海工自密實高性能混凝土研制與應用

王成啟，莊驊，張悅然

（1.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；2.洋山同盛港口建設有限公司，上海 201308）

0 引言

洋山一期工作船碼頭作為洋山工程建設期配套項目，位于二期集裝箱碼頭西側，蔣公柱島南側，于2004年建成投入使用，主要供港作拖輪、海事巡邏艇等工作船舶停靠，兼顧二期建設砂石料碼頭功能。工作船碼頭后方陸域混凝土施工主要包括擋浪墻、道路及停車場施工等。新建的混凝土道路2條，即橫一路、橫四路，總長度約564 m。其中新建橫一路長222 m，寬7 m；新建橫四路長342 m，寬8 m。新建場地總面積約68 782 m2，其中汽車露天停車場1面積18 510 m2，停車場2面積9 459 m2，停車場3面積21 051 m2（含重載車停放區(qū)面積1 620 m2），停車場4面積18 510 m2，停車場5利用原有場地面層結構，拆除原有圍網(wǎng)及綠化帶后，與周邊道路順接。

本工程道路和停車場混凝土處于侵蝕較為嚴重的海洋環(huán)境，氯鹽對混凝土結構產生較大的侵蝕作用[1-2]，且混凝土面層對抗折強度和抗裂性要求較高[3]。自密實混凝土不需要振搗即可充滿模板，具有很高的施工性能，可不需要人工振搗，減輕勞動強度；而海工自密實高性能混凝土不僅具有較高的施工性能，而且還具有較高的抗氯鹽侵蝕能力。在保證混凝土的抗氯鹽侵蝕性能的基礎上，為減輕勞動強度和提高生產效率，混凝土路面采用海工自密實高性能混凝土進行澆筑施工。本文從海工自密實混凝土配制和施工質量控制兩個方面，開展海工自密實高性能混凝土應用研究。

1 海工自密實高性能混凝土配制

1.1 海工自密實高性能混凝土技術要求

混凝土的質量要求為：1）混凝土抗壓強度等級為C45，抗折強度大于4.5 MPa，采用海工自密實高性能混凝土進行澆筑施工。2）海工自密實高性能混凝土耐久性的質量要求為：齡期56 d的電通量小于1 000 C；齡期90 d的擴散系數(shù)小于1.5×10-12m2/s。

1.2 海工自密實高性能配合比試驗

1.2.1 原材料優(yōu)選與試驗

1.2.1.1 水泥

采用上海金山水泥廠生產的強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥，對水泥的膠砂抗折強度和抗壓強度以及安定性、細度、凝結時間、標準稠度等指標進行了試驗，其性能指標測試結果如表1所示。表1的試驗結果表明，水泥的性能達到了GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中42.5普通硅酸鹽水泥的質量標準。

表1 水泥的物理力學性能指標測試結果

1.2.1.2 粉煤灰

采用上海新寶粉煤灰廠生產的Ⅱ級粉煤灰，對其安定性、細度、含水量、燒失量、需水量和三氧化硫性能指標進行了測試，如表2所示。表2的測試結果表明，粉煤灰的技術指標達到了GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ級粉煤灰質量要求。

表2 粉煤灰的技術指標測試結果

1.2.1.3 骨料

1） 細骨料

采用河砂，對其細度模數(shù)、表觀密度、堆積密度、輕物質含量、含泥量和泥塊含量等有關性能指標進行了試驗，檢測結果如表3。此外，對砂的級配進行了試驗，如表4所示。由表3、表4可知，該河砂的含泥量和泥塊含量滿足要求，為細度模數(shù)2.7的Ⅱ區(qū)中砂，級配良好，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》的質量基本要求。河砂中粒徑小于0.16 mm的石粉含量為1.0%，可用來配制海工自密實高性能混凝土。

表3 砂的技術指標檢測結果

表4 砂級配測試結果

2） 粗骨料

試驗采用5~20 mm連續(xù)級配的碎石，對其表觀密度、堆積密度、含泥量、泥塊含量、堅固性、壓縮指標、針片狀含量、空隙率等性能指標進行了試驗，測試結果如表5[4]。此外，對碎石的級配進行了試驗，篩分試驗結果如表6所示。從表5和表6測試結果可以看出，粗骨料最大粒徑小于20 mm，針片狀顆粒含量小于8%，空隙率小于40%，含泥量不大于1%，泥塊含量不大于0.5%，滿足配制海工自密實高性能混凝土的粗骨料基本要求。從表6的篩分試驗結果還可以看出，5~20mm連續(xù)級配的碎石級配良好，滿足JG J52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》級配要求，可以配制海工自密實高性能混凝土。

表5 粗骨料的性能指標檢測結果

表6 粗骨料篩分試驗結果

1.2.1.4 減水劑

采用巴斯夫有限公司RP25和上海諧和建材公司的聚羧酸系高效減水劑，對其密度、水泥凈漿流動度、pH值、氯離子含量和減水率性能指標進行了試驗，試驗結果如表7所示，兩種聚羧酸高效減水劑的減水率均達到GB 8076—2008《混凝土外加劑》的質量要求。

表7 聚羧酸高效減水劑檢測結果

1.2.2 混凝土配合比與試驗方法

1.2.2.1 混凝土配合比

采用單摻粉煤灰配制海工自密實高性能混凝土，按研制的海工自密實高性能混凝土配制方法[5]，采用現(xiàn)場原材料，配制海工自密實高性能混凝土。由于水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，選用粉煤灰摻量為30%；單位體積粗骨料選用0.30 m3，用水量選用170 kg/m3，自密實混凝土配合比如表8所示。

表8 混凝土配合比kg/m3

1.2.2.2 試驗方法

1） 工作性試驗

工作性能主要包括坍落度、坍落擴展度、T500、L型儀、V型儀、U型儀拌合物穩(wěn)定性跳桌等試驗，工作性試驗方法參照CCES02—2004《自密實混凝土設計與施工指南》和CECS203：2006《自密實混凝土應用技術規(guī)程》等標準的有關規(guī)定進行。

2） 耐久性試驗

耐久性試驗主要包括電通量、擴散系數(shù)和碳化試驗等。電通量試驗按ASTMC1202《混凝土抗氯離子滲透性標準試驗方法》[6]進行；擴散系數(shù)試驗按GBJ82—85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（RCM法）的有關規(guī)定進行。

3） 力學性能試驗

抗壓強度試驗按JTJ270—98《水運工程混凝土試驗規(guī)程》的有關規(guī)定進行。

1.2.3 試驗結果與討論分析

1.2.3.1 拌合物性能

兩種高效減水劑配制的海工自密實高性能混凝土拌合物性能指標如表9所示。可以看出，采用巴斯夫高效減水劑所拌制的海工自密實高性能混凝土填充性、流動性和間隙通過能力均高于上海諧和建材有限公司的高效減水劑。從混凝土拌合物填充性、流動性和間隙通過能力的工作性性能來看，宜選用巴斯夫高效減水劑。

表9 自密實混凝土拌合物性能

1.2.3.2 強度

在試驗室不振搗制作海工自密實高性能混凝土試塊，拆模后放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。兩種高效減水劑配制的海工自密實高性能混凝土抗壓強度的測試結果如表10所示。可以看出，兩種高效減水劑所配制的海工高性能混凝土28 d抗壓強度比較接近，均大于50 MPa，抗折強度均大于5.4 MPa，具有較高的抗壓強度和抗折強度。

表10 自密實混凝土抗壓強度測試結果MPa

1.2.3.3 耐久性

在試驗室制作海工自密實高性能混凝土的耐久性試塊，試件的尺寸為φ100 mm×51 mm，拆模后放入標準養(yǎng)護室進行養(yǎng)護。兩種高效減水劑所配制的海工自密實高性能混凝土的電通量和擴散系數(shù)測試結果如表11所示。表11測試結果表明，兩種高效減水劑配制的海工自密實高性能混凝土56 d的電通量均小于1 000 C，90 d擴散系數(shù)小于1.5×10-12m2/s，具有較高的抗氯鹽侵蝕性能，滿足海工混凝土結構對抗氯鹽侵蝕耐久性的質量要求。

表11 混凝土電通量和擴散系數(shù)測試結果

2 施工質量控制

2.1 質量控制方法

從兩種高效減水劑拌制的海工自密實高性能混凝土拌合物性能比較，采用巴斯夫高效減水劑拌制海工自密實高性能混凝土工作性優(yōu)良，選用巴斯夫RP25，混凝土配合比如表8中的S1所示。

采用攪拌樓雙軸式強制攪拌機攪拌混凝土，混凝土攪拌時間為120 s。采用混凝土運輸車運輸混凝土到施工現(xiàn)場進行澆筑，運輸車在使用前潤濕，不得留有積水。為保證海工自密實混凝土的工作性，到現(xiàn)場應高速攪拌3 min，經(jīng)檢驗合格后方可進行卸料和澆筑等工序，混凝土無需振搗而自密實。混凝土澆筑自流平后，立即用不透水薄膜覆蓋表面；在混凝土臨近初凝前抺面，抺面后立即覆蓋保濕材料潮濕養(yǎng)護，養(yǎng)護時間為15 d。

2.2 工程試驗檢測結果分析

2.2.1 拌合物工作性

在工程現(xiàn)場取樣進行了海工自密實高性能混凝土拌合物工作性能試驗，測試結果如表12所示。從表12可以看出，海工自密實高性能混凝土拌合物的坍落度為255mm、坍落擴展度為650mm、T500流動時間為3.5s、V型漏斗通過時間為15.5 s、U型儀填充高度為330 mm，達到《自密實混凝土應用技術規(guī)程》等有關標準所規(guī)定的一級標準，具有較高流動性、填充性、間隙通過性和抗離析性。

表12 自密實混凝土工作性測試結果

2.2.2 強度

在工程現(xiàn)場取樣成型混凝土抗壓強度和抗折強度試塊拆模后進行標準養(yǎng)護，到規(guī)定齡期測試海工自密實高性能混凝土的抗壓強度和抗折強度，混凝土抗壓強度和抗折強度試驗結果如表13。從表13可以看出，混凝土的28 d抗壓強度達到58.9 MPa，28 d抗折強度為5.51 MPa，達到4.5 MPa的強度設計要求。此外，混凝土的56 d和90 d的抗壓強度持續(xù)增加，56 d的抗壓強度達到62.3MPa，90 d抗壓強度達到69.1 MPa，分別比28 d抗壓強度增加了5.8%、17.3%，具有較高的抗壓強度。

表13 抗壓強度和抗折強度試驗結果MPa

2.2.3 耐久性

在工程現(xiàn)場取樣并成型電通量和擴散系數(shù)試塊，拆模進行標準養(yǎng)護。到規(guī)定齡期測試海工自密實高性能混凝土的電通量和擴散系數(shù)，試驗結果如表14所示。表14的測試結果表明，隨著齡期增加，海工自密實高性能混凝土的電通量和擴散系數(shù)不斷減小，56 d的電通量和90 d擴散系數(shù)分別比28 d的下降了40%和62.8%；56 d齡期的電通量為751 C，90 d齡期的電通量為605 C，56 d和90 d電通量均小于1 000 C；90 d的擴散系數(shù)為1.251×10-12m2/s，小于1.5×10-12m2/s。

表14 混凝土電通量和擴散系數(shù)測試結果

2.2.4 現(xiàn)場取芯

面層混凝土表面經(jīng)15 d養(yǎng)護，28 d后觀察混凝土外觀表面無裂縫出現(xiàn)，并進行在現(xiàn)場鉆取芯樣，鉆取的芯樣如圖1所示。從圖1芯樣外觀可以看出，粗骨料均勻分布在混凝土中，無空洞等缺陷出現(xiàn)，無離析出砂漿層，自密實混凝土達到較高的自密實狀態(tài)。同時，按有關規(guī)范標準的規(guī)定，對鉆取的芯樣進行切割加工，到規(guī)定齡期進行電通量和擴散系數(shù)試驗。

圖1 海工自密實高性能混凝土芯樣與試塊

對鉆取的芯樣56 d和90 d齡期的電通量和擴散系數(shù)進行了試驗，測試結果如表15所示。表15的測試結果表明，芯樣56 d和90 d的電通量均小于1 000 C，芯樣90 d擴散系數(shù)小于1.5×10-12m2/s。

表15 芯樣混凝土的電通量和擴散系數(shù)測試結果

2.2.5 表面裂縫情況

通過加強養(yǎng)護、控制混凝土工作性等技術措施，混凝土裂縫得到有效控制。通過現(xiàn)場觀察，混凝土表面無塑性裂縫，后期也未發(fā)生混凝土干燥收縮引起的裂縫。

3 結語

采用所研制的海工自密實高性能混凝土在洋山一期工作船碼頭后方陸域道路和場地中獲得應用，應用情況表明，混凝土坍落擴展度為650 mm、T500流動時間為3.5s、V型漏斗通過時間為15.5s、U型儀填充高度為330 mm；28 d抗壓強度達到58.9 MPa，28 d抗折強度為5.51 MPa，56 d的抗壓強度達到62.3MPa，90d抗壓強度達到69.1MPa；56 d齡期的電通量為751 C，90 d齡期電通量為605 C；90 d的擴散系數(shù)為1.251×10-12m2/s。海工自密實高性能混凝土拌合物性能良好，力學性能滿足設計要求，并具有較高的抗氯鹽侵蝕性能，滿足海工高性能混凝土質量要求。對自密實澆筑的海工高性能混凝土進行了現(xiàn)場取芯和試驗，現(xiàn)場取芯表明，混凝土中骨料均勻密實，無空洞等缺陷，無離析出砂漿層，芯樣56 d的電通量小于1 000 C，90 d擴散系數(shù)小于1.5×10-12m2/s，滿足海工自密實高性能混凝土質量要求。

[1]趙筠.鋼筋混凝土結構工作壽命設計——針對氯鹽污染環(huán)境[J].混凝土，2004（1）：3-15.

[2] 王曉冬，李東寅，李國瑞.混凝土結構的氯鹽侵蝕與鋼筋銹蝕[J].工程建設，2007（2）：26-30.

[3]王成啟，汪冬冬.上海液化天然氣碼頭高性能混凝土配制與施工技術[J].水運工程，2010（1）：108-112.

[4]王成啟，張悅然.復摻粉煤灰與石灰石海工自密實高性能混凝土試驗研究[J].中國港灣建設，2012（1）：19-22.

[5]王成啟，張悅然.粉煤灰海工自密實高性能混凝土配合比參數(shù)的試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2011（8）：1-7.

[6] ASTM C1202，Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete′s Ability to Resist Chloride Ion Penetration[S]//Annual Book of American Society of Testing Materials Standards.2000.