C35樁基海工高性能混凝土配合比設(shè)計研究

王 猛

（廣東交科檢測有限公司，廣東 廣州 510426）

1 引言

在橋梁結(jié)構(gòu)中，鋼筋混凝土是其主要的組成部分，但其在實際建造時容易有損害出現(xiàn)［1～2］?；炷两Y(jié)構(gòu)若在有害介質(zhì)的環(huán)境服役，會使其設(shè)計使用壽命受到較大影響。在我國沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)分布的混凝土有著不一樣的破壞形式。對于沿海和內(nèi)陸地區(qū)而言，其各自的主要破壞形式分別為氯鹽侵蝕和鋼筋銹蝕。沿海地區(qū)的橋梁混凝土因長期處于惡劣環(huán)境中，對其耐久性能而言，容易因不斷受到氯鹽的侵蝕作用而有所降低［3～6］。故對于沿海橋梁而言，混凝土的耐久性是其重點研究對象。

2 工程概況

牛田洋特大橋共分北岸公軌共建段、牛田洋大橋北引橋、牛田洋大橋主橋及牛田洋大橋南引橋26#～44#墩四部分，牛田洋特大橋0#～30#墩直線距離3908.2m，其中主橋為公軌兩用鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為77.5m+166.1m+468m+166.1m+77.5m。全橋所用體系為采用半漂浮式。主塔以鉆孔灌注樁作為樁基礎(chǔ)。

3 配合比設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

牛田洋大橋樁基配合比為C35海工混凝土，水泥采用硅酸鹽Ⅱ型水泥，河砂采用MX為2.6-3.0符合Ⅱ區(qū)顆粒級配，碎石粒徑為5-20mm且級配良好，礦渣粉采用S95礦渣粉，粉煤灰采用Ⅰ級粉煤灰，外加劑應(yīng)該用品質(zhì)穩(wěn)定且與膠凝材料具有良好相容性的產(chǎn)品，基于工程經(jīng)驗，推薦采用聚羧酸類混凝土高效減水劑，最大水膠比為0.40，砼28d齡期氯離子擴散系數(shù)＜7.0（10-12m2s-1），28d齡期氯離子擴散系數(shù)＜3.0（10-12m2s-1），56d電通量＜1000C。

3.2 正交設(shè)計法

在混凝土的配合比設(shè)計過程中，正交設(shè)計相比于傳統(tǒng)試驗方法，其所需進行的試驗次數(shù)較少，并能夠取得性能較優(yōu)的混凝土配合比。正交設(shè)計是通過正交表取得多因素的設(shè)計方法，能夠從較多的試驗組中選取出性能搭配最均衡和整齊的因素組合進行試驗研究。正交試驗設(shè)計僅需較少的試驗次數(shù)，能夠較大程度的減少人力物力水平的投入，并且能夠以極差分析的方式取得試驗結(jié)果與各個影響因素之間的主次關(guān)系，能夠較大程度的提高試驗準(zhǔn)確性。

基于海工高性能混凝土水膠比較低以及耐久性要求較高的特點，結(jié)合牛田洋特大橋所處環(huán)境，本次試驗采用改變其水膠比以及礦物摻合量的方式，通過正交設(shè)計方法，對C35海工高性能混凝土的性能進行分析，以確定其配合比。試驗采用華潤封開P.Ⅱ52.5水泥、廈門益材F類Ⅰ級粉煤灰、廣東國鑫S95級礦渣粉、韓江砂場Ⅱ區(qū)河砂以、潮州匯富連續(xù)極配5-20mm粒徑的碎石及江蘇蘇博特PCA-Ⅰ型聚羧酸高性能減水劑，43%的砂率、減水劑摻量為1.0%。通過配合比試驗，取得C35海工高性能混凝土在不同影響因素下的初始坍落度以及耐久性能等。所得結(jié)果如表1所示。

表1 C35海工高性能混凝土性能試驗結(jié)果

3.3 C35海工高性能混凝土坍落度分析

新拌混凝土流動性的優(yōu)劣對其工作性能有較大影響?；谏媳硭锰涠冉Y(jié)果，對其開展正交極差分析，所得結(jié)果如圖1所示。

圖1 坍落度極差分析結(jié)果

從圖中可以看出：坍落度極差分析結(jié)果為，粉煤灰摻量最小，而水膠比最大。即對于坍落度而言，水膠布為主要的影響因素。隨著水膠比增加，C35海工高性能混凝土的坍落度也隨之增加。相比于水膠比從0.36到0.39的變化，當(dāng)水膠比從0.33變化到0.36時，其坍落度有著較大的上升幅度。粉煤灰摻量對其影響較小，但對于其坍落度而言，隨著不斷提高的粉煤灰摻量有隨之上升的表現(xiàn)。礦渣粉的摻量與坍落度呈正比例關(guān)系，但兩者的聯(lián)系性較差，具體表現(xiàn)在礦渣粉的摻量在20%上升到25%時，坍落度的增加量僅表現(xiàn)出1mm。綜上分析，確定出3號試驗組的配合比有較好的混凝土坍落度。

4 C35海工高性能混凝土耐久性研究

4.1 氯離子擴散系數(shù)研究

圖2 C35海工高性能混凝土28d氯離子擴散系數(shù)試驗結(jié)果

圖3 C35海工高性能混凝土84d氯離子擴散系數(shù)試驗結(jié)果

由圖2、圖3可知，在28d氯離子擴散系數(shù)試驗結(jié)果中，三種因素的極差大小均相同。在84d氯離子擴散系數(shù)試驗結(jié)果中，三種因素的極差大小排序為：因素A＞因素C=因素B。即水膠比是主要的影響因素。

28d和84d的C35海工高性能混凝土的擴散系數(shù)均隨著不斷增加的水膠比而表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。相比之下，當(dāng)水膠比相同時，隨著不斷增加的養(yǎng)護齡期，C35海工高性能混凝土在84d時的氯離子擴散系數(shù)均有所減少。C35海工高性能混凝土在28d時的氯離子擴散系數(shù)隨著不斷增加的粉煤灰摻量而有線性降低的趨勢，相比之下，84d氯離子擴散系數(shù)降低趨勢更明顯。28d氯離子擴散系數(shù)在15%的礦渣粉增加到25%時表現(xiàn)出先減少后趨于穩(wěn)定的規(guī)律；而此時84d氯離子擴散系數(shù)則表現(xiàn)出整體下降的趨勢。

從28d氯離子擴散系數(shù)試驗結(jié)果可知，配合比較好的是A2B3C3；從84d氯離子擴散系數(shù)試驗結(jié)果可知，配合比較好的是A2B3C3。

4.2 電通量試驗

圖4 28d電通量的因素水平變化趨勢圖

圖5 84d電通量的因素水平變化趨勢圖

由圖4、圖5中可知，A因素有著最大的28d電通量極差，B因素最小，表明影響28d電通量的主要因素為水膠比，粉煤灰摻量的影響較小；A因素有著最大的84d電通量極差，C因素最小。表明水膠比是84d電通量的主要影響因素，綜上可知，水膠比對于C35海工高性能混凝土的電通量有著最大的影響。

C35海工高性能混凝土的28d電通量隨著不斷增加的水膠比表現(xiàn)出先上升后降低的趨勢；而84d電通量在0.33的水膠比上升到0.39之后，表現(xiàn)出先降低后上升的趨勢?；炷恋?8d電通量在20%粉煤灰摻量上升到30%時表現(xiàn)出整體降低的趨勢，相對減少了19c和33c；與28d相比，當(dāng)粉煤灰摻量一定時，提高養(yǎng)護齡期能夠使其84d電通量有所減?。划?dāng)?shù)V渣粉摻量從15%上升到25%時，其28d電通量有所降低；隨著礦渣粉摻量的不斷提高，84d電通量表現(xiàn)出先減小后升高的規(guī)律，其電通量減少了22%，24.5%以及16%。

從28d電通量試驗結(jié)果可知，其配合比較好的是A2B3C3；從84d電通量試驗結(jié)果可知，其配合比較好的是A2B3C2。綜上所述，A2B3C3是C35海工高性能混凝土中較好的配合比。但實際操作中，對于C35海工混凝土的使用性能而言，粉煤灰摻量對其影響較小，并且礦渣粉經(jīng)濟性較差，故在確保其強度以及耐久性的前提下，選擇A2B2C3作為其配合比。如表2所示。

表2 C35海工高性能混凝土配合比

5 實際工程應(yīng)用

依據(jù)表2所得混凝土配合比施工，所成型樁基試件28d、84d氯離子擴散系數(shù)及電通量符合設(shè)計要求，可在實體工程中指導(dǎo)施工，如下表所示。

表3 實際工程試驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

通過上述正交設(shè)計實驗，可得出以下結(jié)論：

（1）C35海工高性能混凝土的坍落度隨著三種影響因素?fù)搅康脑黾佣尸F(xiàn)出不斷增加的趨勢；

（2）C35海工高性能混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨著不斷增加的水膠比而呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢；但其氯離子擴散系數(shù)在提高粉煤灰以及礦渣粉摻量時表現(xiàn)出不斷降低的趨勢。

（3）C35海工高性能混凝土的電通量隨著不斷增加的水膠比而呈現(xiàn)出現(xiàn)降低后上升的趨勢；電通量在粉煤灰摻量提高時表現(xiàn)出不斷減小的規(guī)律；在礦渣粉摻量上升時，C35海工高性能混凝土在28d時的電通量表現(xiàn)出有所降低的趨勢，而在84d時的電通量則表現(xiàn)出先降低后上升的趨勢。

（4）通過上述的分析可知，水膠比對C35高性能混凝土的電通量和氯離子擴散系數(shù)有著較大的影響。從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)被腐蝕的過程進行分析可知：當(dāng)鋼筋處于堿性環(huán)境下時，會有一層鈍化膜出現(xiàn)在其表面，從而對其起到保護作用，但氯離子的存在使得該層氧化膜受到破壞，導(dǎo)致鋼筋銹蝕反應(yīng)加速。因此在確保強度以及耐久性均符合要求的前提下，應(yīng)優(yōu)選水膠比較好的A2B2C3作為配合比，并能確保經(jīng)濟合理性。