名侦探柯南悲伤插曲:高性能混凝土在中等跨径桥梁结构中的应用

68 Building Scientific Technology and Management August 2010
高性能混凝土在中等跨径桥梁结构中的应用
赵光明
(新乡市市郊公路管理处 河南 新乡453000)
【摘要】本文通过对中等跨径桥梁结构上应用的高强预应力混凝土空心板类型的选择、原材料的性能分析和控制、配合比的设计及应用
分析、社会经济效益分析等做了较全面的论述。
【关键词】高性能混凝土；空心板类型；配台比设计；效益分析
Application of hiigh performance concrete in span bridge structure
Zhao Guang—ruing
(Xinxiang City Suburb Highway Administration Xinxiang Henan 453000)
【Abstract】Through application of medium—span bridge structures of high strength prestressed concrete hollow slab type selection，performance anal_
ysis and control of raw materials，mix design and application analysis，social and economic benefits analysis to do a more complete discussion．
【Key words】High—performance concrete；Hollow plate type；Mix design；Benefit analysis
1．前言
目前公路桥梁预应力混凝土结构施工中为获取高性能的混凝土，
采用依靠掺用外加剂和活性矿物材料，使拌和料具有良好的工作度，并
在硬化后具有高强度性能的水泥混凝土，在桥梁施工中变为常用的技
术手段。由于高强度混凝土具有耐久、强度高、徐变小等特点，所以应
用于桥梁结构能有效降低了结构自重和结构高度，增加了结构物的内
力臂、结构刚度和桥梁跨度，对增加结构的耐久性和使用寿命，降低维
修费用起到了重要作用。高性能混凝土一般具有和易性好和早强的性
能，因而便于浇筑和加快模板周转速度，所以推广应用高强混凝土日益
显得重要。对16m、20m跨径的预应力混凝土桥梁广泛推广应用了
C60高强混凝土，并取得显著的技术经济效益。
2 水泥混凝土原材料的技术要求
原材料的技术性能与质量是配制高性能混凝土的关键，对原材料
的技术要求为：
2．1 水泥质量。水泥是混凝土混合料中的胶结材料，高性能混凝
土对水泥标号一般不低于52．5号，质量稳定的52．5级硅酸盐水泥和
普通硅酸盐水泥均能满足C60混凝土生产要求，但由于水泥c，A 对
混凝土的流动性和水化热有不良影响，其含量应低，另外，水泥中游离
的CaO、MgO和s0 等有害成分要尽量减少。
2．2 粗集料质量。粗集料的性能对高强度混凝土的抗压强度和
弹性模量起到决定性的作用，对于密级配和级配良好的粗集料来说，最
大粒径越大，所有粗集料堆积后的空隙体积越小，因而能够节约水泥
浆，对于强度变形都有利，并且拌料的工作度也比较好。但是，粗集料
的颗粒太大时，颗粒本身的强度会因内部缺陷而降低，对混凝土的性能
产生不利影响，因此，粗集料的级配粒径、含泥量和针片状颗粒含量均
要符合限值要求。
2．3 细集料质量。相对于粗集料来说，细集料的影响较小些，但
它同样关系到高强混凝土的质量。如果细集料级配的细度模数小于
2．6偏细，则配制高强混凝土的需水量要增加，同样，细集料的含泥量
和泥块含量也会加大用水量和外加剂用水量，加大混凝土干缩，降低混
凝土的耐久性和强度，所以应用于高强混凝土的细集料的细度模数、含
泥量和泥块含量均要符合限值要求。
2．4 混凝土外加剂。高效减水剂是配制高强混凝土不可或缺的
成分，使用性能良好的高效减水剂可起到减少用水量、增强水泥活性和
水化作用、增大混凝土坍落度及减少混凝土坍落度的损失、延长混凝土
初凝时间等作用，而且它还能提高混凝土的强度和抗渗性，但是，如果
用量过多，则会损害混凝土的耐久性，如加快混凝土碳化速度和钢筋的
锈蚀速度，所以工程中根据不同减水剂的特性由试验来确定它的掺量，
使它既起到减水剂增强效果，又能够保证高强混凝土的使用质量。
3．预应力空心板梁的截面要求
预应力混凝土空心板具有上部结构建筑高度低、预制施工简单、易
实现标准化和工厂化施工、产品质量可靠、造价低、施工吊装设备容易
解决等优点，是中小跨桥梁设计的首选对象。空心板的截面形式多种
多样，有大孔板、圆孔板、双拱门式空心板等多种形式，不同的截面形式
各有各的优点。大孔板有挖空率高、重量轻等优点，芯模制作虽说较为
复杂，一般需采用钢芯模，但与胶囊芯模相比，使用钢芯模制作的空心
板质量保证率系数更高，不会出现胶囊芯模不易固定、周转次数多影响
空心板质量等问题，缺点是顶板必须配置横向受力钢筋以承担车轮荷
载、顶板底面不易控制等。圆孔板适宜采用胶囊芯模，制作工艺简单，
能适应不同板厚的空心板，但挖空率小，自重较大，工程质量不易控制，
经济效益较低。
实际工程中，预应力混凝土空心桥面板宽常见的有1．0m、1．2m、
1．5m等几种，不同的板宽有各自的优点。装配式桥面空心板的刚度是
桥梁的重要技术参数，由计算刚度参数计算公式可知：对于相同高度的
桥而空心板，桥面越宽，计算刚度越大，荷载的横向分布系数也就越大；
荷载的横向分布系数越大，横向各板受力的均匀性、协调性能越好，考
虑到实际公路桥梁工程施工中吊车起吊能力等因素的影响，空心板又
不宜过宽，因此综合以上考虑，16m和20m预应力混凝土空心板采用
幅宽为1．34m的宽幅大孔板较适宜。
4．高性能混凝土配合比设计
混凝土的配合比设计首先应确定混凝土配制强度相对应的水灰
比，普通混凝土的水灰比一般控制在0．40以下。但C60级以上等级的
混凝土强度，水灰比与其强度的线形关系较差，离散性也较大，因此，对
这种高强混凝土一般要采取一些增密措施。高强混凝土的强度变化规
律与鲍罗米公式相差较远，它的水灰比只能按现有试验资料确定。然
后通过试配予以调整。高强混凝土试配时所用的3个配合比的水灰比
差值不能保持一般的0．05，否则其水灰比将达到不可操作区，而高水
灰比则进入了非高强区，均失去了对高强混凝土的代表性，因此，这一
差值应缩小，但缩小差值后有时3个强度所谓线性关系不易得到反映，
此时，就只能按经验结果凭经验来确定设计水灰比。一般说来，在实验
室配制符合要求的高强混凝土相对比较容易，但是要在整个施工过程
中混凝土都要稳定在要求的质量水平功能上就相对要困难一些，配制
C60级高强混凝土，不需要用特殊的材料，但必须控制本地区所能得到
的原材料的质量，它们除了要有比较好的性能指标外，还必须质量稳
定，即在施工期内主要性能不能有太大变化。结合预应力桥梁混凝土
不同配合比和使用不同性能减水剂的C60高强混凝土进行分析，试配
结果见表1所列。
通过对不同产地的原材料和不同性能的高效减水剂进行试配，均
能配制出C60高强混凝土，而使用减水效果好的减水剂，使用质量稳
定、富裕系数大的水泥和采用较低的水灰比和砂率配制的混凝土富裕
系数更大～些；从表中还可看出：第3、4种配合比减水剂使用的是液体
减水剂，7d强度较高，甚至可达到80MPa，但7d以后强度增幅较小，而
采用粉剂减水剂，7d强度较低．但7d以后强度还有较大的增长空间。
在配制过程中还发现，采用粉剂减水剂，坍落度经时损失少，易于施工
控制；使用液体减水剂，可以配制出坍落度更大的混凝土，坍落度可达
到15～16cm，但坍落度损失快，施工工艺要求较高。使用粉剂减水剂
建筑科技与管理 2010年8月
时，宜使用后掺法，采用二次投料，这样可以减少混凝土坍落度经时损
失，通常40min仅损失2—3em，坍落度还能够保征在11cm左右，而一
次投料掺人粉剂减水剂时，坍落度损失则要快许多，施工难度要更大一
些。
表l 不同配合比高强混凝土试配结果
水泥 细集料 粗集料规格 外加剂 水灰比 砂率 材料用量(Kg／m ) 坍落度(cm) 7d(MPa) 28d(MPa)
孟电牌 Mx：2．65 5—10：l0—20： NFl 一1Ho 0 481：663：1128：
． 36 37％ 13～I5 61．3 72
P．o52．5 辉县产 10—30 高效减水剂 178：4．81
2 李固牌 Mx：2．65 5～l0：l0—20： 建苑FDN一1 O 500：660：1125：
． 32 36％ Il—l6 57．2 69．9
P．o52．5 辉县产 10～3O 高效减水剂 165：5．0
3 李固牌 Mx：2．65 10 ⅢSX—A 491：631：1171：
～ 20 0．32 37％ 10～15 63．9 74．1
P．052．5 辉县产 高效减水剂 157：4．17
4 李固牌 Mx：2．65 5 HISX—A 497：491：1263：
— 26．5 0．3l 29％ lO—I5 80．1 81．2
P 052．5 辉县产 高效减水剂 149：4．47
5 孟电牌 Mx：2．68 5 建苑FDN一1 498：608：l】79：
— 10：10～20 0．33 33％ 10～13 57．1 71．3
P．052．5 山东产 高效减水剂 165：6．474
6 孟电牌 Mx：2．68 5 497：602：1222：
～ 10：10—20 UNF一3C 0．34 34％ 8～l1 52．9 70．5
P．052．5 山东产 169：5．467
表2 预应力空心板截面比较
标号 C50(跨径16m) C60(跨径16m) C60(跨径20m)
板型 双孔板 大孔板 大孔板
挖空率 44．02％ 52．56％ 55．O2％
板高 80cm 80cm 90cm
板宽 99cm 134era 134cm
单跨混凝土数量 186．4m 178．2m
备注 按一跨全幅公路材料计算
5．经济性对比
从公路桥梁使用的跨径16—20m高强预应力混凝土空心板结构
形式可以看出，它具有建筑高度低、挖空率大等优点，和普通预应力空
心板相比，它能耗更少，质量更可靠。下面我们以C60宽幅空心板与普
通预应力空心板，按全幅单跨材料用量进行比较，结果见表2所列。
从上面的对比可以看出：C60混凝土空心板与(350混凝土空心板
高度相同，相对于全幅单孔桥梁来说，它们的横断面积相同，而C60混
凝土空心板的挖空率要大得多，所以材料用量相对会节省一些。另外，
由于C60混凝土空心板的板宽为1．34m，远大于普通C50混凝土空心
板的板宽(0．99m)，所以它的受力性能更好，使用性能也更好。
6．结束语
目前，桥梁结构正在向着低高度、轻型结构发展，高强预应力混凝
土空心板可以有效减轻结构自重，增加承载能力，因此通过高强预应力
混凝土空心板在公路上的推广应用，使高标号混凝土配制生产工艺更
趋于成熟化，使高标号混凝土生产走向普及，为优化空心板梁结构，更
进一步优化桥梁结构，降低结构高度，节省原材料，降低路基填方高度，
节省资源和能源奠定了良好的基础。
参考文献
[1] JTJ041—2000公路桥涵施工技术规范．北京：人民交通出版社，2000．
[2] 中华人民共和国建设部．普通混凝土配合比设计规程．北京：中国建筑工
业出版社，2005．
[3] 路桥施工计算手册．北京：人民交通出版社，2001．
[文章编号]1006—7619(2010)06一l8—565
[作者简介]赵光明(1966一)，男，本科，工程师，从事公路技术工作。
(上接第64页)
的原因。《砌体规范}GBJ3—88的抗裂措施主要有两条。一是第5．3．
1条；对钢筋混凝土屋盖的温度变化和砌体的干缩变形引起的墙体开
裂，可采取设置保温层或隔热层；采用有檩屋盖或瓦材屋盖；控制硅酸
盐砖和砌块出厂到砌筑的时间和防止雨淋。此条未考虑我国幅原辽
阔，不同地区的气候、温度、湿度的巨大差异和相同措施的适应性。二
是第5．3．2条：防止房屋在正常使用条件下，由温差和墙体干缩引起的
墙体竖向裂缝，应在墙体中设置伸缩缝。从规范的温度伸缩缝的最大
问距可见，它主要取决于屋盖或楼盖的类别和有无保温层，而与砌体的
种类、材料和收缩性能等无直接关系。可见，在我国，伸缩缝的作用主
要是防止因建筑物过长在结构中出现竖向裂缝，它一般不能防止由于
钢筋混凝土屋盖的温度变形和砌体的干缩变形引起的墙体裂缝。
由此可见，《砌体规范》的抗裂措施，如温度区袋子面限值，主要是
针对干缩小、块体小的粘土砖砌体结构的，而对于干缩大、块体尺寸比
粘土砖大得多的混凝土砌块和硅酸盐砌体房屋，基本是不适用的。因
为如果按照混凝土砌块、硅酸盐块体砌体的干缩率0．2～0．4mm／m，无
筋砌体的温度区段不能超过10m；对配筋砌体也不能大于30m。针对
这种情况，可采取一些措施：一是在较长的墙上设置控制缝(变形缝)，
其构造既能允许建筑物墙体的伸缩变形，又能隔声和防风雨，当需要随
平面外水平力时，可设置附加钢筋。这种控制缝的间距要比我国规范
的伸缩缝区段小得多。二是在砌体中根据材料的干缩性能，配置一定
数量的抗裂钢筋，或将砌体设计成配筋砌体，既抗裂，又能保证砌体具
有一定的延性。
关于在砌体内配置抗裂钢筋的数量(含钢率)和效果，是普遍比较
关注的问题。因为它涉及到用钢量和造价的增幅问题。而且有的与钢
筋混凝土最小含钢率接近。但是笔者认为，砌体抗裂钢筋应配置在砌
体最易引起裂缝的部分，不必象配筋砌体那样均匀设置，这样可达到既
抗裂又较节省的目的。
4．防止墙体开裂的具体构造措施建议
在综合了国内外砌体结构抗裂研究成果的基础上，结合我国当前
的具体情况，提出更具体的抗裂构造措施。它是对“防”、“放”、具体条
件选择或综合应用。这些措施已纳入国家标准《砌体结构设计规范》
GB50003的有关章节中。
4．1 防止混凝土屋盖的温度变化与砌体的干缩变形引起的墙体
干裂。宜采取下列措施：(1)在屋盖上设置保温层或隔热层；(2)在屋
盖的适当部位设置控制缝，控制缝的间距不宜大于30m，(3)当采用现
浇混凝土挑檐的长度大于12m时，宜设置分隔缝，分隔缝的宽度不应
小于20mm，缝内用弹性油膏嵌缝；(4)建筑物温度伸缩的间距除应满
足《砌体结构设计规范}GBJ3—88第5．3．2条的规定外，宜在建筑物墙
体的适当部位设置控制缝，控制缝的问距不宜大于30mm。
4．2 主要由墙体材料的干缩引起的裂缝的防止措施。
(1)设置控制缝。控制缝的间距：①对有规则洞El外墙不大于6m；
②对无洞墙体不大于8m及墙高的3倍；③在转角部位，控制缝至墙转
角的距离不大于4．5m。
(2)设置灰缝钢筋。
(3)在建筑物墙体中设置配筋带。
[文章编号]1006—7619(2010)08—17—758