C60高性能混凝土预应力梁预制技术

摘要：本文通过对南四环凉水河桥C60高性能砼预应力梁预制前的理论分析，材料选择，配合比设计及预制过程中的技术措施和质量控制的论述，探讨了高性能砼梁预制的技术问题。

关键词：高性能砼；预应力；配合比；原材料。

1前言

目前，世界各国对高性能混凝土的定义还不统一，美国和加拿大等国将高强混凝土视同为高性能混凝土。我国著名混凝土专家吴中伟院士将高性能混凝土定义为："高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，它以耐久性作为设计的主要指标。针对不同用途要求，高性能混凝土应对耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性、经济性等性能有重点的予以保证。为此高性能混凝土在配合比设计上的特点是低水胶比，选用优质原材料，并除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效减水剂[1]。"由于北京地区的大型预制构件主要在工厂内生产，运输距离较短，对坍落度要求相对较低，因此一般高性能混凝土要求的不离析、大流动度等高工作性指标并不适合于预制构件。根据经验，预应力梁使用中等坍落度混凝土（140～160mm）比较合适。由于北京冬天较寒冷，并常使用化冰盐，因此"冻融与盐冻"破坏已成为北京城市立交桥预应力梁耐久性破坏的主要因素之一[2]。提高混凝土抗冻性有两种途径，一种是掺加引气剂，另一种是提高抗渗性。当养护温度高于60℃时不宜采用掺加引气剂的方法提高抗冻性，可以用掺加硅灰等超细掺和料提高密实性的方法提高抗冻性。

对于后张预应力梁构件，应用高强高性能混凝土有如下优点:(1)可施加更大的预应力；可更早的施加预应力；由于高强混凝土的徐变值较小可降低预应力损失。（2）可以减小截面积尺寸，降低结构自重，或增加桥下净空。（3）在同一工程中，对不同的构件采用不同的混凝土强度，对于统一构件与施工模板的尺寸提供了有利条件。这些间接因素，有时比节约材料或降低工程造价更有实际意义。（4）具有较好的经济效益。经验表明:用60Mpa混凝土代替30-40Mpa的混凝土，可节约混凝土量40%；节约钢材39%；降低工程造价20%-35%。应用于混凝土构件生产，还具有节省蒸养耗能的效益，混凝土强度每提高10Mpa，每立方米混凝土可节约标准煤约13kg。（5）具有显著的社会效益。可以大大提高混凝土构件的耐久性，减少养护费用，在城市减少对交通的干扰。由于高强高性能混凝土的上述优点，高性能混凝土在大、中型桥梁和城市立交桥中有十分广泛的应用前景。

北京市南四环凉水河铁路专线桥由北京市第一水利工程处负责施工，该桥由6跨后张预应力梁组成，梁长35m，梁高1.8m，包括边梁24片，中梁84片，混凝土强度设计等级为C60。所有预应力梁由北京瑞博公司第三构件厂负责加工制造。该桥梁的特点是：(1)梁长35m，仅比当时北京市内最长的西直门立交桥梁短1m（36m）；梁高1.8m，在北京市最高。梁长和梁高决定了不能采用养护池通蒸汽的传统养护工艺，只能采用现场加工方式。（2）混凝土设计强度高，达到设计强度95%以上才能进行预应力张拉；为了防止张拉拱值过大，需对砼的弹性模量进行检测。（3）工期短，工程量大，为了提高预制加工速度对混凝土早期强度要求高。（4）冬季施工，大气温度低，必须有可靠的防冻和提高早期强度的养护措施。（5）耐久性要求高。以上特点要求我们必须按照高性能混凝土的思路进行配合比设计，并采取一些特殊的工艺措施进行施工。

2 原材料优选和配合比设计

高强高性能混凝土是通过降低水灰比、增强水泥石与集料的界面区、改善水泥水化产物、降低孔隙率、提高密实度来实现高强度和高耐久性。为了满足施工性能和耐久性能要求，必须使用高效减水剂和活性掺和料。配制技术的关键在于原材料的选择与配合比的设计。高强混凝土的原材料包括水泥、砂石集料、化学外加剂(高效减水剂及其复合剂)以及活性掺和料。

　2.1原材料的选择

(1)水泥：一般情况下，配制高强混凝土所用的水泥，其C3A含量应尽量低，以有利于与高效减水剂的适应并减少坍落度损失。在选用水泥时还应根据工程的具体情况，综合考虑一些因素，如凝结时间、早期强度、变形性和耐久性等特殊要求。通过比选，本工程采用了邯郸低碱P.O.525#水泥，0.080mm筛筛余为4.8%，当量Na2O含量为0.43%。

(2)集料：集料品质对高强混凝土的抗压强度和弹性模量有重要影响。粗集料的粒径、形状和矿物成分对混凝土的强度也有影响。一般宜选用密实坚硬的石灰岩或深层火成岩。最大粒径不超过20mm。在相同的条件下，用碎石配制的高强混凝土，其强度高于砾石。相对粗集料而言，细集料对混凝土强度的影响较小，但必须选用洁净的砂子，细度模量以2.7～3.1为宜。

石子采用最大粒径20mm碎石，针片状含量小于10%。砂子采用卢沟桥中砂，细度模数为2.7。(3)高效减水剂：采用FAC-6复合型低碱萘系高效减水剂，粉剂掺量为1.5%，当量Na2O含量为2.2%。(4)活性掺和料的选择：试验表明，掺加I级粉煤灰或硅粉，28天强度都能达到设计要求，但粉煤灰混凝土早期强度低，特别在温度低的条件下，强度发展更慢，影响拆模时间。加入硅粉的混凝土3天强度可达到28天的67%。我们最后选择了使用硅粉的配比。硅灰为贵州产，当量Na2O含量为1.4%。

　2.2 配合比设计

高强混凝土的配合比设计，不能沿用普通混凝土的方法，必须通过试配来确定。其原因是:

(1)当W/C<0.4以后，尽管水灰比对混凝土强度仍存在着敏感性，但已不象普通强度混凝土与水灰比之间所具有的直接对应关系。

(2)高强混凝土中增加了一些新的组分材料，不仅是高效减水剂，有时还掺入活性掺和料，而且集料的品质和性能又对高强混凝土的强度会产生一定的影响。

(3)根据北京市建委的规定，混凝土单方含碱量应小于3kg。经过反复试验，确定的C60混凝土配合比为：水泥：水：砂：石子：硅粉：FAC-6=480：153：608：1129：30：7.65。该配比混凝土单方含碱量为2.65kg<3kg，满足建委规定。

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3 质量控制与质量保证

混凝土搅拌、施工操作因素以及施工环境对高强高性能混凝土的质量十分敏感，因此，必须有严格的质量控制与质量保证制度。

(1)配料：严格按照配合比和指定材料进行配料，不得擅自变更。原材料采用重量计量。采用电子称计量时，工作前应开机预热10分钟，同时检查、调整机械灵敏度，发现问题及时解决。骨料采用装载机喂料，不得将泥土或杂物混入料内。加粉状减水剂时可将其与水泥同时加入，但不得混入结硬块。(2)搅拌：配料计量装置每月校验一次精度。砂子含水率每天开盘进行测定，修正施工配合比。校验与标定结果均用文字形式记载。

因为高强混凝土的水胶比较普通混凝土低得多，应严格控制水的计量。混凝土每台班开始搅拌前，应先开动搅拌机进行空车试运转，待正常后加入清水空转2-3min，使搅拌筒内壁润湿，然后排净水再上料；搅拌第一罐混凝土时应按配合比减少10%的石子量。投料顺序:石子---水泥---砂子。严格控制搅拌时间，不得任意缩短，混凝土应拌制均匀，色泽一致，和易性良好，已拌好的混凝土不得中途加水。混凝土在搅拌地点测坍落度，每台班每配合比不得少于一次并做好记录；同时，还应观察混凝土的粘聚性和保水性，并做记录。

(3)浇筑与成型：混凝土从搅拌机中卸出到浇注完毕的延续时间不宜超过90min，混凝土使用吊斗入模时，吊斗高度距模板不超过60cm，下料时必须均匀，严禁一次集中下料，应分层浇注，每层混凝土虚铺高度不得超过30cm。

附着式振捣器使用前应检查与模板连接是否牢固，每浇注一层混凝土须振捣一次，振捣时间不宜过长。振捣棒应快插慢拔，使各部受力均匀，不得碰触预埋件、波纹管，并应避免碰撞模板、钢筋；也不得将振捣棒放在模板支撑、拉杆及钢筋骨架上。振捣时各振点要均匀排列，按顺序进行，不得漏振，插捣应插入到前一层混凝土不小于5cm深处，以保证浇注层接茬处密实。振捣完毕，用木抹子将混凝土上表面找平。(4)养护：高强混凝土通常不会出现较多的泌水，浇灌后如果不及时采取措施防止混凝土表面湿度的失去，则可能使暴露在大气中的混凝土表面上产生塑性收缩裂缝，因此，高强混凝土在表面抹光后应立即进行养护。本工程采用日本进口热风枪加热养护工艺，首先，在构件浇注成型后，在模板长度方向，两端各安装一台热风枪，并通上花管，盘在模板四周，然后用苫布覆盖。加温养护时间为24小时，升温(4小时10℃/小时)，恒温(16小时，40℃)，降温(4小时，10℃/小时)，在升降温期间，每小时测温一次;恒温期间，每2小时测温1次。

(5)检验：试块制作设专人负责，每块试块必须标明成型时间、混凝土强度等级、试块编号，并填写在试验报告单上，试块与试块报告单的填写内容必须一致。

混凝土取样应在浇注地点，搅拌后第三盘至结束前30min之间随机取样。三块为一组，制作6组，试块必须振捣密实，不得有超过规定的蜂窝、麻面等缺陷，以及直径和深度超过3mm的气孔，外表整齐方正，不得缺棱掉角，外形几何尺寸偏差不得超过±1mm，角度偏差不得超过±2o。

4 工程应用效果及分析

预应力梁加工过程中，采用实际施工用混凝土成型立方体抗压强度试件，分别测定标养28天抗压强度以及1天、3天、7天同条件养护抗压强度。工程竣工后对全部C60混凝土抗压强度进行了统计分析，结果见表1。

由表1中结果可以看出，所使用的高强高性能混凝土28天标养强度平均值为74.1Mpa，达到设计强度的123.5%，28天变异系数较小（3.24），说明质量控制水平很好。采用日本热风枪加热同条件养护的混凝土试件1天强度即可达到28天强度的55.5%，已经超过混凝土受冻临界强度。1天强度变异系数也较小（5.75），再次证明混凝土质量稳定性较好。由于加热养护1天混凝土强度已经较高，1天以后的预应力梁虽然仅采取简单覆盖保温养护方法，但是混凝土强度仍然稳定发展，3天同条件养护强度达63.9%，7天强度可达94.2%。同条件养护7天即可达到预应力梁张拉强度。3天和7天强度变异系数较大是由于养护1天后梁实体和试件受大气温度影响太大造成的。

另外，为了考查混凝土弹性模量随强度的发展情况，在张拉时测定了所有预应力梁的弹性起拱值。35m梁的弹性拱平均值为31mm(梁的设计拱值为L/100=35mm)，说明混凝土弹性模量随强度发展较好。

　参考文献

黄士元、蒋家奋等.近代混凝土技术.陕西科学技术出版社，1998.10冯乃谦.高强混凝土技术.中国建材出版社，1992

陈肇元、朱金铨等.高强混凝土及其应用.清华大学出版社，1992

蒋家奋.国外高强混凝土技术的发展与现状.混凝土与水泥制品，1992（5）蒋滨松.高强混凝土在北欧国家的应用概况.混凝土，1995（4）

中国土木工程学会高强混凝土委员会.高强混凝土结构与施工指南.中国建材出版社，1994林寿主编.建筑工程施工材料试验培训教材（修订版）.中国建材出版社，1999.4