威海某跨海大桥应用透水模板施工的试验探讨--江苏新大高空工程有限公司

摘要:通过表面外观的观察、用回弹法测量表面强度、测定非稳态氯离子扩散系数等方法,对比评价了普通模板与透水模板的使用效果。试验表明,使用透水模板的混凝土的外观、表层强度、抗氯离子渗透能力均有改善,其中掺有粉煤灰、矿渣掺合料的混凝土的改善更加明显。这主要是透水模板的渗水、透气、保水养护作用的结果。在试验的基础上,列举了国内使用透水模板重大工程的应用效果,并结合威海长会口跨海大桥所处的寒冷海洋气候环境及使用大掺量掺合料等因素,提出使用透水模板的必要性和建议,以满足大桥达到100年的设计寿命要求。
关键词:透水模板;外观;表层强度;氯离子扩散系数;跨海大桥
0前言
透水模板是指在传统模板内侧粘附具有渗水、透气、养护的多功能塑料或合成纤维编织布组成的模板。混凝土浇筑后,内部水分在重力等作用下向侧面、表面移动,水泥颗粒也被带动着向外移动。但由于模板布对水泥颗粒的阻挡,水泥颗粒停留在表面而多余的水分与气泡则通过模板布被排出。排出的水分在模板布内蒸发,流失前则会形成保水带对表层混凝土有很好的保温、湿养护作用。这样混凝土由内部向表层的实际水灰比将下降,最终在表层形成非常致密的水泥浆体硬化层,构筑物表层混凝土的强度、密实度、耐磨性等得以提高。由于排出的水分与气泡来源于内部,混凝土内部的强度与密实度也普遍有所提高,从而使恶劣环境中的有害气体、离子就难以渗入混凝土内部,混凝土的抗渗、抗冻、抗碳化以及抗钢筋锈蚀性得以改善。
透水模板在日本应用已有十多年的历史。它在欧洲一些国家和地区的重要构筑物,如码头、机场、桥梁等也得到了广泛采用。我国在深圳盐田港二期、三期集装箱码头工程,杭州湾跨海大桥工程、东海大桥工程中均应用了透水模板。
即将建设的威海长会口跨海湾公路大桥亦拟采用透水模板建造。为此,我们进行了一系列验证性试验研究,在此基础上论证了该工程采用透水模板的可行性及必要性。
1试验研究方法
1.1试验原材料
(1)水泥:42.5级普通硅酸盐水泥,其28d抗压强度为47.3MPa。
(2)细集料:湘江河砂,中砂,细度模数2.7,Ⅱ区级配。
(3)粗集料:长沙市郊5～25mm石灰石碎石,压碎指标为7.8%。
(4)掺合料:粉煤灰(FA)为湘潭电厂Ⅰ级粉煤灰,烧失量3.5%,比表面积5400cm2/g;磨细矿渣(Sg)为萍乡钢铁厂产,比表面积4200cm2/g,烧失量3.5%。
(5)高效减水剂:上海产聚羧酸盐高效减水剂。
(6)模板:普通模板指木质模板,透水模板指木质模板上粘贴渗水透气养护多功能模板布。为加快混凝土表面气泡和水分的排除,在木模板上钻孔、开槽。孔径为5 mm,间距100 mm;模板内表面纵横开槽,槽深2mm,槽宽3mm,槽间距40mm。按照模板尺寸,每边多预留约5cm裁剪模板布,以便更好排水。
1.2试验方法
1.2.1表面外观对比试验
对比观察普通模板与透水模板所成型混凝土表面的砂眼、气孔、裂缝、颜色、平整度等情况。定性评价透水模板对混凝土表面的密实度与质量的影响。
1.2.2回弹仪测定混凝土表层强度
分别用普通模板、透水模板成型同配比的混凝土。试件尺寸为:40cm(长)×30cm(高)×20cm(厚)。浇筑后于第3d拆除模板,当试件龄期分别为3d、7d、28d时,对混凝土表面进行回弹值测定。回弹分正反面,每个面又分1、2两个区域,每一区域16个回弹点。回弹测试后将每区16个数据中剔除3个最大值和3个最小值,然后将余下的10个回弹值取平均值,将四个区域的平均值再平均并按照测区混凝土回弹-强度换算表换算为混凝土表面抗压强度。
1.2.3非稳态氯离子迁移渗透试验
用两种模板成型15cm×15cm×30cm试件,钻芯取直径&100mm±1mm,高度h=50mm±2mm的圆柱体。为评价透水模板对混凝土表面抗渗性的影响,芯样上表面(圆)为与模板接触面,并用砂布磨平即可。混凝土龄期为56d时用NT BUILD 492仪对混凝土的非稳态氯离子迁移性进行测试。测试前,将试件真空处理3h,浸入饱和石灰水后继续保持1h真空。然后试件继续在溶液中浸泡18h±2h。阴极为质量分数10%的NaCl溶液,阳极溶液0.3mol/dm3的NaOH溶液。试件外表面浸在阴极溶液。试验保持在20～25℃。通电测初时电流以确定测试电压及持续通电时间。通电结束,用自来水冲洗试件,轴向劈开后,喷0.1mol/dm3的AgNO3溶液。约15min后白色AgCl在劈裂面可见时,从中间至两边按间隔10mm共测量7个渗透深度,精确到0.1mm。根据简化公式,计算氯离子迁移渗透系数。
2试验结果讨论
2.1外观对比
混凝土浇筑3d后拆模的表面情况。可明显看出,混凝土表层气泡多,不密实,平整度差;混凝土表层密实,美观,颜色均匀,平整度好,无孔洞没有气泡和裂缝。因此透水模板对改善混凝土表层外观质量非常有效。这主要是透水模板的渗水、透气、保水养护作用杜绝了混凝土表面气泡和裂缝的产生,而且密实性的提高,可限制化学侵蚀物质渗入对混凝土产生的破坏。由于没有气泡和裂缝,细菌与藻类的生长减少。这对海洋环境中的混凝土构筑物尤其有益。
2.2回弹测混凝土表面强度试验结果
本试验混凝土水胶比为0.42,砂率39%,胶凝材料用量430kg/m3。为同时得到透水模板对掺加掺合料与不掺加掺合料混凝土表面强度的影响,还用25%粉煤灰(FA)、40%矿渣(Sg)分别等量取代水泥进行了平行试验。各组试验的回弹仪检测结果。透水模板提高了混凝土表层强度,相对强度增长量都在12%以上。这主要是模板布的渗水、透气通道使得混凝土由内部向表层的实际水灰比下降,密实度提高所致。试验还发现,使用透水模板时,掺加掺合料的混凝土表层强度的提高值无论是在早期3d、7d,还是后期28d,都大于不掺加掺合料的混凝土。这说明透水模板对于掺加掺合料混凝土的强度增长尤其有利。与普通模板相比,透水模板布早期有水分透过,透过的水分在蒸发、流失前在表层形成保水带,从而可对掺合料混凝土构成良好的养护条件。
2.3氯离子迁移渗透试验结果
试验所用水胶比为0.32,胶凝材料用量为480kg/m3。测试时混凝土龄期为56d,结果见表2。透水模板由于提高了表层混凝土密实度和抗渗性,使混凝土抗氯离子扩散系数相对减小20%以上。其中掺加掺合料的混凝土相对减小值都大于不掺加掺合料的混凝土10%以上。这说明透水模板对于加掺合料混凝土的抗渗性的提高尤其有利,这一趋势同透水模板对表层强度的影响相同。其原因同样是透水模板对混凝土的渗水、透气、保温、湿养护作用。
3透水模板在已竣工工程的应用效果
3.1透水模板在杭州湾大桥、东海大桥的应用
透水模板在杭州湾大桥桥墩部位的应用。工程实践表明,透水模板大大改善了混凝土外观质量,提高了混凝土表面的抗裂性、抗渗性和耐久性。
杭州湾大桥、东海大桥地处复杂的海洋环境,海水中富含的氯盐,对混凝土结构物具有强腐蚀性。大桥设计使用寿命为100年。使用透水模板布后,通过现场观察,墩身混凝土形成亚光表面,色泽更均匀,表层更致密、坚实,无砂眼、水线、气泡、花纹,也无漏浆现象。使用透水模板布所浇筑的墩身混凝土外观效果。
3.2透水模板在深圳盐口港区的应用
深圳盐口港区三期工程所有码头的临水面均使用透水模板以改善码头的外观质量和提高其耐久性。使用透水模板后,混凝土构件表面平整度好,致密均匀,色调一致,无砂线、砂斑、蜂窝孔、大气孔等缺陷。在泊位验收中,现场混凝土取样检测耐久性合格率为100%,码头的外观质量获得95分以上的高分;赢得了业主、监理的一致好评。
4威海长会口大桥使用透水模板的必要性
威海长会口跨海湾大桥是预应力混凝土双塔双索面斜拉桥,采用“H”型桥塔,全长2020m。与东海大桥、杭州湾大桥、深圳盐口港区相比,威海长会口大桥所处的环境更加恶劣。除受海水腐蚀外,由于所处纬度较高,还受到北方寒冷气流、含盐海风等严酷气候的影响。实践表明,海水腐蚀、冻融循环、海风、海浪的复合极大地增强了破坏作用,尤其表现在浪溅区、水位变动区,这些区域是控制构筑物使用寿命的关键。据调查,我国北方几乎所有的码头都有不同程度的冰冻破坏,足可见海水侵蚀与冻融循环的共同破坏危害之大。如不采取特殊措施,构筑物往往因这些部位的破坏而达不到设计的使用年限,提早发生破坏。而透水模板的使用无论从大掺量矿物掺合料高性能混凝土的早期养护、强度发展还是耐久性方面都是非常有意义的。长会口大桥地区最冷月出现在一月,平均气温-3.3℃,极端最低温度-25.5℃。因此需要在配置混凝土时掺加引气剂增强抗冻能力(这是东海大桥、杭州湾大桥、深圳盐口港区所不需要的),而引气剂引入的气泡会对强度造成很大影响。引气混凝土浇筑后,部分引入的气泡会聚集到混凝土表面,如果得不到及时的释放,硬化后表面会形成很多气孔与裂缝,对强度和抗渗性都很不利。而透水模板的一个重要作用就是及时排除气泡,增加混凝土的密实性。
长会口所处海域海水较浑浊,含泥沙量大,对水位变动区附近的承台、桥墩的冲刷大。而透水模板可提高混凝土表面强度和耐磨性,从而增加大桥耐海水冲蚀的能力。另外,长会口大桥设计要求一些部位的混凝土外表需涂刷涂层保护。涂前一个必要的操作就是表面处理———修补混凝土表面的气泡、微裂缝等明显缺陷,清除碎屑、灰浆、油污、粉尘等。而采用透水模板时几乎不需做任何处理,就可以满足喷涂要求,从而减少表面处理的工期和造价。同时,大桥表面平整美观,色泽均匀,更增加了大桥的美感。
通过以上的比较,威海长会口大桥使用透水模板,较前述三个工程将更能充分发挥其渗水、透气、保温、湿养护的优势。
5结论
虽然使用透水模板将增加成本,但相比其提高的混凝土性能来讲,仍是改善混凝土性能的一种经济实用的方法,效果效益显著。而根据威海长会口大桥的工程特点、所处的气候环境以及100年的设计寿命要求欲保证其长期耐久性和控制其后期维修费用,推荐采用透水模板。