強度、抗氯離子滲透性能、抗?jié)B性能和抗凍性能等要求確定。在滿足混凝土工作性能的前提下,宜降低用水量,并控制在130~ 160kg/m

“鐵標”中也是C50限定480kg/m3,C50以上500kg/m3。

以目前的砂石骨料狀況,C50限定450kg/m3在工程中很難操作,限定480kg/m3更為實際。

3.2 對摻合料的要求差異

“耐久性設(shè)計標準”在后面的條文解釋中:

2.1.21 本標準中所指的礦物摻合料混凝土為:在硅酸鹽水泥中單摻粉煤灰量不小于膠凝材料總重的30%、單摻磨細礦渣量不小于膠凝材料總重的50%;復(fù)合使用兩種礦物摻合料時,粉煤灰摻量比與0.3的比值加上磨細礦渣摻量比與0.5的比值之和不小于1。

“高性能技術(shù)條件”中的相關(guān)要求如表13。

“公路施工規(guī)范”6.15.9要求:

3 混凝土中宜適量摻加優(yōu)質(zhì)的粉煤灰、?;郀t礦渣粉或硅灰等礦物摻合料,用以提高其耐久性、改善其施工性能和抗裂性能,其摻量宜根據(jù)混凝土的性能要求通過試驗確定,且宜不小于膠凝材料總量的20%。當混凝土中粉煤灰摻量大于30%時,混凝土的水膠比不得大于0.45;在預(yù)應(yīng)力混凝土及處于凍融環(huán)境的混凝土中,粉煤灰的摻量宜不大于30%,且粉煤灰的含碳量宜不大于2%。對暴露于空氣中的一般構(gòu)件混凝土,粉煤灰的摻量宜不大于20%,且單方混凝土膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量宜不小于240kg。

“公路耐久性規(guī)范”中:

使用普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥時,應(yīng)將其中原有礦物摻合料與配制混凝土?xí)r加入的礦物摻合料用量一起計算,具體見表14。

“鐵標”中的相關(guān)要求如表15。

目前不可回避的一個現(xiàn)實情況,就是水泥廠實際所用的混合材基本遠超規(guī)范規(guī)定的用量,我曾調(diào)研過幾家水泥企業(yè),普硅水泥要求混合材不超過20%,實際有的超過60%,也是按普硅去銷售,出廠文件都寫著小于20%,所以以規(guī)范要求的摻合料摻量為準,事實上是偏大的。

3.3 堿含量的控制

“耐久性設(shè)計標準”中:

B.2.4 單位體積混凝土中的含堿量應(yīng)符合下列規(guī)定:

1 對骨料無活性且處于相對濕度低于75%環(huán)境條件下的混凝土構(gòu)件,含堿量不應(yīng)超過3.5kg/m,當設(shè)計使用年限為100年時,混凝土的含堿量不應(yīng)超過3kg/m

2 對骨料無活性但處于相對濕度不低于75%環(huán)境條件下的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,含堿量不超過3kg/m3。

3 對骨料有活性且處于相對濕度不低于75%環(huán)境條件下的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件,應(yīng)嚴格控制混凝土含堿量不超過3kg/m并摻加礦物摻合料。

“高性能技術(shù)條件”要求堿含量與“耐久性設(shè)計標準”一致。

“公路耐久性規(guī)范”中5.3.8規(guī)定:

應(yīng)限制單位體積混凝土中的堿含量?;炷林械淖畲髩A含量不應(yīng)大于表16的規(guī)定。對于特大橋和大橋的混凝土,最大堿含量宜為1.8kg/m

“公路施工規(guī)范”中:

6.8.6除應(yīng)對由各種組成材料帶入混凝土中的堿含量進行控制外,尚應(yīng)控制混凝土的總堿含量。每立方米混凝土的總堿含量,對一般橋涵宜不大于3.0kg/m,對特大橋、大橋和重要橋梁宜不大于2.1kg/m3。當混凝土結(jié)構(gòu)處于受嚴重侵蝕的環(huán)境時,不得使用有堿活性反應(yīng)的骨料

“鐵標”中7.1.5規(guī)定:

混凝土的總堿含量應(yīng)符合設(shè)計要求。當設(shè)計無要求時,混凝土的總堿含量應(yīng)滿足表17的要求。

可見,公路行標中對大橋、特大橋堿含量的限制過嚴,很難操作,事實上現(xiàn)在幾乎沒有小橋,都是大橋,限制3.0kg/m3是合理的,而且也不會發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

4 結(jié)語

目前關(guān)于橋涵高性能混凝土的技術(shù)要求各個規(guī)范并不統(tǒng)一,有些指標不全面,有些指標難于操作,有些材料還應(yīng)該納入。規(guī)范應(yīng)該是在保障質(zhì)量的前提下具有比較強的可操作性,一味從嚴并不現(xiàn)實也不合理,簡單明了重點突出更能讓人理解接受,一些關(guān)鍵指標應(yīng)該是“跳一跳夠得著”,“不跳就夠”或是“跳也夠不著”就沒有太大意義。我們在高速公路建設(shè)中會針對某個地區(qū)出臺《XX工程高性能混凝土實施細則》,再經(jīng)過專家論證通過后應(yīng)用,具有很強的操作性。這也是我們今年著手編制行標《高性能混凝土在高速公路橋涵中應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的初衷,隨著技術(shù)的不斷進步與成熟,各位技術(shù)人員有何良好的建議也可以與我們多溝通,把合理的意見納入規(guī)范之中,以更好實現(xiàn)橋涵的耐久性能!

供稿人:聞寶聯(lián)

編輯員:李海亮

審核人:孫繼成,寧夏

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《預(yù)拌混凝土企業(yè)標準化試驗室建設(shè)指南》圖書

混凝土技術(shù)發(fā)展中心(以下簡稱“中心”)隸屬建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所,主要職能是跟蹤分析和研究國內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動態(tài),為全國混凝土行業(yè)開展技術(shù)服務(wù)工作,包括出版技術(shù)期刊、研究制定標準、開展技術(shù)咨詢、舉辦技術(shù)會議、承擔(dān)行業(yè)培訓(xùn)、從事認證評價和開發(fā)研究等,中心是建材情報所主要業(yè)務(wù)部門之一。中心擁有員工10人,其中博士3人,正高職稱3人,副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會分支機構(gòu)包括中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會混凝土專業(yè)委員會、中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會預(yù)制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會、中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會、建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺有預(yù)拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務(wù)平臺、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務(wù)平臺、中國商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會(擁有200余名行業(yè)一線專家)、北京砼享未來工程技術(shù)研究院(會員制技術(shù)和管理服務(wù))。

中心每年參與多個混凝土技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)項目,包括雄安新區(qū)混凝土項目咨詢、河北省多個高速公路高性能混凝土技術(shù)咨詢、固廢基膠凝材料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)和制備技術(shù),以及數(shù)十個混凝土企業(yè)的技術(shù)服務(wù)工作。開展預(yù)拌混凝土綠色產(chǎn)品認證和科技成果評價工作。

咨詢電話:孫繼成 焦素芳 李海亮 13520073698 13521286915



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