一种桥梁大体积混凝土的防裂抗渗方法与流程

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种桥梁大体积混凝土的防裂抗渗方法。

背景技术：

随着桥梁跨径的不断增加，承台、锚碇和索塔等关键部位大体积混凝土质量要求愈加严格。大体积混凝土截面尺寸大，施工过程中水泥水化反应产生大量水化热，热量聚集在混凝土内部不易散发，而表面和侧面(脱模后)散热较快，这样在混凝土内部和表层形成较大温差，导致不均匀的温度变形和温度应力，一旦拉应力超过混凝土的即时抗拉强度，就会在混凝土内部或表面产生热裂缝或贯通裂缝。

裂缝的出现影响了桥梁结构外观质量，也成为了侵蚀性离子(cl^-、mg²⁺等)进入混凝土内部的直接通道，对于一些长期受到离子侵蚀、潮汐、干湿循环等作用的桥梁结构物混凝土而言尤为严重。国内外专家学者围绕提高混凝土抗裂性能和耐久性能开展了大量研究：1)大体积混凝土防裂方面；除了普遍采用的降低水泥用量、通循环冷却水，有些单位通过在大体积混凝土中掺加纤维提高其韧性和抗裂性能，取得了一定的应用效果，但由于大体积混凝土单个结构物的混凝土方量最高可达几十万方，在所有的混凝土中掺加纤维将显著增加原材料成本；2)混凝土抗渗方面，渗透结晶型防水材料、疏水化合孔栓物等内掺型混凝土防水材料的面世克服了传统外涂防水材料容易脱落、冲刷的弱点，但现有内掺型防水材料由于存在功能单一、在混凝土中分散不良等原因，在提高混凝土抗渗性能方面存在一定不足，此外，在混凝土中掺加内掺型防水材料同样会大幅度增加原材料成本。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种桥梁大体积混凝土的防裂抗渗方法，通过对桥梁大体积混凝土的结构及其组成进行设计和优化，可有效解决桥梁大体积混凝土存在的开裂和腐蚀性破坏等技术难题，且成本低、施工方法简单，具有重要的推广应用价值。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种桥梁大体积混凝土(桥梁大体积混凝土结构物，如承台、锚碇等)的防裂抗渗方法，采用分层结构，它包括内部低温升大体积混凝土和设置在其外层的低温升抗裂渗大体积混凝土，其中低温升抗裂渗大体积混凝土的厚度为50～100cm。

上述方案中，所述低温升大体积混凝土中各组分及其含量包括：水泥144～168kg/m³，粉煤灰144～168kg/m³，矿粉72～84kg/m³，碎石1120～1151kg/m³，河砂704～778kg/m³，水136～151kg/m³，缓凝型高性能减水剂2.5～4.2kg/m³。

上述方案中，所述低温升抗裂渗大体积混凝土中各组分及其含量包括：水泥144～168kg/m³，粉煤灰144～168kg/m³，矿粉72～84kg/m³，碎石1120～1151kg/m³，河砂704～778kg/m³，水121～141kg/m³，缓凝型高性能减水剂2.5～4.2kg/m³，仿钢纤维2.5～4.5kg/m³，复合抗渗材料10～15kg/m³。

上述方案中，所述水泥为p.o42.5或p.ii42.5水泥，水泥比表面积300～350m²/kg，c3a含量≤8％。

上述方案中，所述粉煤灰为f类i级或ii级粉煤灰。

上述方案中，所述矿粉为s95级。

上述方案中，所述碎石为4.75～26.5mm连续级配，母岩为石灰岩或白云岩，压碎值≤20％，含泥量≤1.0％，吸水率≤2.0％，表观密度≥2600kg/m³。

上述方案中，所述河砂细度模数2.5～3.0，含泥量≤2.0％，吸水率≤2.0％，表观密度≥2500kg/m³。

上述方案中，所述减水剂为缓凝型高性能减水剂，其减水率≥25％，泌水率比≤60％，含气量≤4.5％，凝结时间之差≥90min。

上述方案中，所述水为饮用水、河水或江水等。

上述方案中，所述仿钢纤维呈波浪形、表面刻痕或“x”形截面等异形形态，其长度25～35mm，当量直径0.50～0.85mm，抗拉强度≥450mpa，初始模量≥5.0×10³mpa，断裂伸长率15～30％。

上述方案中，所述复合抗渗材料的制备方法包括如下步骤：1)将聚甲基三乙氧基硅烷中加入其2倍以上体积的水中水解1～2小时，然后加热至90～100℃蒸发水分，待水分全部除去后备用(得水解后的聚甲基三乙氧基硅烷)；2)将水解后的聚甲基三乙氧基硅烷和纳米sio2溶于甲苯溶剂中，纳米sio2与水解后的聚甲基三乙氧基硅烷的质量比为1:3～1:2，并向反应容器中通入的n2气调节反应容器的气压为90.0～101.3kpa；3)然后在47～53℃的条件下进行超声分散1～2h，再升温至90℃以上(优选为90～100℃)，搅拌2～3h，即得所述复合抗渗材料。

本发明采用的原理为：

1)针对桥梁大体积混凝土的开裂原因(内部混凝土温升过高增大了内外温差、裂缝最先在表层产生并逐渐扩展到内部)和腐蚀特性(侵蚀性离子由混凝土表层向内部渗入)，本发明所述桥梁大体积混凝土采用分层结构：1)内部结构由低温升大体积混凝土构成，该混凝土采用最紧密堆积设计方法，在保证良好力学性能的基础上，通过大掺量的粉煤灰和矿粉有效降低了水泥用量，降低了混凝土内部最高温升，有利于减小内外温差，一定程度上降低了表层混凝土的开裂风险；2)外层结构由50～100cm的低温升抗裂渗大体积混凝土构成，该混凝土在低温升大体积混凝土基础上，加入仿钢纤维和复合抗渗材料，可显著提高表层混凝土的抗裂和抗渗性能，抑制表层混凝土裂缝的产生和侵蚀性离子的进入，相当于在大体积混凝土外部设置了“加强保护层”，从源头上降低了大体积混凝土的开裂和腐蚀风险。

2)本发明开发的复合抗渗材料主要以聚甲基三乙氧基硅烷和纳米sio2为原料制备而成；一方面，引入的聚甲基三乙氧基硅烷通过在混凝土表面及毛细管内壁形成一层均匀致密的硅氧烷憎水膜，这种斥水性硅氧烷膜具有很低的表面张力，能均匀地分布在多孔的硅酸盐基材微孔孔壁上，降低毛细管壁表面张力，阻止了毛细孔对水的毛细作用，阻止水分的侵入；另一方面，引入的纳米sio2进入毛细孔后，除了能起到微填充作用降低混凝土孔隙率以外，纳米sio2还能与水泥水化产物ca(oh)2发生水化反应生成c-s-h凝胶，起到降低ca(oh)2含量、堵塞混凝土毛细孔的作用；将聚甲基三乙氧基硅烷和纳米sio2二者结合，可同步起到“防水”和“堵孔”的双重作用；此外，本发明采用的聚甲基三乙氧基硅烷还可进一步对sio2表面进行了化学改性，可有效缓解纳米sio2表面能过高、容易在混凝土中团聚的问题，具体原理如下：

1)聚甲基三乙氧基硅烷进行水解后，与si原子相连的—och3ch3水解为—oh(si—och3ch3结构变为si—oh结构)；

2)水解后的聚甲基三乙氧基硅烷与纳米sio2混合反应后，产生的si—oh结构与纳米sio2表面的—oh容易产生氢键、范德华力等牢固的键合作用，从而使纳米sio2表面牢固地键合聚甲基三乙氧基硅烷，颗粒之间具有较大的空间位阻效应，排斥力增大，分散稳定性提高，有效解决纳米sio2在混凝土中易团聚的问题。

本发明的有益效果为：

1)本发明紧密结合大体积混凝土的开裂原因和腐蚀特性，通过“降低内部混凝土水化温升、减少内外温差”和“提高表层混凝土抗裂和抗渗性能”的方式，在大体积混凝土外部设置了“加强保护层”；与普通大体积混凝土相比，显著提高了混凝土抗裂性能和防渗性能，提升了大体积混凝土的耐久性；与全部掺加纤维和抗渗剂的大体积混凝土相比，几乎可以达到相同的防裂抗渗效果，有效节省了混凝土原材料的成本，避免了资源浪费。

2)本发明采用聚甲基三乙氧基硅烷和纳米sio2的有机-无机组合方式，起到了“防水”和“堵孔”的双重作用，对混凝土的防渗作用显著；此外聚甲基三乙氧基硅烷还可对纳米sio2表面进行化学改性，使纳米sio2分散稳定性提高，有效地解决了纳米sio2作为抗渗材料时容易发生团聚、分散性不足的技术难题，有效保证纳米sio2对混凝土防渗性能的提升作用。

3)本发明涉及的原料和制备成本低、施工方法简单，适合推广应用。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下实施例中，水泥采用华新p.o42.5普通硅酸盐水泥，水泥比表面积325m²/kg，c3a含量3.4％；粉煤灰采用武汉阳逻电厂f类i级粉煤灰；矿粉为武汉钢铁集团s95级矿粉。碎石为宜昌白鸭垴碎石场生产的4.75～26.5mm连续级配石灰岩碎石，压碎值13.4％，含泥量0.3％，吸水率0.3％，表观密度2735kg/m³；河砂产自洞庭湖砂厂，细度模数2.6，含泥量1.0％，吸水率0.2％，表观密度2673kg/m³。减水剂为湖北江城子建材科技股份有限公司提供的缓凝型高性能减水剂，减水率30％，泌水率比20％，含气量2.5％，凝结时间之差120min；水为饮用水；仿钢纤维由武汉新途工程纤维有限公司生产，形态为波浪形，长度32mm，当量直径0.65mm，抗拉强度510mpa，初始模量5.3×10³mpa，断裂伸长率25％。

所述复合抗渗材料的制备步骤如下：1)将聚甲基三乙氧基硅烷加入其3倍体积的蒸馏水中进行水解，水解2h后开始加热(100℃)蒸发水分(得水解后的聚甲基三乙氧基硅烷)，待水分全部除去后备用；2)将水解后的聚甲基三乙氧基硅烷和纳米sio2溶于甲苯溶剂中，纳米sio2与水解后的聚甲基三乙氧基硅烷的质量比为1:3，并向反应容器中通入的n2气调节反应容器中的气压为101.3kpa；3)然后在50℃的条件下进行超声分散2h，再升温至100℃，搅拌3h，即得所述复合抗渗材料。

实施例1

一种桥梁大体积混凝土的防裂抗渗方法，应用于模拟某跨江大桥承台(桥梁大体积混凝土)施工，承台平面尺寸为55.5×26m，厚6.0m，设计采用c30大体积混凝土；所述跨江大桥承台内部采用低温升大体积混凝土(c30)，外层浇筑厚度为60cm的低温升抗裂渗大体积混凝土(c30)，内部低温升大体积混凝土与外层低温升抗裂渗大体积混凝土之间采用快易收口网模板隔离，不同部位采用的混凝土配合比见表1。

表1实施例1中所述低温升大体积混凝土和低温升抗裂渗大体积混凝土的配合比

对本实施例所得跨江大桥承台的内部最高温升、内外最大温差采用温度巡检仪和测温线进行测量，承台表面裂缝情况在拆模14d后采用裂缝观测仪进行检测；同时，制备的低温升大体积混凝土和低温升抗裂渗大体积混凝土现场留样，养护至一定龄期后测试其抗压强度、劈裂抗拉强度，氯离子渗透系数和抗渗等级等性能测试结果见表2。

表2实施例1中所述大体积混凝土及其各层所用混凝土的性能测试结果

由表2可知，与内部低温升大体积混凝土对比，仿钢纤维和新型复合抗渗材料的加入显著提高了外部低温升抗裂渗混凝土劈裂抗拉强度，也就提高了抗裂性能。采用本发明一种桥梁大体积混凝土的防裂抗渗方法，所得大体积混凝土的内部最大温升远低于规范要求的≤50℃的标准，内外温差远低于规范要求的≤25℃的标准，混凝土未发现裂缝，解决了“无大体积混凝土不裂”的技术难题。

对比例1～2

对比例1～2中所述大体积混凝土与实施例1制备的大体积混凝土大致相同，不同之处在于，分别仅采用相同配方的低温升大体积混凝土(对比例1)或相同配方的低温升抗裂渗大体积混凝土(对比例2)制备相应规格的某跨江大桥承台，其抗渗等性能测试结果分别见表3。

表3实施例1和对比例1～2所得大体积混凝土的性能结果

由表3可知，本发明与全部使用低温升大体积混凝土的结构相比28d氯离子扩散系数与抗渗等级显著提高，与全部使用低温升抗裂渗大体积混凝土的结构相比28d氯离子扩散系数与抗渗等级几乎无区别，并可显著降低制备成本。

实施例2

一种桥梁大体积混凝土的防裂抗渗方法，应用于模拟某跨海大桥承台(桥梁大体积混凝土)施工，承台平面尺寸为35.5×19m，厚4.0m，设计采用c40大体积混凝土；所述跨江大桥承台内部采用低温升大体积混凝土(c40)，外层浇筑厚度为50cm的低温升抗裂渗大体积混凝土(c40)，内部低温升大体积混凝土与外层低温升抗裂渗大体积混凝土之间采用快易收口网模板隔离，不同部位采用的混凝土配合比见表4。

表4实施例2中所述大体积混凝土及其各层所用混凝土的性能测试结果

对本实施例所得跨江大桥承台的内部最高温升、内外最大温差采用温度巡检仪和测温线进行测量，承台表面裂缝情况在拆模14d后采用裂缝观测仪进行检测；同时，制备的低温升大体积混凝土和低温升抗裂渗大体积混凝土现场留样，养护至一定龄期后测试其抗压强度、劈裂抗拉强度，氯离子渗透系数和抗渗等级等性能测试结果见表5。

表5实施例2中所述大体积混凝土及其各层所用混凝土的性能测试结果

由表5可知，本实施例所得大体积混凝土的内部最大温升远低于规范要求的≤50℃的标准，内外温差远低于规范要求的≤25℃的标准，混凝土未发现裂缝，解决了“无大体积混凝土不裂”的技术难题。

对比例3～4

对比例3～4中所述大体积混凝土与实施例2制备的大体积混凝土大致相同，不同之处在于，分别仅采用相同配方的低温升大体积混凝土(对比例3)或相同配方的低温升抗裂渗大体积混凝土(对比例4)制备相应规格的某跨江大桥承台，其抗渗等性能测试结果分别见表6。

表6实施例2和对比例3～4所得大体积混凝土的性能结果

由表6可知，本发明所得大体积混凝土与全部使用低温升大体积混凝土的结构相比28d氯离子扩散系数与抗渗等级显著提高，与全部使用低温升抗裂渗大体积混凝土的结构相比28d氯离子扩散系数与抗渗等级几乎无区别，并可显著降低制备成本。

上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。