海工高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

林宏璋

廣東交通集團(tuán)檢測(cè)中心 廣東廣州 510550

摘要：海洋工程處于惡劣的海洋環(huán)境，具有氣溫高、濕度大、海水含鹽度高的特點(diǎn)，受海水、海風(fēng)、鹽霧、潮汐、干濕循環(huán)等眾多因素影響，工程主體的鋼筋混凝土構(gòu)件容易因氯離子侵蝕、化學(xué)介質(zhì)侵蝕破壞等產(chǎn)生銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化，危及結(jié)構(gòu)的安全使用。為保證結(jié)構(gòu)耐久性，使工程達(dá)到120年設(shè)計(jì)使用年限的要求，海工高性能混凝土使用常規(guī)材料、常規(guī)工藝，以較低水膠比、適當(dāng)摻量活性摻合料和較嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施制作的具有高的抗氯離子滲透性、滿足結(jié)構(gòu)要求的較高強(qiáng)度、良好的工作性以及較高體積穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：跨海大橋；高性能混凝土；配合比

1 高性能混凝土基本要求

1.1 耐久性

處于氯鹽腐蝕環(huán)境的混凝土必須具有高的抗氯離子滲透性，高性能混凝土的重要特點(diǎn)是具有高抗氯離子滲透性和高抗?jié)B性。

1.2 高工作性能

高性能混凝土具有良好的流變學(xué)性能，高流動(dòng)性，不泌水，不離析，能在正常施工條件下保證混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和均勻性，對(duì)于鋼筋密集的高大結(jié)構(gòu)中能自留成型，從而保證該結(jié)構(gòu)的密實(shí)性。

1.3 低熱低收縮、抗裂性

混凝土構(gòu)件尺寸越大，發(fā)生溫度應(yīng)力裂縫的可能性也越大。減少混凝土的水泥用量和降低混凝土的初始溫度及使用低熱水泥、減少混凝土溫差等措施，很大程度可避免或減少混凝土的開(kāi)裂，大大提高了混凝土的耐久性能。

1.4 強(qiáng)度

混凝土（抗壓）強(qiáng)度是混凝土力學(xué)性能的考核指標(biāo)和工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2 高性能混凝土對(duì)原材料的選擇

高性能混凝土原材料主要采用常規(guī)的原材料，因此不能對(duì)配制高性能混凝土用原材料提出太多的苛刻的要求，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)原材料提出關(guān)鍵性的技術(shù)要求，才具有實(shí)際意義。

2.1 水泥

水泥；配制高性能海工耐久混凝土不得使用立窯水泥，應(yīng)避免使用早強(qiáng)、水化熱較高和高C3A含量的水泥；水泥中C3A含量宜控制在8%以內(nèi)，水泥細(xì)度不宜超過(guò)380m2 /kg，游離氧化鈣不宜超過(guò)1.5%。

海洋工程宜采用強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5級(jí)的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥質(zhì)量應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的規(guī)定，不宜采用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。

水泥的氯離子含量應(yīng)低于0.03%，堿含量應(yīng)不大于0.60%。

水泥運(yùn)到工地后應(yīng)盡快使用，但溫度高于50℃的水泥不宜直接拌和混凝土，宜冷卻至50℃以下使用。水泥由于受潮或其它原因而發(fā)生質(zhì)量變化時(shí)，應(yīng)從場(chǎng)內(nèi)運(yùn)走，不得使用。

2.2 水

（1）一般要求

拌合用水易采用飲用水，當(dāng)采用其它水源時(shí)，應(yīng)符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ041-2000）的要求，不得采用海水。

（2）水的化學(xué)方面要求

①水中不應(yīng)含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害雜質(zhì)及油脂、糖類、游離酸類、堿、鹽、有機(jī)物或其他有害物質(zhì)。②不得采用污水、pH值小于5的酸性水；硫酸鹽含量（按SO42-計(jì)）超過(guò)500mg/L的水和氯化物含量大于500mg/L水不得使用于本工程混凝土中。③混凝土結(jié)構(gòu)不得用海水拌制混凝土。

2.3 骨料

骨料在混凝土中約占70%，是混凝土的主要組成部分。集料與摻合料 集料的選擇應(yīng)考慮其堿活性，防止堿集料反應(yīng)造成的危害，集料的耐蝕性和吸水性，同時(shí)選擇合理的級(jí)配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土密實(shí)度。

粗集料宜采用反擊破工藝生產(chǎn)的堅(jiān)硬碎石。需要采用粗石、細(xì)石混合使用的混合級(jí)配其緊密堆積空隙率不宜大于40%。

粗集料最大粒徑應(yīng)不超過(guò)結(jié)構(gòu)物最小尺寸的1/4、鋼筋最小凈距的3/4和保護(hù)層厚度的2/3；當(dāng)設(shè)置兩層或多層鋼筋時(shí)，不得超過(guò)鋼筋最小凈距的1/2；泵送混凝土的粗集料最大粒徑不應(yīng)超過(guò)輸送管內(nèi)徑的1/3；水下灌注混凝土的粗集料最大粒徑不得大于導(dǎo)管內(nèi)徑的1/6和鋼筋最小凈距的1/4。海工混凝土粗集料采用碎石，最大粒徑不應(yīng)超過(guò)25mm。

粗集料進(jìn)場(chǎng)時(shí)控制級(jí)配、針片狀顆粒含量、吸水率和密度，包括堆積密度和表觀密度、含泥量、堅(jiān)固性、壓碎值指標(biāo)、堿集料反應(yīng)，有害物質(zhì)含量等。

細(xì)集料應(yīng)選用顆粒堅(jiān)硬、強(qiáng)度高、耐風(fēng)化的天然河砂，不得使用海砂、山砂、人工砂或風(fēng)化嚴(yán)重的多孔砂。

泵送混凝土用砂宜選用細(xì)度模數(shù)為3.0～2.6的中粗砂，2.36mm篩孔的累計(jì)篩余宜不大于15%，0.3mm篩孔的累計(jì)篩余量宜在85～93%。

粗集料進(jìn)場(chǎng)時(shí)控制細(xì)度模數(shù)、顆粒級(jí)配、含泥量、泥塊含量、堅(jiān)固性、氯離子含量、有害雜質(zhì)含量和堿活性等。

2.4 外加劑

所采用的化學(xué)外加劑，必須是經(jīng)過(guò)有關(guān)部門檢驗(yàn)并附有檢驗(yàn)合格證的產(chǎn)品，其質(zhì)量應(yīng)符合《混凝土外加劑》（GB/T 8076-1997）、《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50119-2003）以及《聚羧酸系高性能減水劑》（JG/T223-2007）的規(guī)定，使用前應(yīng)復(fù)驗(yàn)其效果，使用時(shí)應(yīng)符合產(chǎn)品說(shuō)明、及本規(guī)范關(guān)于混凝土配合比、拌制、澆筑等各項(xiàng)規(guī)定。

2.5 礦物質(zhì)摻合料

粉煤灰質(zhì)量應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）和《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T 18736-2002）的I級(jí)粉煤灰規(guī)定。同時(shí)海工混凝土應(yīng)控制粉煤灰的氯離子含量不宜大于0.02%

磨細(xì)高爐?；V渣粉（礦粉）進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)，應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T18046-2008）中的S95以上規(guī)定。大體積海工混凝土宜采用比表面積控制在400～440 m2/kg范圍S95級(jí)礦粉，氯離子含量不宜大于0.02%，燒失量不大于1%。

3 海工高性能混凝土配合比

3.1 配合比設(shè)計(jì)基本規(guī)定

3.1.1 在滿足混凝土單位體積膠凝材料最低用量要求的前提下，盡可能降低硅酸鹽水泥用量，使用大摻量?jī)?yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細(xì)礦粉等礦物摻合料，以降低混凝土水化熱溫升和提高混凝土抗氯離子滲透性。

3.1.2 配制海工高性能混凝土，宜采用混摻礦物摻合料的膠凝材料體系，混摻礦物摻合料的總量不宜低于膠凝材料總量的45%，不宜超過(guò)膠凝材料總量的70%?；鞊降V物摻合料的膠凝材料體系摻合料的適宜摻量如下表1所示。

表1 混摻礦物摻合料體系摻合料的適宜摻量

礦物摻合料種類 磨細(xì)?；郀t礦渣 粉煤灰 硅灰

占膠凝材料質(zhì)量百分比/% ≤45 ≤30 ≤5

3.1.3 在滿足混凝土強(qiáng)度、工作性、耐久性要求的前提下，最大限度地減少膠凝材料用量及漿體率，提高混凝土體積穩(wěn)定性。

3.1.4 對(duì)于大體積混凝土宜選用具有緩凝效果的高效減水劑，以推遲和削減水化熱溫峰。

3.1.5 通過(guò)使用級(jí)配、粒形良好的集料來(lái)降低混凝土中漿體比率、提高混凝土的體積穩(wěn)定性，通過(guò)摻入大量礦物摻合料來(lái)降低混凝土水化熱溫升、提高混凝土的抗?jié)B性能，通過(guò)摻入與膠凝材料匹配的優(yōu)質(zhì)高效減水劑來(lái)降低混凝土升溫速率及混凝土中的拌合用水量，通過(guò)適量的引氣來(lái)提高混凝土的體積穩(wěn)定性、降低混凝土的粘性，提高混凝土的施工性。

3.1.6 混凝土抗氯離子滲透性采用非穩(wěn)態(tài)氯離子快速遷移法（NT Build492）來(lái)評(píng)定。分別檢測(cè)28d、56d及混凝土抗氯離子滲透性，掌握抗氯離子滲透性的發(fā)展規(guī)律，便于現(xiàn)場(chǎng)施工控制使用，其中以28d抗氯離子滲透性指標(biāo)作為質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，以56d抗氯離子滲透性指標(biāo)作為質(zhì)量評(píng)定依據(jù)，預(yù)制混凝土構(gòu)件宜以56d抗氯離子滲透性指標(biāo)作為評(píng)定依據(jù)。

3.2 海工高性能混凝土常用標(biāo)號(hào)及主要設(shè)計(jì)指標(biāo)表2

表2 海工高性能混凝土常用標(biāo)號(hào)及主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

序號(hào) 混凝土標(biāo)號(hào) 最大

水膠比 施 工 和 易 性（mm） Cl-擴(kuò)散系數(shù)m2/s 抗?jié)B等級(jí) 試配強(qiáng)度

塌落度 擴(kuò)展度 28d 56d

1 C35 0.42 200±20 500±50 7.0×10-12 5.0×10-12 / 43.2

2 C40 0.40 200±20 500±50 7.0×10-12 4.5×10-12 / 48.2

3 C45 0.38 200±20 / 6.5×10-12 4.5×10-12 P12 54.0

4 C50 0.36 180±20 / 6.5×10-12 4.5×10-12 / 60.0

5 C55 0.36 180±20 / 6.0×10-12 4.0×10-12 / 69.9

66 C60 0.36 180±20 / 6.0×10-12 4.0×10-12 / 69.9

3.3 海工高性能施工配合比試驗(yàn)研究

3.3.1 原材料選擇簡(jiǎn)述

（1）水泥：華潤(rùn)水泥華潤(rùn)水泥（平南）有限公司生產(chǎn)P·Ⅱ 42.5水泥，比表面積360m2/kg，28d抗壓強(qiáng)度49.6MPa，CaO含量62.41%，MgO含量2.2 %，三氧化硫SO3含量2.4 %。

（2）粉煤灰：江蘇鎮(zhèn)江諫壁電廠生產(chǎn)的蘇源牌Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度 8.0%，燒失量 1.5%，需水量比94%，三氧化硫（SO3）含量 0.6%。

（3）礦粉：唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司生產(chǎn)S95級(jí)礦渣粉，比表面積430m2/kg，流動(dòng)度比104，燒失量0.11%，三氧化硫含量0.03%，28d活性指數(shù)104%。

（4）碎石：新會(huì)白水帶石場(chǎng)，5～10mm，10～20mm（或10～25mm）碎石兩種粒徑進(jìn)行摻配，配制成5～20mm（或5～25mm）的連續(xù)級(jí)配，表觀密度2.69g/cm3，壓碎指標(biāo)4%，含泥量0.2%，針片狀顆粒含量2%，堅(jiān)固性2%，硫化物及硫酸鹽含量0.2%，無(wú)潛在堿-硅酸反應(yīng)危害，C35樁基配合比可采用5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石，承臺(tái)、墩、箱梁、沉管可采用5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石。

（5）砂：產(chǎn)地西江，2區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)3.0，表觀密度2.61 g/cm3，堆積密度1.57 g/cm3，含泥量0.8%，2.36mm篩孔的累計(jì)篩余15%，0.3mm篩孔的累計(jì)篩余93%。

（6）外加劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA-I聚羧酸高性能減水劑（緩凝型），減水率31%，28d抗壓強(qiáng)度134%。

（7）水：飲用自來(lái)水。

3.3.2各強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表3

表3 混凝土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)

編號(hào) 水膠比 砂率 試 配 混 凝 土 材 料 用 量（kg/m3） 坍落度（mm） 拌合料工作性能描述

水 水泥 粉煤灰 礦渣粉 膠材 碎石 砂 外加劑

T35 0.35 44 145 207 124 83 414 1000 786 4.14 210 保水性、粘聚性良好，流動(dòng)性適中

T40 0.35 45 150 210 132 88 420 1020 805 4.40 220 保水性、粘聚性良好，流動(dòng)性適中

T45 0.34 43 143 189 105 126 420 1024 780 4.20 180 保水性、粘聚性良好，流動(dòng)性適中

T50 0.32 41 141 220 110 110 440 1065 771 4.40 185 保水性、粘聚性良好，流動(dòng)性適中

T55 0.30 41 141 282 70 118 470 1076 748 4.70 220 保水性、粘聚性良好，流動(dòng)性適中

T60 0.30 40 146 326 88 73 487 1063 709 5.36 220 保水性、粘聚性良好，流動(dòng)性適中

3.3.3混凝土各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表4

表4 配合比性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)編號(hào) 水膠比 7d抗壓強(qiáng)度（MPa） 28d抗壓強(qiáng)度（MPa） 抗?jié)B等級(jí) 塌落度 （mm） 擴(kuò)展度（mm） 含氣量（%） 28dCl-擴(kuò)散系數(shù)（m2/s） 56dCl-擴(kuò)散系數(shù)（m2/s） 粘聚性 保水性

T35 0.35 36.0 45.4 >P12 210 505 2.7 5.9×10-12 3.2×10-12 良好 良好

T40 0.35 36.0 51.9 >P12 220 500 2.8 6.0×10-12 3.0×10-12 良好 良好

T45 0.34 44.5 54.2 >P12 180 490 2.9 4.1×10-12 2.9×10-12 良好 良好

T50 0.32 44.6 60.7 >P12 185 490 2.8 3.4×10-12 2.2×10-12 良好 良好

T55 0.30 56.9 65.3 >P12 220 505 2.8 2.6×10-12 1.9×10-12 良好 良好

T60 0.30 60.9 72.6 >P12 220 510 3.0 4.9×10-12 2.9×10-12 良好 良好

4 海工混凝土配合比在工程施工上的應(yīng)用

各配合比在港珠澳大橋主體工程橋梁工程CB05標(biāo)和島隧工程樁基、沉管、箱梁、橋面板等部分構(gòu)件施工使用。在混凝土施工過(guò)程中，混凝土的和易性好，施工快捷，而且混凝土的凝聚性和流動(dòng)性特別好。在控制好混凝土的入模溫度，嚴(yán)格按照施工技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行施工，做好夏季施工溫控措施，混凝土養(yǎng)護(hù)及時(shí)到位，降低了大體積混凝土開(kāi)裂的幾率，使混凝土外觀美觀平整，色澤均勻一致。

在海工混凝土各工程實(shí)體澆筑過(guò)程中，按規(guī)定現(xiàn)場(chǎng)取樣、成型和養(yǎng)護(hù)，并按規(guī)范要求，完成了海工混凝土抗壓強(qiáng)度和氯離子滲透性試驗(yàn)，以質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)行海工混凝土質(zhì)量評(píng)定，海工混凝土的強(qiáng)度和氯離子滲透指標(biāo)均高標(biāo)準(zhǔn)地滿足了港珠澳大橋混凝土耐久性質(zhì)量技術(shù)規(guī)程及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求。其技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5

表5 混凝土技術(shù)指標(biāo)匯總表

指標(biāo)

使用部位 設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) 28d抗壓強(qiáng)度/MPa 56dCl-擴(kuò)散系數(shù)（m2/s） 抗?jié)B等級(jí) 評(píng)定

試驗(yàn)

組數(shù) 平均值 標(biāo)準(zhǔn)差 試驗(yàn)

組數(shù) 平均值 設(shè)計(jì)值 試驗(yàn)

組數(shù) 平均值

樁基 C35 12 45.1 2.6 8 3.1×10-12 5.0×10-12 / / 良好

樁基 C40 10 52.8 3.1 5 2.6×10-12 4.5×10-12 / / 良好

沉管 C45 10 56.9 2.9 10 2.8×10-12 4.5×10-12 3 >P12 良好

墩 C50 12 63.5 2.6 8 2.6×10-12 4.5×10-12 / / 良好

箱梁 C55 10 67.1 2.5 8 2.0×10-12 4.0×10-12 / / 良好

橋面板 C60 24 71.9 2.3 13 2.5×10-12 4.0×10-12 / / 良好

5 結(jié)束語(yǔ)

5.1 對(duì)相同的混凝土配合比，不同的原材料及其參量對(duì)混凝土的強(qiáng)度、工作性能等有較大的影響，外加劑的影響尤為突出。

5.2 高性能混凝土的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循選用高效減水劑、摻入活性摻和料、優(yōu)化配合比參數(shù)等基本原則。通過(guò)降低水膠比、強(qiáng)化水泥石與集料的界面、改善水泥水化產(chǎn)物、降低孔隙比、提高密實(shí)度來(lái)實(shí)現(xiàn)高耐久、高強(qiáng)度、高性能。

5.3 高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和工藝來(lái)設(shè)計(jì)并優(yōu)化得到。

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