濱海地區(qū)高性能清水混凝土研發(fā)與應(yīng)用

張春偉，馮漢峰

（深圳東大洋投資集團(tuán)，深圳 518119）

1 工程概況

萬科中心工程為大型公用建筑，位于深圳大梅沙海濱。地下一層，地上7層（6層），高度35m（24m），總建筑面積120000平方米。結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架、鋼結(jié)構(gòu)+預(yù)應(yīng)力拉索結(jié)構(gòu)體系，由二層鋼結(jié)構(gòu)及預(yù)應(yīng)力拉索將上部建筑荷載傳遞到主要豎向支撐構(gòu)件——筒體及墻、柱，筒體、墻設(shè)計(jì)為清水混凝土。

2 原材料選擇

（1）水泥： 惠州光大“凱城”、梅州“塔牌”、東莞“華潤”這三種南方地區(qū)常用普通硅酸鹽水泥P·O42.5。

（2）摻合料：媽灣電廠Ⅱ級粉煤灰；深圳沙角Ⅱ級粉煤灰；珠海Ⅱ級粉煤灰；S95礦粉。

（3）外加劑：萘系SF-2000高效減水劑；萘系KFDNSP8；聚羧酸。

（4）細(xì)集料：惠州河中砂，表觀密度為2.63g/cm3，含泥量為1.1%，泥塊含量為0.4%，細(xì)度模數(shù)為2.9，II區(qū)中砂。

（5）粗集料：花崗巖，最大粒徑為25mm，表觀密度2.64g/cm3。

3 清水混凝土外觀質(zhì)量試驗(yàn)

3.1 配比選擇對混凝土外觀質(zhì)量的試驗(yàn)研究（見表1）

以上配比1、2、3強(qiáng)度均能滿足要求，在這里主要是考慮清水混凝土外觀質(zhì)量。

表1 C60混凝土配合比

表2 C60清水混凝土配比 kg/m3

試驗(yàn)結(jié)果：

（1）配比1 和易性較好，相比易出現(xiàn)輕微泌水現(xiàn)象，外觀顏色灰白色。

（2）配比2 和易性、粘聚性最適宜，無泌水，外觀顏色青灰白色。

（3）配比3 高強(qiáng)C60混凝土的水泥用量大，無粉煤灰潤滑效果，過于粘稠，坍落度損失快，容易影響泵送，外觀顏色深青色。

3.2 外加劑品種對混凝土含氣量及外觀影響的試驗(yàn)

使用所選的三種外加劑，摻量2.0%進(jìn)行試拌。水泥使用三種P·O42.5水泥，摻合料選用深圳Ⅱ級粉煤灰，混凝土配比見表2。

試驗(yàn)結(jié)果：

分別測試混凝土拌合物的含氣量、泌水性。試驗(yàn)結(jié)果表明，幾類外加劑拌出的混凝土坍落度、含氣量較為接近，所有混凝土均無泌水，其中選用SF-2000外加劑混凝土容重最大，混凝土含氣量為2.1%，在幾個(gè)品種的外加劑中最低。

經(jīng)外加劑廠家對SF-2000外加劑的引氣量調(diào)整，并與前一批作對比試驗(yàn)，從拌合物含氣量試驗(yàn)結(jié)果來看，調(diào)整過后混凝土含氣量在1%以內(nèi)，基本上無大氣泡，外觀效果較好。

3.3 不同水泥品種對混凝土外觀質(zhì)量影響的試驗(yàn)

選用強(qiáng)度等級42.5的三種普通硅酸鹽水泥，配比及材料選擇表2中用配比及材料；外加劑使用萘系SF-2000(添有消泡劑）。其中華潤水泥穩(wěn)定性好，強(qiáng)度較高，水化熱相對較低，試驗(yàn)與萘系外加劑適應(yīng)性最好，顏色呈青灰白色，表面光感較好，氣泡相對最少，氣泡大小在3mm以下。

3.4 不同粉煤灰品種對混凝土外觀質(zhì)量影響的試驗(yàn)

分別選取深圳與珠海粉煤灰進(jìn)行對比試驗(yàn)，配比及材料選擇表2中用配比及材料,；外加劑使用萘系SF-2000(添有消泡劑）。其中珠海粉煤灰呈褐黃色，深圳沙角粉煤灰呈青黑色，試驗(yàn)拆模后氣泡數(shù)量及大小接近，但用珠海粉煤灰混凝土顏色較深，略泛黃斑，用深圳粉煤灰混凝土顏色自然、更好。

3.5 振動(dòng)時(shí)間及振搗工藝與混凝土氣泡的試驗(yàn)

經(jīng)篩選，混凝土配比確定只摻粉煤灰90kg/m3和外加劑選擇摻添加有消泡劑的萘系高效外加劑試驗(yàn)，成型150mm試塊4個(gè)，分別在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)10s、20s、30s、40s，第二天拆模后觀察混凝土試件側(cè)面氣泡情況，試驗(yàn)情況為：振動(dòng)10s混凝土試塊側(cè)面氣泡數(shù)量較多，氣泡直徑2～3mm，振動(dòng)20s及30s混凝土試塊側(cè)成氣泡數(shù)量及大小差別不大，比10s試塊要少，振動(dòng)40s試塊側(cè)面氣泡數(shù)量最少，但氣泡稍大，最大氣泡直徑達(dá)6mm左右，抺面一面有掉皮細(xì)微斑裂現(xiàn)象，為過振后表面漿體過多所致。

3.6 模擬試驗(yàn)

為檢驗(yàn)混凝土在施工振搗工藝條件的混凝土外表面氣泡情況，在試配階段進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。考慮強(qiáng)力振動(dòng)可能使混凝土表面浮漿過多，又考慮到高標(biāo)號C60水泥用量大，高流態(tài)工作性能，為增加潤滑作用，粉煤灰選擇摻量90kg/m3（選用深圳Ⅱ級粉煤灰），外加劑：選用萘系SF-2000（添加有消泡劑），摻量2.0%。水泥：華潤水泥模擬試驗(yàn)用配比及原材料見表3。

表3 模擬試驗(yàn)用配比 kg/m3

試驗(yàn)結(jié)果：

（1）采用水性脫模劑涂刷模板澆筑的混凝土氣泡數(shù)量及大小均優(yōu)于用普通油性脫模劑。

（2）使用消泡劑的SF-2000萘系外加劑的混凝土外觀質(zhì)量優(yōu)于不加消泡劑的混凝土。

（3）坍落度大的混凝土在相同振搗工藝及振搗時(shí)間的條件下，混凝土側(cè)面的氣泡比坍落度小的混凝土多。

（4）對坍落度在160～180mm的混凝土，模擬高度2m情況下，面積1000mm2分9點(diǎn)振搗，振搗90～150s較為合宜。

3.7 清水混凝土外觀質(zhì)量試驗(yàn)小結(jié)

（1）試驗(yàn)用原材料配制C60混凝土，強(qiáng)度均可達(dá)到要求；

（2）萘系外加劑配制混凝土含氣量可控制在1%以內(nèi)，基本上無大氣泡，外觀效果較好；

（3）華潤水泥穩(wěn)定性好，水化熱相對較低，試驗(yàn)與萘系外加劑適應(yīng)性最好，顏色呈青灰白色，表面光感較好，氣泡相對最少。

（4）深圳沙角粉煤灰混凝土顏色自然、更好。

（5）振動(dòng)時(shí)間20～30s混凝土試塊側(cè)成氣泡大小、數(shù)量均較小。

4 配比對混凝土耐久性指標(biāo)影響

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要劣化因子為氯離子的侵蝕，即海洋大氣中的氯離子以吸附、擴(kuò)散等方式通過混凝土保護(hù)層達(dá)到鋼筋表面，達(dá)到臨界濃度后，引起鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)劣化。因此，在試配階段進(jìn)行了耐久性的研究，以抗壓強(qiáng)度（為了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的承載力要求）及混凝土抵抗氯離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為主要指標(biāo)。

4.1 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1.1 粉煤灰對混凝土強(qiáng)度的影響

經(jīng)測試不同摻量粉煤灰（從0～180kg/m3），對混凝土的初期強(qiáng)度有一定影響，未摻加粉煤灰的試件甚至是摻量180kg的混凝土強(qiáng)度的3倍；但是隨著時(shí)間的推移，28d養(yǎng)護(hù)以后，強(qiáng)度差別逐漸減小，到180d齡期差值基本在10%左右。也就是說，粉煤灰的摻入，只會(huì)影響早期強(qiáng)度，對結(jié)構(gòu)正常使用的強(qiáng)度是能滿足承載能力要求的。大量研究資料也表明，隨著使用周期的延長，大摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度會(huì)始終有增加的趨勢。

4.1.2 水膠比對混凝土強(qiáng)度的影響

通過不同水膠比試塊強(qiáng)度檢測，即便是大摻量粉煤灰的混凝土試件，在低水膠比（0.4以下）時(shí)，其28d強(qiáng)度能夠滿足大多數(shù)混凝土構(gòu)件對抗壓強(qiáng)度的需要，而且其后期強(qiáng)度都有良好的發(fā)展，待混凝土結(jié)構(gòu)投入正常使用時(shí)（如180d齡期），其強(qiáng)度還會(huì)有約40%的提高。而且，此類混凝土，由于大量粉煤灰的摻入，大大降低了水泥的用量，其后期的其他性能也有較大的提高。

4.2 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)

4.2.1 水膠比對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

試驗(yàn)選擇了水膠比0.35、0.40、0.45不同粉煤灰摻量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，同一水膠比情況下，不同摻合料對混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。無論那種水膠比，隨著齡期的增長，摻合料都會(huì)使氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯降低。特別對于大水膠比（0.45）的混凝土試件，該變化尤為顯著，96d齡期的擴(kuò)散系數(shù)降低到28d齡期的25%左右。說明粉煤灰的摻入，能夠大大提高混凝土抗氯離子擴(kuò)散的能力，這對于氯鹽環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)是非常有利的。隨著結(jié)構(gòu)使用時(shí)間的延長，該種混凝土有進(jìn)一步提高抵抗氯鹽能力的可能。

4.2.2 粉煤灰摻量對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

試驗(yàn)選擇了粉煤灰摻量（kg/m3）0、90、120、180不同水膠比試配，測試氯離子擴(kuò)散系數(shù)。試驗(yàn)表明無摻合料的情況下，即使最小的水膠比，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)在56d和90d的時(shí)候已經(jīng)基本穩(wěn)定，大于6×10-12m2/s；摻合料達(dá)到120kg的時(shí)候，96d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)已經(jīng)減小到4×10-12m2/s。

4.3 配比對耐久性指標(biāo)影響分析

（1）粉煤灰的摻入，只會(huì)影響早期強(qiáng)度，對結(jié)構(gòu)正常使用的強(qiáng)度是會(huì)滿足承載能力要求的，大摻量粉煤灰混凝土的強(qiáng)度會(huì)始終有增加的趨勢。

（2）隨水膠比提高時(shí)，28d、56d齡期混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)有較大的提高。無論那種水膠比，隨著齡期的增長，摻合料都會(huì)使氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯降低，即粉煤灰的摻入，能夠大大提高混凝土抗氯離子擴(kuò)散的能力，這對于氯鹽環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)是非常有利的。

（3）混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期的增長而降低，在早齡期（如28～56d）時(shí)降幅較大，隨后降幅減緩；同時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，其降低的幅度更為明顯。因此，如以28d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)來評價(jià)混凝土的滲透性，可能低估了粉煤灰摻量較大的混凝土的抗氯離子滲透能力，以56d或90d的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為控制指標(biāo)可能更為合理。

5 樣板墻試驗(yàn)

為檢驗(yàn)混凝土在實(shí)際模板工藝、施工振搗工藝條件、施工環(huán)境及運(yùn)輸條件的工作性能、成型后混凝土外表觀感質(zhì)量（色澤、色差、氣泡）等情況，為進(jìn)一步優(yōu)化配合比、完善施工工藝，同時(shí)對結(jié)構(gòu)實(shí)體抗裂性能和耐久性進(jìn)行檢驗(yàn)，我們在現(xiàn)場進(jìn)行了樣板墻試驗(yàn)。

5.1 第一次樣板墻試驗(yàn)

采用配合比見表14，模板鋼鋁木組合大模板（面板為進(jìn)口維薩板），鋼筋保護(hù)層厚度25mm，澆筑時(shí)間安排在上午，泵送澆筑，主要目的是檢驗(yàn)混凝土可施工性能和施工工藝。經(jīng)檢測進(jìn)場時(shí)混凝土坍落度為210mm，40分后測混凝土坍落度為190mm，坍落度損失20mm。采用該配比的清水混凝土出場坍落度較大，澆筑出的樣板墻上部有幾處混凝土離析、頂端浮漿過厚（200mm左右）并有一定的泌水現(xiàn)象。

可見施工性能與試配有一定差異，需作進(jìn)一步調(diào)整。

5.2 第二次樣板墻試驗(yàn)

為減少混凝土的消耗性能（坍落度損失減少），而又要控制好混凝土的初始坍落度；增加混凝土的密實(shí)度，又要保證強(qiáng)度。第二次樣板墻試驗(yàn)與第一次樣板墻試驗(yàn)相比，減少水泥用量，加大砂率，加大細(xì)粉料摻量等措施，鋼筋保護(hù)層厚度45mm，其它施工工藝相同。

經(jīng)90分鐘到達(dá)施工現(xiàn)場后測得混凝土坍落度損失2cm左右，擴(kuò)展度490mm，和易性、粘聚性良好，無離析、泌水，可施工性能良好。

6 混凝土樣板墻耐久性檢測

6.1 樣板墻初始氯離子含量

檢測結(jié)果見表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

C60高強(qiáng)混凝土的初始氯離子含量很低，說明試驗(yàn)所用原材料中氯離子混入控制良好，這為結(jié)構(gòu)提供良好的抵抗氯鹽侵蝕，提供了有利的條件。

6.2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)檢測

樣板墻一、二、三結(jié)構(gòu)通過氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果為3.83×10-12、1.65×10-12、1.44×10-12，結(jié)果表明樣板墻混凝土有較低而且平穩(wěn)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，抵抗氯離子擴(kuò)散的能力較高。

6.3 混凝土表面透水性試驗(yàn)

6.3.1 樣板墻透水性試驗(yàn)結(jié)果

1＃樣板墻：清水混凝土透明保護(hù)涂料+調(diào)色劑。試驗(yàn)結(jié)果：表面吸水性系數(shù)0.24；

2＃樣板墻：清水混凝土透明保護(hù)涂料。試驗(yàn)結(jié)果：表面吸水性系數(shù)0.32。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：在清水混凝土表面涂刷涂料，能較大程度減少混凝土表面的吸水性，從而減少氯離子的滲入，提高了混凝土的耐久性，

6.4 混凝土表面透氣性

6.4.1 樣板墻表面透氣性試驗(yàn)結(jié)果

1＃樣板墻：清水混凝土。試驗(yàn)結(jié)果：透氣性系數(shù)0.05；

2＃樣板墻：清水混凝土透明保護(hù)涂料。試驗(yàn)結(jié)果：表面吸氣系數(shù)為0。

3＃樣板墻：清水混凝土透明保護(hù)涂料。結(jié)果與樣板墻2基本相同。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，樣板墻透氣系數(shù)質(zhì)量指標(biāo)很好，涂料能降低混凝土表面的透氣性系數(shù)，即在清水混凝土表面涂刷這些保護(hù)涂料，能較大程度減少混凝土表面的透氣性，從而減少氯離子的滲入，提高了混凝土的耐久性。

6.5 混凝土干燥收縮率和自收縮

由表5、表6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：

采用所選配合比，C60高強(qiáng)混凝土收縮率非常小，減少了干縮和自縮裂縫的產(chǎn)生；

6.6 混凝土保護(hù)層測試

表4 樣板墻初始氯離子含量檢測結(jié)果

表5 干燥收縮率試驗(yàn)結(jié)果

表6 C60混凝土自收縮試驗(yàn)結(jié)果

通過以上檢測，三片樣板墻鋼筋保護(hù)層控制質(zhì)量較好，在規(guī)范允許偏差之內(nèi)。為了保證結(jié)構(gòu)耐久性，樣板墻1鋼筋保護(hù)層厚度不足，但同時(shí)要求達(dá)到清水混凝土效果，鋼筋保護(hù)層厚度不宜太大。

表10 樣板墻混凝土保護(hù)層測試結(jié)果

7 樣板混凝土墻實(shí)驗(yàn)效果

根據(jù)樣板墻試驗(yàn)及現(xiàn)場檢測，試驗(yàn)用配合比工作性能良好，初始坍落度、現(xiàn)場坍落度、擴(kuò)展度、初凝時(shí)間均符合要求；和易性、粘聚性良好，無離析、泌水；混凝土表面情況：光滑、青灰白色擇自然，無大氣泡，氣泡含量較少；混凝土平均強(qiáng)度：R3=45.6MPa達(dá)到76%,R7=55.9MPa達(dá)到93%, R28=66.1MPa達(dá)到110%。

樣板墻的混凝土采用了0.30左右的水膠比，而且摻入了16%（32%、32%）的摻合料，混凝土澆筑質(zhì)量良好，表面混凝土具有極好的抗?jié)B透能力和抗裂性能。樣板墻氯離子擴(kuò)散系數(shù)最大為3.83×10-12m2/s，經(jīng)無損檢測樣實(shí)際保護(hù)層厚度（板墻1均值28.1 mm，樣板墻2均值45.4mm，樣板墻3均值46.1mm)，不考慮保護(hù)涂料對減少氯離子滲入的作用，樣板墻1不能滿足氯離子擴(kuò)散下結(jié)構(gòu)耐久性要求；樣板墻2、3均能滿足氯離子擴(kuò)散下結(jié)構(gòu)耐久性要求。

8 結(jié)論及實(shí)施效果

我們研制的濱海地區(qū)高性能清水混凝土配合比，在深圳萬科中心工程項(xiàng)目中得到應(yīng)用，且根據(jù)試驗(yàn)研制提出的混凝土原材料性能和構(gòu)造要求，加強(qiáng)了對施工過程的跟蹤管理，混凝土坍落度、擴(kuò)展度滿足要求，拆模后混凝土外觀質(zhì)量得建筑師的認(rèn)可，經(jīng)實(shí)體清水混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測評估，耐久性符合要求，完全能達(dá)到結(jié)構(gòu)期望的50年使用壽命。

本文得到以下單位及個(gè)人的大力支持，在此表示感謝！

感謝馮乃謙教授的指導(dǎo)；

感謝萬科中心工程項(xiàng)目甲方的大力支持；

感謝中建三局一公司深圳分公司萬科中心項(xiàng)目部的全力配合和支持。