濱海地區高性能清水混凝土研發與應用

張春偉，馮漢峰

（深圳東大洋投資集團，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。結構形式為鋼筋混凝土框架、鋼結構+預應力拉索結構體系，由二層鋼結構及預應力拉索將上部建筑荷載傳遞到主要豎向支撐構件——筒體及墻、柱，筒體、墻設計為清水混凝土。

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%，細度模數為2.9，II區中砂。

（5）粗集料：花崗巖，最大粒徑為25mm，表觀密度2.64g/cm3。

3 清水混凝土外觀質量試驗

3.1 配比選擇對混凝土外觀質量的試驗研究（見表1）

以上配比1、2、3強度均能滿足要求，在這里主要是考慮清水混凝土外觀質量。

表1 C60混凝土配合比

表2 C60清水混凝土配比 kg/m3

試驗結果：

（1）配比1 和易性較好，相比易出現輕微泌水現象，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

使用所選的三種外加劑，摻量2.0%進行試拌。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。

試驗結果：

分別測試混凝土拌合物的含氣量、泌水性。試驗結果表明，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%，在幾個品種的外加劑中最低。

經外加劑廠家對SF-2000外加劑的引氣量調整，并與前一批作對比試驗，從拌合物含氣量試驗結果來看，調整過后混凝土含氣量在1%以內，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量影響的試驗

選用強度等級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）。其中華潤水泥穩定性好，強度較高，水化熱相對較低，試驗與萘系外加劑適應性最好，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量影響的試驗

分別選取深圳與珠海粉煤灰進行對比試驗，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，試驗拆模后氣泡數量及大小接近，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 振動時間及振搗工藝與混凝土氣泡的試驗

經篩選，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，成型150mm試塊4個，分別在振動臺上振動10s、20s、30s、40s，第二天拆模后觀察混凝土試件側面氣泡情況，試驗情況為：振動10s混凝土試塊側面氣泡數量較多，氣泡直徑2～3mm，振動20s及30s混凝土試塊側成氣泡數量及大小差別不大，比10s試塊要少，振動40s試塊側面氣泡數量最少，但氣泡稍大，最大氣泡直徑達6mm左右，抺面一面有掉皮細微斑裂現象，為過振后表面漿體過多所致。

3.6 模擬試驗

為檢驗混凝土在施工振搗工藝條件的混凝土外表面氣泡情況，在試配階段進行了模擬試驗。考慮強力振動可能使混凝土表面浮漿過多，又考慮到高標號C60水泥用量大，高流態工作性能，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：華潤水泥模擬試驗用配比及原材料見表3。

表3 模擬試驗用配比 kg/m3

試驗結果：

（1）采用水性脫模劑涂刷模板澆筑的混凝土氣泡數量及大小均優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量優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間的條件下，混凝土側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點振搗，振搗90～150s較為合宜。

3.7 清水混凝土外觀質量試驗小結

（1）試驗用原材料配制C60混凝土，強度均可達到要求；

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

（3）華潤水泥穩定性好，水化熱相對較低，試驗與萘系外加劑適應性最好，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）振動時間20～30s混凝土試塊側成氣泡大小、數量均較小。

4 配比對混凝土耐久性指標影響

鋼筋混凝土結構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、擴散等方式通過混凝土保護層達到鋼筋表面，達到臨界濃度后，引起鋼筋銹蝕，導致結構劣化。因此，在試配階段進行了耐久性的研究，以抗壓強度（為了滿足結構設計的承載力要求）及混凝土抵抗氯離子進入混凝土內部的氯離子擴散系數為主要指標。

4.1 混凝土抗壓強度試驗

4.1.1 粉煤灰對混凝土強度的影響

經測試不同摻量粉煤灰（從0～180kg/m3），對混凝土的初期強度有一定影響，未摻加粉煤灰的試件甚至是摻量180kg的混凝土強度的3倍；但是隨著時間的推移，28d養護以后，強度差別逐漸減小，到180d齡期差值基本在10%左右。也就是說，粉煤灰的摻入，只會影響早期強度，對結構正常使用的強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度會始終有增加的趨勢。

4.1.2 水膠比對混凝土強度的影響

通過不同水膠比試塊強度檢測，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，其28d強度能夠滿足大多數混凝土構件對抗壓強度的需要，而且其后期強度都有良好的發展，待混凝土結構投入正常使用時（如180d齡期），其強度還會有約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 混凝土氯離子擴散系數試驗

4.2.1 水膠比對氯離子擴散系數的影響

試驗選擇了水膠比0.35、0.40、0.45不同粉煤灰摻量進行試驗，試驗表明，同一水膠比情況下，不同摻合料對混凝土氯離子擴散系數的影響。無論那種水膠比，隨著齡期的增長，摻合料都會使氯離子擴散系數明顯降低。特別對于大水膠比（0.45）的混凝土試件，該變化尤為顯著，96d齡期的擴散系數降低到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散的能力，這對于氯鹽環境下的混凝土結構是非常有利的。隨著結構使用時間的延長，該種混凝土有進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散系數的影響

試驗選擇了粉煤灰摻量（kg/m3）0、90、120、180不同水膠比試配，測試氯離子擴散系數。試驗表明無摻合料的情況下，即使最小的水膠比，其氯離子擴散系數在56d和90d的時候已經基本穩定，大于6×10-12m2/s；摻合料達到120kg的時候，96d的氯離子擴散系數已經減小到4×10-12m2/s。

4.3 配比對耐久性指標影響分析

（1）粉煤灰的摻入，只會影響早期強度，對結構正常使用的強度是會滿足承載能力要求的，大摻量粉煤灰混凝土的強度會始終有增加的趨勢。

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

（3）混凝土的氯離子擴散系數隨齡期的增長而降低，在早齡期（如28～56d）時降幅較大，隨后降幅減緩；同時，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的氯離子擴散系數來評價混凝土的滲透性，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的氯離子擴散系數為控制指標可能更為合理。

5 樣板墻試驗

為檢驗混凝土在實際模板工藝、施工振搗工藝條件、施工環境及運輸條件的工作性能、成型后混凝土外表觀感質量（色澤、色差、氣泡）等情況，為進一步優化配合比、完善施工工藝，同時對結構實體抗裂性能和耐久性進行檢驗，我們在現場進行了樣板墻試驗。

5.1 第一次樣板墻試驗

采用配合比見表14，模板鋼鋁木組合大模板（面板為進口維薩板），鋼筋保護層厚度25mm，澆筑時間安排在上午，泵送澆筑，主要目的是檢驗混凝土可施工性能和施工工藝。經檢測進場時混凝土坍落度為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）并有一定的泌水現象。

可見施工性能與試配有一定差異，需作進一步調整。

5.2 第二次樣板墻試驗

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；增加混凝土的密實度，又要保證強度。第二次樣板墻試驗與第一次樣板墻試驗相比，減少水泥用量，加大砂率，加大細粉料摻量等措施，鋼筋保護層厚度45mm，其它施工工藝相同。

經90分鐘到達施工現場后測得混凝土坍落度損失2cm左右，擴展度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

檢測結果見表4。

試驗結果表明：

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

6.2 氯離子擴散系數檢測

樣板墻一、二、三結構通過氯離子擴散系數試驗，結果為3.83×10-12、1.65×10-12、1.44×10-12，結果表明樣板墻混凝土有較低而且平穩的氯離子擴散系數，抵抗氯離子擴散的能力較高。

6.3 混凝土表面透水性試驗

6.3.1 樣板墻透水性試驗結果

1＃樣板墻：清水混凝土透明保護涂料+調色劑。試驗結果：表面吸水性系數0.24；

2＃樣板墻：清水混凝土透明保護涂料。試驗結果：表面吸水性系數0.32。

由實驗結果看出：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結果

1＃樣板墻：清水混凝土。試驗結果：透氣性系數0.05；

2＃樣板墻：清水混凝土透明保護涂料。試驗結果：表面吸氣系數為0。

3＃樣板墻：清水混凝土透明保護涂料。結果與樣板墻2基本相同。

由實驗結果看出，樣板墻透氣系數質量指標很好，涂料能降低混凝土表面的透氣性系數，即在清水混凝土表面涂刷這些保護涂料，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的實驗結果看出：

采用所選配合比，C60高強混凝土收縮率非常小，減少了干縮和自縮裂縫的產生；

6.6 混凝土保護層測試

表4 樣板墻初始氯離子含量檢測結果

表5 干燥收縮率試驗結果

表6 C60混凝土自收縮試驗結果

通過以上檢測，三片樣板墻鋼筋保護層控制質量較好，在規范允許偏差之內。為了保證結構耐久性，樣板墻1鋼筋保護層厚度不足，但同時要求達到清水混凝土效果，鋼筋保護層厚度不宜太大。

表10 樣板墻混凝土保護層測試結果

7 樣板混凝土墻實驗效果

根據樣板墻試驗及現場檢測，試驗用配合比工作性能良好，初始坍落度、現場坍落度、擴展度、初凝時間均符合要求；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；混凝土平均強度：R3=45.6MPa達到76%,R7=55.9MPa達到93%, R28=66.1MPa達到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，混凝土澆筑質量良好，表面混凝土具有極好的抗滲透能力和抗裂性能。樣板墻氯離子擴散系數最大為3.83×10-12m2/s，經無損檢測樣實際保護層厚度（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不能滿足氯離子擴散下結構耐久性要求；樣板墻2、3均能滿足氯離子擴散下結構耐久性要求。

8 結論及實施效果

我們研制的濱海地區高性能清水混凝土配合比，在深圳萬科中心工程項目中得到應用，且根據試驗研制提出的混凝土原材料性能和構造要求，加強了對施工過程的跟蹤管理，混凝土坍落度、擴展度滿足要求，拆模后混凝土外觀質量得建筑師的認可，經實體清水混凝土結構耐久性檢測評估，耐久性符合要求，完全能達到結構期望的50年使用壽命。

本文得到以下單位及個人的大力支持，在此表示感謝！

感謝馮乃謙教授的指導；

感謝萬科中心工程項目甲方的大力支持；

感謝中建三局一公司深圳分公司萬科中心項目部的全力配合和支持。