海工高性能混凝土配合比設計

林宏璋

廣東交通集團檢測中心 廣東廣州 510550

摘要：海洋工程處于惡劣的海洋環境，具有氣溫高、濕度大、海水含鹽度高的特點，受海水、海風、鹽霧、潮汐、干濕循環等眾多因素影響，工程主體的鋼筋混凝土構件容易因氯離子侵蝕、化學介質侵蝕破壞等產生銹蝕，導致結構性能退化，危及結構的安全使用。為保證結構耐久性，使工程達到120年設計使用年限的要求，海工高性能混凝土使用常規材料、常規工藝，以較低水膠比、適當摻量活性摻合料和較嚴格的質量控制措施制作的具有高的抗氯離子滲透性、滿足結構要求的較高強度、良好的工作性以及較高體積穩定性。

關鍵詞：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是具有高抗氯離子滲透性和高抗滲性。

1.2 高工作性能

高性能混凝土具有良好的流變學性能，高流動性，不泌水，不離析，能在正常施工條件下保證混凝土結構的密實性和均勻性，對于鋼筋密集的高大結構中能自留成型，從而保證該結構的密實性。

1.3 低熱低收縮、抗裂性

混凝土構件尺寸越大，發生溫度應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裂，大大提高了混凝土的耐久性能。

1.4 強度

混凝土（抗壓）強度是混凝土力學性能的考核指標和工程驗收標準。

2 高性能混凝土對原材料的選擇

高性能混凝土原材料主要采用常規的原材料，因此不能對配制高性能混凝土用原材料提出太多的苛刻的要求，而應根據實際情況，對原材料提出關鍵性的技術要求，才具有實際意義。

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，應避免使用早強、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，水泥細度不宜超過380m2 /kg，游離氧化鈣不宜超過1.5%。

海洋工程宜采用強度等級不低于42.5級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥質量應符合國家標準《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的規定，不宜采用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥。

水泥的氯離子含量應低于0.03%，堿含量應不大于0.60%。

水泥運到工地后應盡快使用，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生質量變化時，應從場內運走，不得使用。

2.2 水

（1）一般要求

拌合用水易采用飲用水，當采用其它水源時，應符合《公路橋涵施工技術規范》（JTJ041-2000）的要求，不得采用海水。

（2）水的化學方面要求

①水中不應含有影響水泥正常凝結與硬化的有害雜質及油脂、糖類、游離酸類、堿、鹽、有機物或其他有害物質。②不得采用污水、pH值小于5的酸性水；硫酸鹽含量（按SO42-計）超過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混凝土結構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 集料的選擇應考慮其堿活性，防止堿集料反應造成的危害，集料的耐蝕性和吸水性，同時選擇合理的級配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土密實度。

粗集料宜采用反擊破工藝生產的堅硬碎石。需要采用粗石、細石混合使用的混合級配其緊密堆積空隙率不宜大于40%。

粗集料最大粒徑應不超過結構物最小尺寸的1/4、鋼筋最小凈距的3/4和保護層厚度的2/3；當設置兩層或多層鋼筋時，不得超過鋼筋最小凈距的1/2；泵送混凝土的粗集料最大粒徑不應超過輸送管內徑的1/3；水下灌注混凝土的粗集料最大粒徑不得大于導管內徑的1/6和鋼筋最小凈距的1/4。海工混凝土粗集料采用碎石，最大粒徑不應超過25mm。

粗集料進場時控制級配、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、堅固性、壓碎值指標、堿集料反應，有害物質含量等。

細集料應選用顆粒堅硬、強度高、耐風化的天然河砂，不得使用海砂、山砂、人工砂或風化嚴重的多孔砂。

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

粗集料進場時控制細度模數、顆粒級配、含泥量、泥塊含量、堅固性、氯離子含量、有害雜質含量和堿活性等。

2.4 外加劑

所采用的化學外加劑，必須是經過有關部門檢驗并附有檢驗合格證的產品，其質量應符合《混凝土外加劑》（GB/T 8076-1997）、《混凝土外加劑應用技術規范》（GB50119-2003）以及《聚羧酸系高性能減水劑》（JG/T223-2007）的規定，使用前應復驗其效果，使用時應符合產品說明、及本規范關于混凝土配合比、拌制、澆筑等各項規定。

2.5 礦物質摻合料

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

磨細高爐?；V渣粉（礦粉）進場檢驗，應符合現行國家標準《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T18046-2008）中的S95以上規定。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 配合比設計基本規定

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，使用大摻量優質粉煤灰、磨細礦粉等礦物摻合料，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?；郀t礦渣 粉煤灰 硅灰

占膠凝材料質量百分比/% ≤45 ≤30 ≤5

3.1.3 在滿足混凝土強度、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，提高混凝土體積穩定性。

3.1.4 對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 通過使用級配、粒形良好的集料來降低混凝土中漿體比率、提高混凝土的體積穩定性，通過摻入大量礦物摻合料來降低混凝土水化熱溫升、提高混凝土的抗滲性能，通過摻入與膠凝材料匹配的優質高效減水劑來降低混凝土升溫速率及混凝土中的拌合用水量，通過適量的引氣來提高混凝土的體積穩定性、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態氯離子快速遷移法（NT Build492）來評定。分別檢測28d、56d及混凝土抗氯離子滲透性，掌握抗氯離子滲透性的發展規律，便于現場施工控制使用，其中以28d抗氯離子滲透性指標作為質量控制標準，以56d抗氯離子滲透性指標作為質量評定依據，預制混凝土構件宜以56d抗氯離子滲透性指標作為評定依據。

3.2 海工高性能混凝土常用標號及主要設計指標表2

表2 海工高性能混凝土常用標號及主要設計指標

序號 混凝土標號 最大

水膠比 施 工 和 易 性（mm） Cl-擴散系數m2/s 抗滲等級 試配強度

塌落度 擴展度 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研究

3.3.1 原材料選擇簡述

（1）水泥：華潤水泥華潤水泥（平南）有限公司生產P·Ⅱ 42.5水泥，比表面積360m2/kg，28d抗壓強度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：江蘇鎮江諫壁電廠生產的蘇源牌Ⅰ級粉煤灰，細度 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S95級礦渣粉，比表面積430m2/kg，流動度比104，燒失量0.11%，三氧化硫含量0.03%，28d活性指數104%。

（4）碎石：新會白水帶石場，5～10mm，10～20mm（或10～25mm）碎石兩種粒徑進行摻配，配制成5～20mm（或5～25mm）的連續級配，表觀密度2.69g/cm3，壓碎指標4%，含泥量0.2%，針片狀顆粒含量2%，堅固性2%，硫化物及硫酸鹽含量0.2%，無潛在堿-硅酸反應危害，C35樁基配合比可采用5～25mm連續級配碎石，承臺、墩、箱梁、沉管可采用5～20mm連續級配碎石。

（5）砂：產地西江，2區中砂，細度模數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篩孔的累計篩余15%，0.3mm篩孔的累計篩余93%。

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

（7）水：飲用自來水。

3.3.2各強度等級混凝土配合比設計見表3

表3 混凝土配合比設計

試驗

編號 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，流動性適中

3.3.3混凝土各項性能試驗結果匯總見表4

表4 配合比性能試驗結果

試驗編號 水膠比 7d抗壓強度（MPa） 28d抗壓強度（MPa） 抗滲等級 塌落度 （mm） 擴展度（mm） 含氣量（%） 28dCl-擴散系數（m2/s） 56dCl-擴散系數（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用

各配合比在港珠澳大橋主體工程橋梁工程CB05標和島隧工程樁基、沉管、箱梁、橋面板等部分構件施工使用。在混凝土施工過程中，混凝土的和易性好，施工快捷，而且混凝土的凝聚性和流動性特別好。在控制好混凝土的入模溫度，嚴格按照施工技術規范要求進行施工，做好夏季施工溫控措施，混凝土養護及時到位，降低了大體積混凝土開裂的幾率，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體澆筑過程中，按規定現場取樣、成型和養護，并按規范要求，完成了海工混凝土抗壓強度和氯離子滲透性試驗，以質量評定標準的要求，進行海工混凝土質量評定，海工混凝土的強度和氯離子滲透指標均高標準地滿足了港珠澳大橋混凝土耐久性質量技術規程及驗收標準的要求。其技術指標統計見表5

表5 混凝土技術指標匯總表

指標

使用部位 設計強度等級 28d抗壓強度/MPa 56dCl-擴散系數（m2/s） 抗滲等級 評定

試驗

組數 平均值 標準差 試驗

組數 平均值 設計值 試驗

組數 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 結束語

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

5.2 高性能混凝土的設計應遵循選用高效減水劑、摻入活性摻和料、優化配合比參數等基本原則。通過降低水膠比、強化水泥石與集料的界面、改善水泥水化產物、降低孔隙比、提高密實度來實現高耐久、高強度、高性能。

5.3 高性能混凝土的配合比設計，應根據不同的應用環境和工藝來設計并優化得到。

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