黃子其,章嘯,林典新,金宏程
(1. 保利長大工程有限公司,廣東 廣州 510620; 2. 武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,湖北 武漢 430070)
中山碼頭磨耗層施工范圍為碼頭主體及上下游棧橋,總面積約為 5800m2。磨耗層設(shè)計標(biāo)高為 +4.55m,設(shè)計厚度為梁處 450mm、板處 50mm,混凝土強度等級為 C35。
研究表明,碼頭磨耗層裂縫的成因可大體簡單的劃分為混凝土內(nèi)部和外部影響因素兩個方面。內(nèi)部因素主要是裂縫,外部因素有載荷、波浪對碼頭面板的沖擊 等[1-3]。磨耗層現(xiàn)澆混凝土厚度較薄、面積較大,習(xí)慣上也歸到大體積混凝土范疇。大體積混凝土所出現(xiàn)的裂縫主要是溫度裂縫和干縮裂縫。此外,混凝土是一種脆性材料,抗拉強度是抗壓強度的 1/10 左右,而且磨耗層板塊比較薄、面積較大,極其容易在受到外荷載或外部作用下產(chǎn)生裂縫??偟脕碚f,碼頭磨耗層開裂現(xiàn)象較為普遍,其開裂的主要原因歸納如下:混凝土配合比設(shè)計不合理,導(dǎo)致混凝土收縮大;混凝土施工質(zhì)量控制不良和養(yǎng)護(hù)不到位,導(dǎo)致混凝土頂面浮漿厚、收縮大;當(dāng)磨耗層混凝土產(chǎn)生收縮(干縮和自收縮等)受到已澆筑碼頭面層的約束,混凝土極易因溫差較大產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和干縮引起的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度而開裂,從而對混凝土結(jié)構(gòu)的使用功能、外觀質(zhì)量和耐久性造成不良影響。目前磨耗層的防裂措施有:優(yōu)化配合比及優(yōu)選原材料、處理施工基面、混凝體中摻加纖維、控制混凝土的坍落度、合理布置收縮縫等[4-7]。
針對國內(nèi)外碼頭磨耗層開裂較為普遍的技術(shù)難題,并結(jié)合本工程特點,優(yōu)化混凝土施工配合比,擬采用高性能混凝土并摻入混合纖維的技術(shù)措施,以解決磨耗層混凝土易開裂的技術(shù)難題,并形成碼頭面板混凝土裂縫控制成套技術(shù),為類似工程碼頭面板的施工提供參考和借鑒。
選用江門海螺牌 P·O42.5 水泥,Ⅱ級粉煤灰,西江中砂,5~10mm 和 10~25mm 兩級配花崗巖碎石,JN-ESA 緩凝高效減水劑,JS-BDC 聚乙烯醇纖維和 JSFXW 仿鋼纖維。
磨耗層混凝土的設(shè)計要求如下:強度等級為 C35,坍落度控制在 120~160mm,1h 坍損≤20mm,初凝時間≥5h,終凝時間≤8h,無裂紋,無泌水。
為解決磨耗層混凝土的開裂通病,滿足結(jié)構(gòu)耐久性要求,配合比設(shè)計以抗裂性為核心,工作性和力學(xué)性能并重,其他各項性能均衡發(fā)展為原則,應(yīng)著重考慮:
(1)優(yōu)選混凝土原材料:選用水化慢、延性較好的水泥以減小開裂;磨耗層混凝土采用級配良好的瓜米石;面層混凝土選用 5~10mm 和 10~25mm 兩級配花崗巖碎石;采用緩凝型高性能減水劑。
(2)混凝土要有良好的工作性,即流動性、粘聚性、穩(wěn)定性和可塑性。
(3)磨耗層混凝土具有良好的耐磨性能,磨耗層混凝土不宜摻入影響混凝土耐磨性能的粉煤灰。
(4)面層混凝土應(yīng)摻入適量優(yōu)質(zhì)粉煤灰,可有效降低單方水泥用量、砂率、單方用水量,防止混凝土早期強度過快增長,降低混凝土絕熱溫升。
(5)為提高混凝土耐磨性能,磨耗層混凝土宜采用純水泥,選取適合的膠凝材料用量,解決混凝土的溫度變形和化學(xué)收縮對早期混凝土開裂的影響。
(6)摻入 PVA 纖維和仿鋼纖維解決混凝土施工中、混凝土塑性收縮裂紋的產(chǎn)生。
考慮到現(xiàn)場面層和磨耗層一次性澆筑和分兩次澆筑的工況,分別設(shè)計 C35 混凝土配合比如表1。
表1 設(shè)計配合比 kg/m3
表2 為 1#~6# 的工作性能表,從表2 中可以看出,1# 的初始坍落度為 150mm,符合設(shè)計要求的 120~160mm,1h 坍落度為 145mm,符合設(shè)計要求的 1h 坍落度損失小于 20mm,初凝時間和終凝時間均符合設(shè)計要求。2# 的 1h 坍落度低于 120mm,不符合設(shè)計要求,初凝時間和終凝時間符合要求。3# 的 1h 坍落度損失大于 20mm,不符合要求。4# 的初始坍落度為 145mm,符合設(shè)計要求的 120~160mm,1h 坍落度為 140mm,符合設(shè)計要求的 1h 坍落度損失小于 20mm,初凝時間和終凝時間均符合設(shè)計要求。5# 的初凝時間小于 5h,6# 的終凝時間大于 8h,均不符合要求。根據(jù)工作性能推薦配合比為 1# 和 4#。
表2 工作性能一覽表
表3 為 1#、4# 抗壓強度和劈裂抗拉強度結(jié)果。
表3 抗壓、劈裂抗拉強度結(jié)果
從表3 中可以看出 1 # 的 7 d 抗壓強度已達(dá) 38.4MPa,超過設(shè)計強度 35MPa,符合設(shè)計要求;從劈裂抗拉強度來看, 其 7 d 劈裂抗拉強度已達(dá) 3.23MPa,28d 達(dá)到了 4.51MPa。4# 的 7d 抗壓強度已達(dá) 39.7MPa,超過設(shè)計強度 35MPa,符合設(shè)計要求;從劈裂抗拉強度來看,其 7d 劈裂抗拉強度已達(dá) 3.00MPa,28d 達(dá)到了 4.11MPa。從這兩項指標(biāo)來看,1# 和 4# 均滿足設(shè)計要求。
收縮試驗按照 GB∕T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中的試驗方法進(jìn)行。測量混凝土在無外力的作用下,在溫度 (20±2)℃,相對濕度 (60±5)% 的環(huán)境中的收縮值。試驗試件尺寸為 (100×100×515)mm3。試驗齡期分別為 1d、3d、7d、14d 和 28d。試驗結(jié)果見表4。
表4 干縮試驗結(jié)果
從表4 可以看出 4# 的干縮值大于 1#,這是因為加入纖維后,混凝土的塑性收縮受到一定的抑制,總收縮率降低,所以其干縮較小。
面板磨耗層混凝土的早期抗裂性能將根據(jù) GB∕T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,采用平板法進(jìn)行測試。試件尺寸為 (800×600×100)mm3,試驗?zāi)>咭妶D1。
圖1 混凝土早期抗裂試驗?zāi)>?/p>
在環(huán)境溫度為 (20±1)℃、相對濕度為 (60±5)%條件下,進(jìn)行混凝土的澆筑、振實、抹平過程,成型 30min 后,用風(fēng)扇保持 (5±0.5)m/s 風(fēng)速平行超高橋塔高性能混凝土表面與裂縫誘導(dǎo)器吹向試件;利用 ZBL-F101 裂縫寬度觀測儀測量試件從加水?dāng)嚢杷闫鸬牡?24h 時開裂情況,包括裂縫數(shù)量、裂縫長度和寬度,并記錄混凝土初裂時間。結(jié)果見表5。
表5 抗裂性能
從表5 可以看出,1# 的初裂時間比 4# 長,裂縫最大寬度、平均開裂面積及單位面積上的總開裂面積均小于 4#。一方面是因為加入纖維后,混凝土的塑性收縮受到一定的抑制,總收縮率降低,由此產(chǎn)生的收縮應(yīng)力減小,裂縫產(chǎn)生的驅(qū)動力減小;另一方面是因為,在產(chǎn)生微裂紋之后,由于纖維的亂向分布,可以有效阻止微裂紋的擴展,裂縫需要消耗大量的能量方可突破纖維對其的約束,因此,難以產(chǎn)生對混凝土力學(xué)性能與耐久性能有害的寬裂縫,而只能通過形成數(shù)量更多的對混凝土力學(xué)性能與耐久性能影響更小,甚至可以忽略的細(xì)微裂縫來釋放其收縮應(yīng)力。
2.5.1 抗?jié)B性能
目前用于檢測混凝土抗?jié)B性能的試驗方法主要是快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM 法)和電通量法,本研究將采用 RCM 法對面板磨耗層混凝土進(jìn)行抗?jié)B性能檢測。根據(jù) GB/T 50082—2009 中的規(guī)定,混凝土養(yǎng)護(hù)齡期宜為 28d,也可根據(jù)設(shè)計要求選用 56d 或者 84d 養(yǎng)護(hù)齡期,試件為直徑 (100±1)mm,高度為 (50±2)mm 的圓柱體試件。本研究中試件養(yǎng)護(hù)齡期為 28d,試驗結(jié)果見表6。
由表6 數(shù)據(jù)可以看出,兩組試件 28d 氯離子遷移系數(shù)均介于 1.5×10-12~2.5×10-12m2/s 之間,抗?jié)B等級達(dá)到 RCM-Ⅳ 級,抗?jié)B性能良好。通過密實骨架堆積方法進(jìn)行最緊密設(shè)計,使粗細(xì)集料和粉料之間實現(xiàn)最緊密堆積,同時通過摻加粉煤灰,充分利用其微集料效應(yīng)與火山灰效應(yīng),細(xì)化混凝土的孔結(jié)構(gòu),降低孔隙率,提高其密實程度。從而可以有效阻斷 Cl-的滲透,提高混凝土的抗 Cl-滲透性能。
表6 混凝土氯離子遷移系數(shù)測試結(jié)果
2.5.2 抗硫酸鹽侵蝕性能
當(dāng)混凝土服役環(huán)境中硫酸鹽的濃度較大時,硫酸鹽離子將滲透到水泥石內(nèi)部與一些固相成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成難溶的鹽類礦物,這些鹽類礦物一方面可以形成鈣礬石、石膏等膨脹性產(chǎn)物而導(dǎo)致混凝土發(fā)生膨脹、開裂和剝落病害,另一方面也將使硬化水泥石中的 Ca(OH)2和水化硅酸鈣等組分溶出或分解,混凝土強度損失,造成混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞。
本研究采用干濕循環(huán)法評定混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能,以混凝土能夠經(jīng)受的最大干濕循環(huán)次數(shù)來表示混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。試驗結(jié)果見表7。
表7 混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能
從表7 結(jié)果可以看出,4# 較 1# 具有更加良好的抗硫酸鹽侵蝕性能,2# 摻加粉煤灰,提高了混凝土密實度,增加了 SO42-向混凝土內(nèi)部擴散的難度;其次,因為硫酸鹽侵蝕是水泥水化產(chǎn)物中的水化鋁酸三鈣及 Ca(OH)2和 SO42-反應(yīng),當(dāng)用粉煤灰取代部分水泥后,降低了水泥石中 C3A 的含量,減少了鈣礬石生成量。再者,摻入粉煤灰后,其二次水化反應(yīng)將消耗部分 Ca(OH)2,水泥石中的 Ca(OH)2濃度降低,因此降低了 AFt 形成的可能性。最后,由于二次反應(yīng)消耗了大量的 Ca(OH)2,水泥石中 Ca(OH)2減少,毛細(xì)孔中液相石灰濃度降低,使石膏型侵蝕受阻,即使在 SO42-濃度很高時,石膏結(jié)晶的數(shù)量也非常有限。
2.6.1 面板磨耗層水化產(chǎn)物物相分析
圖2 和圖3 分別為 1# 和 4# 在不同齡期的 XRD 圖譜,由圖2 可以看出,兩種混凝土在各齡期的水化產(chǎn)物大致相同,基本都由 Ca(OH)2、AFt、CaCO3等組成,同時還有部分尚未參與反應(yīng)的 C3S 等水泥礦物。對比圖2 中兩組 XRD 圖譜,在相同齡期下,4# 混凝土的水化產(chǎn)物中,Ca(OH)2、AFt 及 CaCO3生成量均高于 1# 混凝土,而 C3S 的含量則明顯小于普通 C60 自密實混凝土,說明 4# 混凝土中水泥及其他礦物摻合料的水化程度要高于 1# 混凝土。再者,對比兩圖中的 1# 混凝土圖譜可以發(fā)現(xiàn),隨著水化齡期的延長,混凝土中的 AFt 生成量逐漸增加,在水化后期仍然有較多的鈣礬石生成,對混凝土長期收縮起到補償?shù)淖饔?,降低混凝土收縮,減小收縮裂縫產(chǎn)生的可能性,提高混凝土耐久性。
圖2 7d 齡期不同混凝土的 XRD 圖譜
圖3 28d 齡期不同混凝土的 XRD 圖譜
2.6.2 面板磨耗層混凝土微結(jié)構(gòu)研究
通過 SEM 測試手段,研究 28d 齡期兩種混凝土不同部位的微觀形貌特征,詳見圖4 和圖5。圖4 對比了漿體的密實程度,圖5 對比了鈣礬石的生成情況。
圖4 不同混凝土 28d 齡期 SEM 圖譜 1
圖5 不同混凝土 28d 齡期 SEM 圖譜 2
從圖4 可以看出,相較于 1# 混凝土,由于 4# 混凝土中采用摻加了粉煤灰,充分利用火山灰效應(yīng),提高漿體密實度,促進(jìn)了水泥的水化,提高了其水化程度,也使得水化產(chǎn)物 C-S-H 凝膠的致密性更高,孔隙率明顯低于 1# 混凝土。
而圖5 中可以看出,1# 混凝土的孔隙中也有部分鈣礬石生成,但是其生成量明顯不如 4# 混凝土,在 1#混凝土中,鈣礬石對孔隙的填充明顯低于 4# 混凝土,可見鈣礬石的生成在一定程度上降低了混凝土孔隙率,減少了混凝土中大孔的數(shù)量,改善了混凝土的空隙結(jié)構(gòu),進(jìn)而提高其耐久性。
混凝土為自拌,直接運送至施工現(xiàn)場泵送。為滿足施工質(zhì)量實際要求,磨耗層混凝土采用泵送,坍落度控制在 120~160mm。為了優(yōu)化磨耗層的施工方法,共設(shè)計三種方案(表8),并做試驗段,選取裂紋控制良好,工程成本較低為最終施工方案。
表8 施工方案
方案一現(xiàn)澆面板和磨耗層分層施工,兩者施工間隔時間為≥7 天,僅磨耗層添加聚乙烯醇纖維和仿鋼纖維。方案二施工工藝與方案一相同,唯一區(qū)別是現(xiàn)澆面板和磨耗層的施工間隔時間從≥7 天改為≤2 天。方案三現(xiàn)澆面板和磨耗層同時施工,需全部摻入聚乙烯醇纖維+仿鋼纖維,施工方法與方案一基本相同(現(xiàn)澆面板鋼筋網(wǎng)保護(hù)層按 5cm 控制,面板保護(hù)層+磨耗層素混凝土厚度共計 10~13cm)。
試驗塊澆注完成并在 60d 齡期內(nèi),未發(fā)現(xiàn)有可直接目測的裂紋(檢查方法為水濕潤后待干觀察)。其中,方案一磨耗層在施工完成 2 個月后就陸續(xù)開始出現(xiàn)微細(xì)裂紋,1~2 周內(nèi)發(fā)展到 4 條長 20~50cm、寬度≤0.2mm、深度≤5mm 的微細(xì)裂紋,之后不再發(fā)展。此方案未達(dá)到試驗效果,不建議使用。
方案二施工完成 100 天內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋。此方案施工工藝較為復(fù)雜,但成本較低。方案三施工完成 100 天內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂紋。此方案施工工藝最為成熟,但成本較高。綜合各方面因素,推薦使用方案二進(jìn)行施工。
針對中山港碼頭磨耗層開裂的技術(shù)難題并結(jié)合本工程特點,通過采用高性能混凝土并摻入纖維的技術(shù)措施,解決了磨耗層混凝土易開裂的技術(shù)難題,設(shè)計制備出工作性能、收縮性能、抗開裂性能符合要求的高性能混凝土,并通過典型施工驗證,推薦使用方案二進(jìn)行施工,即現(xiàn)澆面板和磨耗層分層施工,兩者施工間隔時間為≤2 天,僅磨耗層添加聚乙烯醇纖維和仿鋼纖維。