高強(qiáng)輕骨料混凝土在橋梁工程應(yīng)用中的一些問題

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

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)輕骨料混凝土；橋梁工程；收縮；徐變；耐久性；泵送；經(jīng)濟(jì)性

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

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

一． 收縮和徐變

　　在橋梁結(jié)構(gòu)中一般都采用預(yù)應(yīng)力，高強(qiáng)輕骨料混凝土的收縮徐變是工程師最關(guān)心的一個(gè)問題。收縮和徐變會(huì)造成預(yù)應(yīng)力損失，如果對(duì)收縮和徐變值計(jì)算不準(zhǔn)，將會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生比較大的影響。

　　高強(qiáng)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(jí)普通混凝土的低。根據(jù)Smeplass的研究，水灰比在0.32~0.43的CL60~CL90的高強(qiáng)輕骨料混凝土的彈性模量比同強(qiáng)度普通混凝土的低20~30%[4]。

　　高強(qiáng)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(qiáng)度普通混凝土的大。徐變隨混凝土強(qiáng)度增加而降低。由于低彈性模量產(chǎn)生較大的彈性應(yīng)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(nèi)外規(guī)范對(duì)收縮徐變的規(guī)定仍然基于普通強(qiáng)度輕骨料混凝土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，ACI 213R-87對(duì)輕骨料混凝土收縮的取值建議只覆蓋到最高圓柱體強(qiáng)度為45.5MPa的輕骨料混凝土，而且其建議取值范圍很寬（600~1000με）[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(jié)果[7]。

　　國內(nèi)外規(guī)范對(duì)收縮徐變終值或計(jì)算公式的意見不一致，美國預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)會(huì)（PCI）1992年版的設(shè)計(jì)手冊(cè)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(biāo)準(zhǔn)NS3473和2001年發(fā)布的最新歐洲混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（征求意見稿）[9]中對(duì)干表觀密度大于1800 kg/m3的輕骨料混凝土徐變系數(shù)的取值為普通混凝土數(shù)值乘以系數(shù)(ρ/2400)2；對(duì)干表觀密度小于1500 kg/m3的輕骨料混凝土徐變系數(shù)的取值為普通混凝土數(shù)值乘以系數(shù)1.3×(ρ/2400)2。

　　我國《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》2001年修訂稿中關(guān)于收縮徐變及其影響因素的影響系數(shù)的取值仍然基于80年代所做的CL20~CL30混凝土試驗(yàn)結(jié)果，仍然采用了《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-90 規(guī)定的收縮和徐變值。但是我國CL40級(jí)高強(qiáng)輕骨料混凝土一年后實(shí)測(cè)的徐變系數(shù)為1.0～1.5[10]，而根據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》JGJ51-90給出的強(qiáng)度等級(jí)CL20~CL30的公式計(jì)算出的徐變系數(shù)為2.083，實(shí)測(cè)值與規(guī)程給出的計(jì)算值相差比較大；CL40級(jí)高強(qiáng)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(jù)CEB/FIB(1977)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)查，相同強(qiáng)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(qiáng)度混凝土的典型值（6.5~9.0×10-5/MPa）[11]。

　　美國預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)（PCI）設(shè)計(jì)手冊(cè)（1992）進(jìn)行輕骨料混凝土和普通混凝土對(duì)比后建議了一個(gè)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(yù)應(yīng)力損失范圍207-379MPa，普通混凝土的損失范圍172-345MPa[8]。

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土在橋梁工程得到了廣泛應(yīng)用，但也有少數(shù)橋梁因?yàn)槭湛s和徐變出現(xiàn)過問題。美國1978年完工的、當(dāng)時(shí)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(jié)果表明，實(shí)測(cè)的徐變比按照PCI或者ACI 209[13]公式的計(jì)算值大30%。其原因主要有三方面：一是在設(shè)計(jì)和施工中采用了密封條件下測(cè)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(jì)算模型誤差偏大；三是開裂加重了徐變。

　　歐洲最近關(guān)于輕骨料混凝土的一個(gè)綜合研究項(xiàng)目EuroLightCon的綜述報(bào)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(jié)構(gòu)不同、預(yù)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(shí)間的發(fā)展，而造成收縮和徐變預(yù)測(cè)上的困難。因此對(duì)高強(qiáng)輕骨料混凝土的收縮徐變除進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)外，根據(jù)收縮和徐變實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立預(yù)測(cè)模型，比較產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失與普通混凝土的差異，建立計(jì)算方法，從而為工程應(yīng)用提供可靠的依據(jù)。

二． 耐久性

　　工程師擔(dān)心的另一個(gè)問題就是高強(qiáng)輕骨料混凝土的耐久性。高強(qiáng)輕骨料混凝土的耐久性與下面幾個(gè)因素有關(guān)：滲透性、鋼筋銹蝕、凍融性、耐磨性以及堿骨料反應(yīng)等。

1. 滲透性

　　高強(qiáng)輕骨料混凝土在高強(qiáng)輕骨料表面覆蓋非常密實(shí)的水泥漿，這層水泥漿提高抗?jié)B透的能力[15]。由于高強(qiáng)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(huì)造成應(yīng)力集中，應(yīng)力分布均勻，減少了內(nèi)部裂縫，提高了抗?jié)B透的能力

2. 鋼筋銹蝕

　　高強(qiáng)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(qiáng)輕骨料混凝土的氯離子的抵抗性比具有相同強(qiáng)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(nèi)部孔隙較大且多數(shù)不相互連接，因此輕混凝土具有較好的凍融耐久性。挪威關(guān)于高強(qiáng)輕骨料混凝土和普通混凝土的抗凍抵抗性的調(diào)查表明，在即使沒有引氣的情況下，高強(qiáng)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(bào)導(dǎo)的試驗(yàn)結(jié)果表明，30Mpa引氣輕混凝土經(jīng)300次水中凍融循環(huán)，9種試驗(yàn)過的骨料有5種表現(xiàn)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(duì)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(huì)降低混凝土耐久性，但試驗(yàn)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(xué)進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)計(jì)劃，確定用8個(gè)膨脹頁巖骨料生產(chǎn)者的骨料配制的輕骨料混凝土凍融耐久性，其結(jié)果由膨脹頁巖、粘土及板巖協(xié)會(huì)報(bào)導(dǎo)[19]。它證實(shí)引氣結(jié)構(gòu)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(shí)(24h吸水后或24h吸水期2/3后)骨料含水量對(duì)混凝土耐久性無顯著影響。

　　清華大學(xué)郭玉順等進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，高強(qiáng)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(shù)均在0.8以上。引氣高強(qiáng)輕骨料混凝土的抗凍融性能與同強(qiáng)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(qiáng)輕骨料混凝土的耐磨性比普通混凝土差。雖然實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(qiáng)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(yīng)

　　用膨脹粘土、頁巖等生產(chǎn)的高強(qiáng)輕骨料具有較低的堿骨料反應(yīng)或者幾乎沒有反應(yīng)。但是如果這些高強(qiáng)輕骨料和?