桥梁结构混凝土关键技术汇报.pdf

1、桥用混凝土关键技术缪昌文缪昌文东南大学江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省土木建筑学会高性能土木工程材料国家重点实验室2020.9.23 广州东南大学江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省土木建筑学会高性能土木工程材料国家重点实验室2020.9.23 广州2020（第九届）国际桥梁与隧道技术大会（第九届）国际桥梁与隧道技术大会 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司2 2纲 要p 桥梁混凝土性能要求p 关键技术裂缝控制耐久性提升超高性能化p 结语与展望一、桥用混凝土性能要求 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司

2、江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司4 4我国交通工程的发展p 我国铁路、公路总里程位居世界前列高速铁路 截至2019年底，我国高速铁路营业里程达到3.5万公里，世界第一 高速公路总里程约15万公里，世界第一高速公路城市公路交通强国2019年交通运输行业发展统计公报 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司5 5桥梁是交通工程的重要组成部分p 桥梁是跨越水域、山谷及一切交通通道的关键节点梁式桥钢拱桥悬索桥桥梁建设是一个国家科技水平和施工能力的综合展现 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司

3、江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6 6我国桥梁技术发展特点p 跨越式发展是我国桥梁技术进步特征p 我国已经成为全球桥梁大国且具有优势关键技术古代：赵州桥近代：钱塘江大桥现代：北盘江第一桥材料、设计、建造与管养技术实现跨越式创新与突破时间桥梁总数/万座桥梁总长/万公里2007572.32012713.7201987.86.0654%163%桥梁类型主跨世界排名前十中国桥梁数量斜拉桥7悬索桥6拱桥6梁桥6中国公路截止2018.6月统计 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司7 7我国桥梁结构发展对混凝土

4、性能要求桥梁结构发展方向p 超大跨、超水深p 少维护、长寿命p 抗裂性、耐久性混凝土性能要求沪通大桥，主跨1092 m 深中通道，120年设计寿命平潭海峡大桥，水深50 m 港珠澳大桥，120年设计寿命p 大范围、长距离丹昆特大桥，164 KM长 港珠澳大桥，55 KM长 p 工作性、超高强 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司8 8p 分散及保持、粘度及稳定是桥用混凝土工作性的关键技术工作性调控技术初步满足现阶段桥梁工程需求配合比原材料施工条件p 大掺量矿物掺合料p 低胶材用量低水胶比p 机制砂级配不合理p 石粉、含泥

5、量过高p 高温环境p 长距离运输p 远距离泵送分散及保持粘度及稳定关键技术p快分散型聚羧酸分子p 缓控释型聚羧酸分子p 无机颗粒与外加剂降粘p 触变稳健型聚羧酸分子 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司9 9p 桥用混凝土工作性关键技术已在国内外重大工程成功应用工作性调控技术初步满足现阶段桥梁工程需求杭州湾跨海大桥解决关键难题：p50%以上掺量矿粉粘度大p35以上高温流动性保持世界第三跨海大桥孟加拉帕德玛大桥解决关键难题：p纯水泥、40流动性保持p高含量片状骨料和易性佳125.46m世界最长水下钢斜桩贵州平塘特大桥解决关

6、键难题：p机制砂配制C50混凝土垂直泵送328米在建,亚洲第一高塔桥 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司1010桥梁结构对混凝土抗裂性需求迫切p 桥用混凝土开裂问题突出大体积：承台、锚碇变截面：塔座、索塔根部复杂应力：锚固区、横梁等大表体比：箱梁、索塔等温度裂缝表面龟裂 部分结构对混凝土收缩性能要求较高钢管混凝土拱桥钢-混凝土组合索塔技术要求：密封条件下混凝土微膨胀、无收缩 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司1111现代桥梁对耐久性设计与保障提

7、出了高要求p 大型桥梁工程混凝土结构设计使用寿命长（铁路与公路桥涵100 年）p 服役环境因素复杂，腐蚀破坏风险高（荷载作用、钢筋锈蚀、冻融、化学腐蚀等）p 施工环境恶劣（高海拔、大风、海浪、交通不便等），施工质量控制难度大，耐久性保障要求高港珠澳大桥：设计寿命为120年严酷服役环境：干冷、干热、风沙、盐湖、冻融、强紫外线恶劣施工环境：高、风、浪、流等 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司1212超高性能混凝土可解决桥梁病害顽疾问题p 满足桥梁结构超大跨、轻型化的迫切需求C60钢筋混凝土fc=60MPa钢筋增强UHPCf

8、c=180MPa钢筋混凝土结构相对重量2钢结构相对重量UHPC结构相对重量.显著增大桥梁跨度，替代钢箱梁p 桥梁病害顽疾问题突出（梁体开裂，疲劳破坏，长期下挠等）梁体开裂疲劳破坏抗力不足p 显著提升结构设计自由度和发展轻型结构体系创新桥梁结构新形式二、桥用混凝土关键技术裂缝控制 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司1414技术问题之一p 桥梁承台等大体积混凝土温控难度较大某承台监测结果（设置冷却水管）水泥水化速率快、集中放热 冷却水管降温效果有限放热更为集中p 外约束、外荷载下开裂问题突出 收缩：温缩和自收缩叠加C50混

9、凝土绝热温升：50；自收缩200约束：先浇部分对后浇部分约束外荷载：竖向轴力、弯矩0244872960.00.61.21.82.43.0 REF-III开裂风险/时间/d02468100.00.61.21.82.43.0 LQSG-BW-III HME-LQSG-BW-III开裂风险/=1.0=0.7开裂风险系数（拉应力/抗拉强度）可达到2以上下塔柱横梁 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司1515技术问题之二p 桥梁施工难以正常养护，混凝土干燥收缩开裂现象普遍混凝土分层/分节施工泌水速率泌水速率15年关键技术之一：低聚

10、物硅氧烷p 技术原理与技术特点显著降低混凝土吸水率，提升混凝土抗介质渗透性能用途：浪溅区以上干湿位置防护（墩柱、箱梁）降低水分吸收90%以上 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司4545 软硬结合 力学性能优异 高结晶性优异的耐腐蚀性 喷涂施工，快速高效关键技术之一：喷涂聚脲弹性体p 技术原理与技术特点实现潮湿基面混凝土的强粘结与抗海浪冲刷用途：浪溅区及潮差区重腐蚀位置防护（承台、塔座等）微观结构（硬段刚性、软段柔性）东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有

11、限公司46香港青马大桥金山港大桥聚硅氧烷胶州湾跨海大桥旧金山San Mateo大桥喷涂聚脲改性硅酸盐罗布林大桥马克吐温大桥关键技术之一：典型工程应用 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司47p 技术原理与特点 细化毛细孔径，降低毛细孔连通性，提高密实度 堵孔与憎水复合作用p 作用效果不增大混凝土的干燥收缩值关键技术之二：侵蚀离子传输抑制剂显著降低混凝土的吸水率氯离子扩散系数显著减小憎水堵孔作用机理 掺量 吸水率 降低率20 kg/m3 0.84%56.70%30 kg/m3 0.76%60.82%40 kg/m3 0.6

12、4%67.01%东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司48侵蚀离子传输抑制剂在桥梁工程中得到应用，显著提升了混凝土的抗介质侵蚀能力虎门二桥通明海特大桥关键技术之二：典型工程应用 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司4949关键技术之三：掺入型有机阻锈剂p 技术原理 有机分子膜 隔离氯离子、O2 抑制钢筋钝化膜溶解p 技术特点 掺入新建结构混凝土拌合物，预防护 两极保护，同时保护阴极和阳极，无机盐型阻锈剂只保护阳极预防护 东南大学东南大学东南大学 江苏

13、省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司5050关键技术之三：自迁移型有机阻锈剂p 技术原理p 技术特点已锈蚀钢筋反应速率下降50%涂覆前涂覆7d后涂覆30d后涂覆60d后0.00.51.01.52.0腐蚀电流 A/cm2迁移到混凝土内部降低钢筋腐蚀电流0M0.038M已锈蚀钢筋表面修复 通过毛细吸附、气相扩散等定向迁移 取代吸附点蚀坑内的Cl-、H+、抑制点蚀发展 高效自迁移，可实现已建结构无损防护与修复 多吸附中心，竞争性取代吸附的Cl-、降低腐蚀速率，延长结构寿命修复 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公

14、司江苏省建筑科学研究院有限公司51p 技术原理与特点p 作用效果迁移速率提升8倍有效抑制了钢筋锈蚀 电场作用加速阻锈剂迁移 增强钢筋表面碱性 能与电化学除氯协同应用048121620012345C/mMt/(d)comp.a 通电 comp.b 通电 comp.c 通电 comp.a 不通电 comp.b 不通电 comp.c 不通电020k40k60k80k 100k 120k 140k020k40k60k80k100k120k140k-Zi/(cm2)comp.b-4C comp.d-8C comp.e-12CZr/(cm2)单向电渗关键技术之三：电迁移型有机阻锈剂2020IBTC 东南大

15、学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司52崇启大桥莫桑比克马普托跨海大桥贵广高铁思贤窖特大桥田湾核电 钢筋阻锈剂在国内外桥梁、核电工程中得到应用 满足了重点工程对耐久性的高要求关键技术之三：典型工程应用飞云江大桥二、桥用混凝土关键技术超高性能混凝土 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司5454超高性能混凝土p简称UHPC（Ultra-high Performance Concrete）p一种超级混凝土：抗压强度大于150MPa，抗拉强度大于7MPa0246

16、810120.00.61.21.82.43.0 Tensile strength/MPaElongation/mm6050403020100Tensile load/kN1.0Tensile displacement/mm0.80.60.40.20超高韧性超高力学性能超高耐久性利用UHPC的技术优势，实现材料与结构优势互补，构建与之相匹配的桥梁结构新体系 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司5555桥梁工程应用情况p 截止2016年6月，已有超过100座采用或部分采用UHPC的桥梁在超过15个国家中建造（不完全统计）各国

17、UHPC桥梁应用数量统计国外UHPC桥梁数量统计 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司5656技术问题问题1：极低水胶比混凝土粘度大、静态经时损失快问题2：混凝土强度等级要求高问题3：极低水胶比混凝土收缩大，开裂风险高粘度大强度与韧性难匹配开裂风险高制备工艺苛刻 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司5757关键技术之一：高流态p 多种功能外加剂综合作用实现UHPC高流态150MPa超高强混凝土泵送施工降粘组份提高颗粒表面吸附量高保坍作用延长颗粒表面

18、作用时间解决了超高性能混凝土流动性差、粘度高、静置流动性损失大的难题,实现现场规模化应用高减水作用快速吸附颗粒表面快速吸附缓慢释放掺合料作用滚珠效应、填充效应、吸附效应低外加剂掺量、高吸附量颗粒包裹水消耗减少增加水膜层厚度 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司5858关键技术之二：超高强p发明了高活性矿物掺合料，实现自然养护条件下强度快速、持续增长促进高与超高密C-S-H凝胶生成，消除了界面过渡区次递水化效应组合叠加增强多尺度颗粒不同活性颗粒p调控效果摒弃了国际上使用硅灰和高能耗磨细石英砂及热压养护的制备技术 东南大学东

19、南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司5959关键技术之三：超高韧p 表面改性钢纤维实现UHPC的高强高韧实现了钢纤维的高效增韧01234501530456075力值力值/N位移位移/mm 未处理未处理 ZnPh-处理 ZnPh-处理纤维表面改性技术p 调控效果05000100001500020000024681012抗拉强度/MPa拉伸应变 2.0%2.3%2.5%ft 10MPa t0.4%0.00.10.20.30.40.50.60102030405060Load/kNDisplacement/mm C30 含粗骨料UHPC8

20、61846ft10MPa t10 普多缝开裂高强高韧含粗骨料UHPC 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6060关键技术之四：高体积稳定性p 抗裂技术实现90d总收缩小于250，显著降低开裂风险粗骨料膨胀剂减缩剂限制收缩收缩补偿减小收缩降低幅度与骨料用量和骨料坚固性有关膨胀剂需需水量少和对相对湿度不敏感减缩剂可降低20%左右粗骨料补偿收缩技术减缩技术2020IBTC 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6161典型工程应用p 南京第五长江大桥-世

21、界首座规模化应用含粗骨料UHPC桥面板的工程三塔组合斜拉桥，主桥跨径1796m，高3.6m，宽35.3m 专用外加剂开发 粉体流变技术调控解决了规模化应用中钢纤维结团、包裹性不良等难题包裹不良包裹性佳、纤维无结团05101520250200400600 原技术方 案 调 整技术方 案剪切应力（Pa）剪切速率(s-1)(Pa.s)(Pa)Old10.3312.5New16.7310.5增粘降屈服关键技术 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6262典型工程应用p 南京第五长江大桥-世界首座规模化应用含粗骨料UHPC桥面板的

22、工程已实现140余块预制板生产 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6363典型工程应用p 松浦大桥-UHPC组合桥面板(在建)形成了强约束下大幅面薄层UHPC铺装抗裂关键技术；提出了大面积UHPC常规化快速摊铺施工方案3524619抗裂关键技术：低收缩UHPC+延时保温施工方案01020304050-100-50050100150200250300收缩应变/10-6时 间/h UDC(1测点)UDC(2测点)HDC(3测点)HDC(4测点)01020304050253035404550温度/时 间/h UDC(1测点)

23、UDC(2测点)HDC(3测点)HDC(4测点)环 境温度缩尺构件2d收缩10010h后升温施工关键技术：UHPC快速摊铺技术实现200m2钢桥面整体人工快速铺装三、结语与展望 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6565结语p桥梁混凝土向超高性能化方向发展，积极推动常规材料、常规工艺、常温养护条件超高性能混凝土关键技术的在桥梁工程应用研究p从外加剂分子结构设计与胶凝材料优化解决工作性调控和收缩抗裂难题是桥梁混凝土技术发展的重要手段p针对桥梁工程设计服役寿命长、施工条件复杂与暴露环境严酷的关键问题，形成适于桥梁工程高性能

24、混凝土的“隔、阻、缓、延”耐久性提升技术 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6666结构形式：承台、箱梁、索塔等开裂原因：塑性收缩、干燥收缩、温度收缩、荷载“湿-热-化学-力”耦合问题p 形成针对混凝土收缩裂缝（非荷载裂缝）的设计方法展望1-多场耦合抗裂性设计与评估方法 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6767展望2-混凝土的耐久性设计与评估p 多场耦合条件下桥梁混凝土耐久性设计海洋：波、浪、潮、流、盐、高温、冰冻多场耦合西部：干冷、干热、风

25、沙、盐湖、冻融、强紫外线严酷环境中新建桥梁混凝土耐久性设计，桥梁使用寿命的公认评估方法研究迫在眉睫材料/结构一体化耐久性集成设计 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6868p 桥梁混凝土耐久性的实时监测技术与修补加固桥梁混凝土耐久性监测技术桥梁混凝土修补加固新材料与新技术服役寿命再设计既有桥梁混凝土服役性能的评估、再设计与恢复凸显重要性展望3-混凝土性能再设计与修复 东南大学东南大学东南大学 江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司江苏省建筑科学研究院有限公司6969p 推动UHPC向索塔、墩柱等部位应用，开发与UHPC性能匹配的钢材等高性能材料展望4-新型桥梁结构体系的提出与创新实践加强材料、结构专业的合作研究材料性能提升设计规范改进施工工艺构建解决材料、设计、施工的关键技术难题结构体系的创新与应用开创谢谢！