博聞廣議：關于橋涵高性能混凝土相關規范的幾點認識
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本文選自《商品混凝土》雜志2023年第10期
關于橋涵高性能混凝土相關規范的幾點認識
聞寶聯
高性能混凝土在建設領域已經深入人心，各個行業也紛紛出臺了相應的標準和規范。橋涵運營環境惡劣，最容易出現腐蝕劣化，影響其耐久性，因而眾多規范也把橋涵耐久性的保障作為重點來強調。《高性能混凝土技術條件》GB/T 41054—2021、《混凝土結構耐久性設計標準》GB/T 50476—2019、《公路橋涵施工技術規范》JTG/T 3650—2020、《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》JTG/T 3310—2019、《鐵路混凝土》TB/T 3275—2018等等，這些規范中，也都把橋涵列入適用范圍。而由于行業特點不同、編制的年代不同以及編制人員認識上的差異，規范要求也各有千秋。本文對現行最新的幾個規范進行簡單的梳理，以幫助大家認識理解。當然這里列出的并不全面，可能有些以偏概全。
1 環境類別及環境作用等級的劃分的差異
首先，需要明確的是，高性能混凝土是一個相對概念，同時，耐久性設計也是一種環境設計，確定環境的分級是非常關鍵的！
國標《混凝土結構耐久性設計標準》GB/T 50476— 2019（以下簡稱“耐久性標準”）中將環境分為五類（見表1），《高性能混凝土技術條件》GB/T 41054—2021（以下簡稱“高性能技術條件”）也是與耐久性標準一致。
兩個公路行標《公路橋涵施工技術規范》JTG/T 3650—2020（以下簡稱“公路施工規范”）、《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》JTG/T 3310—2019（以下簡稱“公路耐久性規范”）將環境分為七類，見表2。
《鐵路混凝土》TB/T 3275—2018（以下簡稱鐵標）沿襲《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》TB 10005—2010，將環境分為六類，與國標和公路行標分類不同，分類方法如表3。
不同環境類別下，作用等級不同，公路行標和“耐久性標準”、“高性能技術條件”從輕度到極端嚴重分為A-F級，見表4和表5。
“耐久性標準”只在海洋氯化物環境里出現了F級，公路行標結合環境列入F級范圍的結構高于國標。
“鐵標”環境作用等級按1、2、3、4作用來劃分，分別劃分成各自環境下的作用等級。碳化環境分為T1、T2、T3，氯鹽環境分為L1、L2、L3，化學侵蝕環境分為H1、H2、H3、H4，鹽結晶環境分為Y1、Y2、Y3、Y4，凍融環境分為D1、D2、D3、D4，磨蝕環境分為M1、M2、M3。3、4都是相對嚴重的作用等級。
可見，不同的規范對環境和作用等級劃分是不同的，雖然本質上并無明顯差別，但還是要注意不要錯用，因為這還涉及后面原材料以及配比設計的要求差異。
這里值得一提的是，一些省份的公路地標環境類別及作用等級的劃分有的沿用了“鐵標”，這值得商榷，因為公路行業早在2006年就已經出臺了《公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范》JTG/T B07-01-2006，也就是《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》JTG/T 3310—2019的前身，引用“鐵標”建設公路會造成引用規范錯亂，驗收會出現問題。
2 對原材料和配合比要求的差異
2.1 對水泥的要求
“公路耐久性規范”中5.2.1要求：
3 硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥的細度不宜超過350m2/kg；水泥中鋁酸三鈣（CA）含量不宜超過8%（海水中不宜超過5%）。大體積混凝土宜采用硅酸二鈣（CS）含量相對較高的水泥。
4 應選用質量穩定、低水化熱和堿含量偏低的水泥。水泥的堿含量（按NaO量計）不宜超過0.6%。
“公路施工規范”中：
6.2.1橋涵工程采用的水泥應符合現行《通用硅酸鹽水泥》（GB 175）的規定，水泥的品種和強度等級應通過混凝土配合比試驗選定，且其特性應不會對混凝土的強度、耐久性和工作性能產生不利影響。當混凝土中采用堿活性集料時，宜選用含堿量不大于0.6%的低堿水泥。
在后面又專門對高性能混凝土做了明確要求，見表6。對于氯離子含量，要求有點過嚴，很難達到。
表7是高性能技術條件中的要求。
對比表6、表7，后者將水泥比表面積適當放大了一些，強調了不同齡期水化熱和抗壓強度要求，這對抗裂是有好處的。
“鐵標”中的要求如表8。
公路和國標中，都建議使用低堿水泥，但低堿水泥的產量很難滿足工程需求，而“鐵標”沒有強調低堿水泥，這項規定更為務實。后面我們也會談到，堿含量是要算單方總量的，單獨控制某個材料堿含量，最后又混到一起，意義多大呢？
2.2 對于摻合料的要求
摻合料以最為廣泛應用的粉煤灰和礦渣粉作為對比。
“耐久性設計標準”中對粉煤灰并未提出特別的要求，只是燒失量小于5%，氧化鈣含量小于10%。
“高性能技術條件”中：
6.2.3 對于高強高性能混凝土或有抗滲、抗凍、抗腐蝕、耐磨或有其他特殊要求的混凝土，不應采用低于Ⅱ級的粉煤灰。
“公路耐久性規范”中5.2.3：
3公路工程混凝土結構宜采用F類I級或Ⅱ級粉煤灰。對普通鋼筋混凝土，粉煤灰燒失量不宜大于8%；需水量比不宜大于105%；I級粉煤灰的45m方孔篩篩余不宜大于12%，Ⅱ級粉煤灰的篩余量不宜大于20%。粉煤灰其他相關技術指標應符合現行國家標準《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596）的規定。
公路施工規范中要求如表9。
注：1.粉煤灰中的CaO 含量大于5%時，應經試驗證明其安定性合格。
2.預應力高性能混凝土或浪濺區的鋼筋混凝土應采用Ⅰ級粉煤灰或燒失量不大于5%、需水量比不大于100%的Ⅱ級粉煤灰。
對粉煤灰，要求在高性能混凝土中F類粉煤灰游離CaO 含量1.0，這個要求有點嚴格了，但注解里解釋CaO 含量如果大于5%時，應經試驗證明其安定性合格，合格也可以用。
沒有要求必須是Ⅰ級粉煤灰，燒失量不大于5%、需水量比不大于100%的Ⅱ級粉煤灰也可以，但預應力混凝土還是要求燒失量小于2%。
“鐵標”5.2.3 中要求粉煤灰應選擇顏色均勻、不含有油污等雜質的F類產品，且與水泥和水混合時不應有明顯刺激性氣體逸出，其性能應滿足表10的要求。
注：當混凝土結構所處的環境為嚴重凍融破壞環境時，宜采用燒失量不大于 3.0% 的粉煤灰。
當采用干法或半干法脫硫工藝排出的粉煤灰時，應檢測半水亞硫酸鈣（CaSO·1/2HO）含量。
* 堿含量用于計算混凝土的總堿含量。
“鐵標”考慮到了當前濕法脫硫灰脫硝灰中銨鹽與堿反應釋放氨氣的影響，以及干法脫硫亞硝酸鈣的影響，具有現實意義。
事實上Ⅰ級粉煤灰的產量很難滿足工程的需求。粉煤灰的品質受收塵工藝、工序、煤的品種、脫硫脫硝方法等因素影響，能保障Ⅱ級就很不錯了，強調Ⅰ級灰可操作性不強，Ⅱ級灰均能滿足工程要求，更具現實意義！
對于礦渣粉，幾個標準基本參照了《高強高性能混凝土用礦物外加劑》GB/T 18736—2017、《礦物摻合料應用技術規范》GB/T 51003—2014等標準的規定，對部分相關指標作出了修改。個別指標有所增減，基本不存在實現的難度。
然而在這些規范之中，對超細粉都沒有提出要求，超細粉在保障混凝土工作性能、耐久性能作用突出，應該受到關注。
2.3 對于骨料的要求
“耐久性設計標準”附錄B中：
B.3.2混凝土骨料應滿足骨料級配和粒形的要求，石子宜采用單粒級兩級配或三級配，分級投料；級配后的骨料松堆空隙率不應大于43%。
B.3.3混凝土用砂在開采、運輸、堆放和使用過程中，應采取防止遭受海水污染或混用不合格海砂的措施。
砂的密度應在飽和面干狀態下檢測，理論配合比中砂的用量以飽和面干質量計。
未提出特別的要求，但提出了配合比設計砂采用飽和面干法，這一點在當前應用機制砂是比較合適的。
“高性能技術條件”中，也是基本沿用了《建設用卵石、碎石》GB/T 14685、《建設用砂》GB/T 14684的規定，未做特殊要求。
“公路施工規范”中：
骨料的要求按《建設用卵石、碎石》GB/T 14685—2011、《建設用砂》GB/T 14684—2011的規定對相關技術指標進行了修改。刪除了關于砂“Ⅰ類宜用于強度等級大于C60的混凝土；Ⅱ類宜用于強度等級C30～C60及有抗凍、抗滲或其他要求的混凝土；Ⅲ類宜用于強度等級小于C30的混凝土和砌筑砂漿”的要求；增加了“卵石和碎石混合使用時，壓碎值應分別按卵石和碎石控制”的規定，放寬了對卵石應用的限制以充分利用資源，壓碎值限制對Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類粗骨料也隨之分別限制不超過10%、20%、30%。GB/T 14685、GB/T 14684目前已經更新到了2022版，感興趣的讀者可以對照看一下。
對高性能混凝土，部分要求粗集料宜選用質地均勻堅硬、粒形良好、級配合理、線脹系數小的潔凈碎石或卵石，不宜采用砂巖加工成的碎石，且應采用連續兩級配或連續多級配，其壓碎指標尚應不大于10%等要求。
值得一提的是，目前公路兩個行標骨料的壓碎值要求采用國標200kN壓力的實驗方法。上一版規范采用的是公路400kN的實驗方法，但壓碎值指標要求給工程造成很多混亂，執行過程中進行了幾次勘誤，這一版改了過來，使用了建設標準，操作起來更為便捷。對細骨料的壓碎值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類砂分別控制不超過20%、25%、30%。
“鐵標”中對粗骨料壓碎值比國標要嚴格一些，分為C30以上和C30以下兩個等級，對火成巖、水成巖和變質巖分別要求，總體差異與國標不是太大，對細骨料壓碎值統一為不超過25%。
現行的幾個規范中，對固廢的應用都有所回避或是沒有強調，但合格的固廢材料至少在低強度混凝土中應用是沒有問題的，無論強度或耐久性指標都能滿足。
2.4 對水質的要求
前面提到的幾個標準、規范對水質的要求基本參考了《混凝土用水標準》JGJ 63—2006，對于養護用水，“公路施工規范”專門進行了強調，如表11，與素混凝土用水指標一致，但這也還不全面，比如對Fe2+離子未做限定，這個在實踐中發現了很多問題都是Fe2+引起的，而現行規范都未涉及。
注：1. 對設計使用年限為100年的結構混凝土，氯離子含量不得超過500mg/L；對使用鋼絲或經熱處理鋼筋的預應力混凝土，氯離子含量不得超過350mg/L。
2. 堿含量按NaO+0.658KO 計算值表示。采用非堿活性集料時，可不檢驗堿含量。
3 配合比設計要求的差異
3.1 膠材限量的差異
早期規范中只限定了最小膠材或是水泥單方用量，為的是保障足夠的漿體量以利于施工，而過多的膠材不僅不經濟，體積穩定性也不良。所以現在也限定了最大膠材用量。表12是耐久性標準的要求。
注：1. 表中數據適用于最大骨料粒徑為20mm 的情況，骨料粒徑較大時宜適當降低膠凝材料用量，骨料粒徑較小時可適當增加膠凝材料用量；
2. 引氣混凝土的膠凝材料用量與非引氣混凝土要求相同；
3. 當膠凝材料的礦物摻合料摻量大于20%時，最大水膠比不應大于0.45。
對膠材用量最應該受到關注的是C50混凝土，對比上一版（GB/T 50476—2008），C35以下限量400kg/m3，C40、C45限定400kg/m3，C50膠材限量480kg/m3、C55限量500kg/m3，實踐中，個人感覺480kg/m3更為合理，可能是考慮到現在骨料粒形和級配普遍不良緣故吧。
“高性能混凝土技術條件”中，對混凝土的膠材用量未作明確要求。
“公路耐久性規范”中，C50膠材限量480kg/m、C55限量500kg/m，公路施工規范中，前面要求也是這樣，而對后面高性能混凝土部分，6.15.9要求：
1 對不同強度等級混凝土的膠凝材料總量應進行控制，C40以下宜不大于400kg/m；C40～C50宜不大于450 kg/m；C60及以上的非泵送混凝土宜不大于500 kg/m3，泵送混凝土宜不大于530kg/m；且膠凝材料漿體體積宜不大于混凝土體積的35%
2 水膠比應根據混凝土的配制強度、抗氯離子滲透性能、抗滲性能和抗凍性能等要求確定。在滿足混凝土工作性能的前提下，宜降低用水量，并控制在130～ 160kg/m
“鐵標”中也是C50限定480kg/m3，C50以上500kg/m3。
以目前的砂石骨料狀況，C50限定450kg/m3在工程中很難操作，限定480kg/m3更為實際。
3.2 對摻合料的要求差異
“耐久性設計標準”在后面的條文解釋中：
2.1.21 本標準中所指的礦物摻合料混凝土為：在硅酸鹽水泥中單摻粉煤灰量不小于膠凝材料總重的30%、單摻磨細礦渣量不小于膠凝材料總重的50%；復合使用兩種礦物摻合料時，粉煤灰摻量比與0.3的比值加上磨細礦渣摻量比與0.5的比值之和不小于1。
“高性能技術條件”中的相關要求如表13。
“公路施工規范”6.15.9要求：
3 混凝土中宜適量摻加優質的粉煤灰、粒化高爐礦渣粉或硅灰等礦物摻合料，用以提高其耐久性、改善其施工性能和抗裂性能，其摻量宜根據混凝土的性能要求通過試驗確定，且宜不小于膠凝材料總量的20%。當混凝土中粉煤灰摻量大于30%時，混凝土的水膠比不得大于0.45；在預應力混凝土及處于凍融環境的混凝土中，粉煤灰的摻量宜不大于30%，且粉煤灰的含碳量宜不大于2%。對暴露于空氣中的一般構件混凝土，粉煤灰的摻量宜不大于20%，且單方混凝土膠凝材料中的硅酸鹽水泥用量宜不小于240kg。
“公路耐久性規范”中：
使用普通硅酸鹽水泥、礦渣水泥時，應將其中原有礦物摻合料與配制混凝土時加入的礦物摻合料用量一起計算，具體見表14。
“鐵標”中的相關要求如表15。
目前不可回避的一個現實情況，就是水泥廠實際所用的混合材基本遠超規范規定的用量，我曾調研過幾家水泥企業，普硅水泥要求混合材不超過20%，實際有的超過60%，也是按普硅去銷售，出廠文件都寫著小于20%，所以以規范要求的摻合料摻量為準，事實上是偏大的。
3.3 堿含量的控制
“耐久性設計標準”中：
B.2.4 單位體積混凝土中的含堿量應符合下列規定：
1 對骨料無活性且處于相對濕度低于75%環境條件下的混凝土構件，含堿量不應超過3.5kg/m，當設計使用年限為100年時，混凝土的含堿量不應超過3kg/m
2 對骨料無活性但處于相對濕度不低于75%環境條件下的混凝土結構構件，含堿量不超過3kg/m3。
3 對骨料有活性且處于相對濕度不低于75%環境條件下的混凝土結構構件，應嚴格控制混凝土含堿量不超過3kg/m并摻加礦物摻合料。
“高性能技術條件”要求堿含量與“耐久性設計標準”一致。
“公路耐久性規范”中5.3.8規定：
應限制單位體積混凝土中的堿含量。混凝土中的最大堿含量不應大于表16的規定。對于特大橋和大橋的混凝土，最大堿含量宜為1.8kg/m
“公路施工規范”中：
6.8.6除應對由各種組成材料帶入混凝土中的堿含量進行控制外，尚應控制混凝土的總堿含量。每立方米混凝土的總堿含量，對一般橋涵宜不大于3.0kg/m，對特大橋、大橋和重要橋梁宜不大于2.1kg/m3。當混凝土結構處于受嚴重侵蝕的環境時，不得使用有堿活性反應的骨料
“鐵標”中7.1.5規定：
混凝土的總堿含量應符合設計要求。當設計無要求時，混凝土的總堿含量應滿足表17的要求。
可見，公路行標中對大橋、特大橋堿含量的限制過嚴，很難操作，事實上現在幾乎沒有小橋，都是大橋，限制3.0kg/m3是合理的，而且也不會發生堿骨料反應。
4 結語
目前關于橋涵高性能混凝土的技術要求各個規范并不統一，有些指標不全面，有些指標難于操作，有些材料還應該納入。規范應該是在保障質量的前提下具有比較強的可操作性，一味從嚴并不現實也不合理，簡單明了重點突出更能讓人理解接受，一些關鍵指標應該是“跳一跳夠得著”，“不跳就夠”或是“跳也夠不著”就沒有太大意義。我們在高速公路建設中會針對某個地區出臺《XX工程高性能混凝土實施細則》，再經過專家論證通過后應用，具有很強的操作性。這也是我們今年著手編制行標《高性能混凝土在高速公路橋涵中應用技術規范》的初衷，隨著技術的不斷進步與成熟，各位技術人員有何良好的建議也可以與我們多溝通，把合理的意見納入規范之中，以更好實現橋涵的耐久性能！
供稿人：聞寶聯
編輯員：李海亮
審核人：孫繼成，寧夏
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