高性能混凝土在寧波某碼頭工程中的應用

王永逵，王健

（上海奇齊科技開發實業有限公司，上海 201600）

工程檔案

高性能混凝土在寧波某碼頭工程中的應用

王永逵，王健

（上海奇齊科技開發實業有限公司，上海 201600）

“高性能混凝土”是現代混凝土技術的重要組成部分，筆者認為對其進行哲學思考和分析，不僅能對混凝土技術進步和產業可持續發展提供重要啟示和借鑒，對當前正確看待這場有關是否應“取消‘高性能混凝土’名稱” 的討論也是有益的。本文以在寧波某處一軍用碼頭應用 HPC 的情況，筆者提出了自己關于 HPC 的理解。

金礦廢石；C60 混凝土；骨料；強度；工作性能

0 前言

高性能混凝土（High Performance concrete，以下簡稱為“HPC”） 是不同于使用傳統材料和施工工藝、以強度設計為主制成的普通混凝土，而是使用優質原材料以耐久性設計為主，具有“特殊性能組合”的一種勻質混凝土。它有特定的應用范圍和配合比設計理念，我們應用和推廣 HPC，應該從提出這一混凝土定義的源頭，以辯證唯物主義的認識論，它區別于普通混凝土的矛盾特殊性，才能用好這一混凝土。片面的、斷章取義的理解和應用，就不會得到預期的結果。美國國家標準局技術研究所（NIST）和美國混凝土協會（ACI）在 1990 年 5 月和美國 ACI 技術活動委員會于 1999 年 2月分別兩次對 HPC 進行定義[1-2]。這兩次定義沒有質的差別，只是后一個定義更簡練、更富有內涵。兩次定義都具有樸素的辯證唯物主義思維方法，都注意到“事物之間聯系和發展具有普遍性和多樣性。每一種事物都是和其它事物聯系而存在”[3]。這一思維方法告誡我們“高性能混凝土”的“高”，就在于它與普通混凝土的區別，在于它具有“某些性能要求” 或“具有特殊性能組合”的勻質混凝土，并強調“采用傳統的原材料和一般的拌和、澆筑與養護方法，未必能生產出這種混凝土”[3]。 他們未必是馬克思主義者，但正如錢學森在“現代科學技術”[5]一文中所指出的“世界上第一流的技術科學家們都是自發的辯證唯物論者。”

“高性能混凝土”是現代混凝土技術的重要組成部分，筆者認為對其進行哲學思考和分析，不僅能對混凝土技術進步和產業可持續發展提供重要啟示和借鑒，對當前正確看待這場有關是否應“取消‘高性能混凝土’名稱” 的討論也是有益的。我國中醫為什么歷經幾千年而不衰，并逐漸為世界人民所接受和喜愛，解決了許多西醫難解決的疑難病癥，就在于它的辯證論治，具有樸素的辯證唯物主義思維方法。廉慧珍教授連續五次撰文論述“思維方法比技術更重要”[4]，2013 年又與宋少民教授合作撰寫了“現代混凝土技術的哲學思考”[5]一文，他們強調的辯證思維方法值得學習和思考。你不一定贊同其全部觀點，但每一位混凝土科技工作者，必須具備辯證唯物主義的思維方法才能正確認識事物的本質，是十分重要的。 為進一步解讀對 HPC 問題的理解，筆者試舉例 2002 年末～2003 年上半年，在寧波某處一軍用碼頭應用HPC 的情況，現提出來供評頭評足。

1 根據工程類型和環境，慎重擬合工程所應具有的“特殊性能組合

1.1 環境條件

該碼頭是一軍用碼頭，鄰近寧波北侖港，面向東海的普通鋼筋混凝土結構工程。由于其特殊的地理位置和自然條件，是我國歷史上開放較早、港口建筑工程較為密集的沿海城市之一。該海域存在較高的Cl-、SO42-、Na+和 Mg2+等（如表 1 所示），存在著較為嚴重的海水侵蝕性破壞。如 1981 年建成北侖港 10 萬噸級的礦石碼頭、1990 年 12 月竣工的算山油碼頭等，經幾次組織專家調查發現，使用僅 6 年，處于浪濺區的縱橫梁普遍有鋼筋銹蝕，嚴重的出現混凝土保護層剝落、順筋開裂等現象[6]。事實證明，處于此浪濺區環境條件下的碼頭混凝土結構，首先應具有較強的抗氯離子滲透能力和抗海水侵蝕的性能，以確保碼頭在設計規定年限內的正常使用功能，工作度以滿足在既定的施工工藝條件下，方便澆筑、振搗密實成型即可。為此，使用高性能混凝土是唯一的選擇。

表 1 寧波附近海域海水主要化學成分 mg/L

2 工程簡介

結構型式是普通鋼筋混凝土高樁承臺工字型板梁。混凝土梁板高×寬×長為 3.3m×1.6m×(21.25～27.8)m 不等，梁腹寬 1.0m，襟邊 0.30m，共 87 榀。該“工”字型梁板分上下橫梁兩部分組成。下橫梁為工廠預制，運來架設在高樁承臺上，而上橫梁是在下橫梁上現澆的泵送 C40 鋼筋混凝土結構。上橫梁呈“T”型，與預制的“倒 T”型下橫梁共同組成工字型斷面，屬于浪濺區 C40 混凝土。工程由某專業公司項目部負責興建，原為自拌現澆，使用余姚某水泥廠生產的“海工專用水泥”、福建河砂、花崗石碎石、飲用水拌合，于 2003 年 9 月 5 日、10 月 14 日分兩次試澆兩批上橫梁。其混凝土配合比見表 2。

表 2 上橫梁 C40 混凝土原配合比 kg/m3

9 月 5 日第一次澆筑 27#、28# 上橫梁后，按規范要求兩天后拆模，發現上橫梁兩端對稱出現十多條豎向裂縫。裂縫走向與縱軸呈 80°～70°的夾角，中間多、兩端少，外寬內窄，縫寬 0.1～0.3mm，縫深 68.0～137.0mm，穿過保護層，嚴重危及使用壽命。此情況出現后，施工單位、海軍工程部、碼頭監理等極為重視，及時召集工程技術人員討論分析其原因及解決的對策。認為是上橫梁的鋼筋混凝土結構體積大，腹板厚達 1.00m，水泥用量過多，是水化熱過大導致裂縫。為此第二次 10 月 14 日澆筑 25#～26# 上橫梁時水泥用量由 440kg/m3降到 420kg/m3，坍落度 150mm 降到 125mm，并延長拆模時間至三天。以期降低水化熱，提高梁的抗裂能力。第二批梁拆模后雖略有好轉，但仍發現有多條寬度超過0.2mm 以上的裂縫。后來還采用加膨脹劑及引氣劑等措施，目的是尋求解決上橫梁裂縫的問題，均未得到滿意的結果。至此工程停工整頓，進一步尋求更有效的方法。時逢臺灣海峽時局緊張，陳水扁競選連任，業主要求施工單位改為商品混凝土。

筆者接受這一任務后，深感壓力大，是筆者走出校門后遇到的第一個如此棘手的實際工程問題。當時手頭主要的參考資料就是吳中偉、廉慧珍著的《高性能混凝土》一書，反復對照實際學習思考。分析導致現澆上橫梁裂縫的原因有三：

（1）現澆上橫梁實為大體積混凝土，水泥用量過大，水化熱大，應按大體積混凝土施工，其基本措施是盡可能減少水泥用量，降低水化熱，大摻量礦物細粉料，提高混凝土的體積穩定性。

（2）所用的“海工專用水泥”也是問題之一。據了解所謂“海工專用”只是把允許摻用 15% 的混合材，全部采用高爐礦渣微粉。在那個年代，片面認為礦渣微粉，具有降低水化熱、抗氯離子和硫酸鹽侵蝕的能力。而忽視了“摻入磨細礦渣后，混凝土自收縮會較早發生，摻量越大，混凝土長期自收縮越大”。這與礦渣微粉本身的親水性較差有關。另外，由于其礦物成分與水泥有類似之處，比表面積為4000cm2/g 時，降低水化熱的能力也是有限的[1]。

（3）先預制架好的下橫梁為確保與現澆上橫梁混凝土整體連接，對接合面做了拉毛及預埋石樁處理，加之鋼筋的約束作用，對上橫梁現澆混凝土硬化收縮變形造成很強的約束。因此，大幅度降低水泥用量，降低水化熱，盡可能提高新澆混凝土的體積穩定性，是消除有害裂縫的根本措施。

3 該工程配合比的選擇優化

分析了上橫梁產生有害裂縫的原因，只是解決問題的第一步，針對工程特點，具體解決現澆上橫梁混凝土如何提高體積穩定性和抗海水侵蝕的性能才是更重要的。否則，分析只是主觀的想象，“實踐才是檢驗真理的唯一標準”。思路決定行動，行動決定成敗。緊緊圍繞降低水化熱，提高混凝土的體積穩定性，是解決此問題的本質。

3.1 配合比設計的要點

3.1.1 大摻量優質粉煤灰

常用的礦物細粉料有優質粉煤灰、磨細礦粉、沸石粉和硅灰等。它們摻用于混凝土中的作用各有優缺點。硅灰在混凝土中增強作用顯著，且強度增長快，但自干燥收縮大，對降低水化熱沒有明顯作用，價格也高，對此現澆上橫梁解決裂縫問題，沒有益處；磨細礦粉的需水量小，對強度有利，但比表面積在 4000cm2/g 以上時隨摻量增加收縮加大，對抑制混凝土的收縮沒有好的作用，降低水化熱的作用也并不明顯[1]；而優質粉煤灰的需水量小，對減小水化熱作用明顯，親水性好，對抑制混凝土塑性和干燥收縮有利，隨摻量的增加而減少[1]，但對早期強度發展的貢獻沒有硅灰和磨細礦粉顯著。針對 1# 碼頭上橫梁為限制收縮的大體積混凝土及強度要求不高這一特點，以大摻量粉煤灰為主，“集中優勢兵力”，大幅度減小水泥用量，是降低水化熱，提高體積穩定性抑制裂縫產生的有效措施。在這里硅灰和磨細礦粉都沒明顯優勢，可不考慮摻用。

3.1.2 漿骨比選擇

漿骨比是指漿體積與骨料的體積比。HPC 的漿骨比必須滿足現澆混凝土具有良好的工作性，砂子、石在水泥基漿體中呈懸浮狀態，在泵送和澆筑、振搗成型中，漿體帶動砂、石料流動，漿體是潤滑層，又是砂石流動的載體，并帶動砂、石料流動，除應足以填充砂石空隙外，要有足夠量的漿體才能提供混凝土的良好的工作性。漿骨比應與的粗細骨料的級配和坍落度有關，當砂石空隙率小于 0.40 時，可采用 0.32 的漿體百分率即可滿足要求，當空隙率為 0.38、坍落度＜180mm 時，用 0.3 的漿體百分率，也能獲得良好的工作度。

3.1.3 水膠比選擇

在 HPC 中水膠比不再僅與混凝土的強度有關，更關系到海工混凝土的體積穩定性與抗氯離子滲透的防腐能力，必須符合 JTJ275—2000《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》的規定（表 3），且為了保證拌合物不分層離析，采用較小的水膠比使其密度愈接近砂石的密度，拌合物的抗分層、離析性愈好，愈有利于混凝土的體積穩定性。

3.1.4 砂率的選擇

砂率的選擇與混凝土工作性和體積穩定性等密切有關的參數，應慎重選擇并通過試驗驗證。混凝土拌合物的工作性是通過足夠的漿體與砂形成水泥膠砂，并帶動石子流動的，因此在保證水泥膠砂良好流動性、穩定性的前提下，適當增加石子用量對減小混凝土自收縮，提高體積穩定性有利。

表 3 國外海工混凝土結構水膠比最大允許值

3.2 選用優質原材料

（1）水泥：湖北黃石華新水泥廠生產的堡壘牌P·O42.5，該水泥質量穩定，強度富余值較高，R28 一般在52MPa 上下，如表 4。

（2）河砂：福建閩江河砂，細度模量為 2.5，含泥量為0.2%，表觀密度 2700kg/m3，堆積密度 1650kg/m3，空隙率39%。

（3）碎石：為工地洞庫工程中挖出的深層凝灰巖，碎石廠生產的反擊式碎石，Φ5～25mm，級配良好，表觀密度2.75，堆積密度 1.68，空隙率 0.39，針片狀含量為“0”，壓碎指標6.5%，屬于Ⅰ級碎石。

（4）粉煤灰：寧波北侖電廠 Ⅱ 級粉煤灰，45μm 篩余量一般在 12%～16%，燒失量 1.5% 以下。

（5）輔料：上海奇齊科技開發實業有限公司研制的雙奇牌高性能混凝土專用輔料的簡稱。輔料是以I級粉煤灰為基料與萘系高效減水劑、緩凝劑、引氣劑等材料復合均化而成的具有減水作用的復合摻合料，是粉煤灰技術的發明專利產品，上海市 A 級高新技術轉化項目。用于本工程上橫梁的專用輔料為 F-01 型，摻量為 10%，與現場混凝土中直接摻用的Ⅱ 級粉煤灰共同組成復合輔助摻合料，生產中不再另摻用外加劑。

（6）拌合水：飲用水。

3.3 配合比選擇與優化

按 C40 混凝土濕容重 2400kg/m3設計配合比，見表 5。

表 4 華新水泥 P·O42.5 2003 年 12 月 2 日檢驗報告

表 5 C40 高性能海工混凝土配合比 kg/m3

3.3.1 選擇與優化

表 5 試驗的結果表明，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 四個配合比皆可滿足上橫梁 C40 的要求，但 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三組 28d 抗壓強度都遠超過設計要求。Ⅰ、Ⅱ配合比的 3d 強度顯得增長過快，顯示該兩組配合比的水化熱釋放仍多集中在前三天，對抑制裂縫不利。可采取適當的減少水泥和輔料的用量，在保持 W/ B≤0.35 的前提下適當增加用水量，為此重新將配合比調整為Ⅳ。考慮水泥中已摻入的 12% 的混合材，粉煤灰摻入總量為51%，此時 W/B 為 0.34，漿骨比為 0.32。

3.3.2 復驗

優選后的配合比上報工程指揮部，有關各方都對如此少的水泥用量能否達到預期的強度提出質疑。為此組織軍代表、碼頭監理、施工方共同參于復驗，試驗中觀察配合比 Ⅳ的復驗性好，拌合物具有滿足施工要求的工作性，并當場制作四組試塊送四家質檢部門分別標養和試壓，結果如表 6。

四家 R28 均值為 53.4MPa，四家的抗壓強度值與均值都很接近，除北侖建工質檢中心稍高外，其它三家誤差均在 3%以內。至此，1# 碼頭上橫梁 C40 混凝土配合比得到各家的認可，同意試生產。

表 6 1# 碼頭 C40 混凝土四家驗證對比 R28 抗壓強度匯總表

3.3.3 各方約定

在投入試生產前由海軍工程部主持的監理、施工、混凝土公司三方聯席會上，明確各方應負的責任，好的工程質量不單是混凝土生產一方的事，“精心生產，精心施工”缺一不可，坍落度宜控制在 (140±10)mm，適度振搗，折模時齡期不少于三天，注意灑水養護，現澆梁表面始終保持潮濕狀態等。在施工方停工整頓三個月后恢復生產，加之此項目屬于戰備工程，各方都能認真負責，應該說都有較高自覺性。這對達到預期目的提供十分有利條件。

3.3.4 試生產檢驗

2003 年春節前試打兩榀上橫梁，現場取樣四方旁站檢驗，坍落度可控制良好，泵送澆筑中混凝土工作度好，在振搗棒作用下，拌合物可流動 20m 以上，各方均表示滿意。但，是否能抑制裂縫產生還是未知數，筆者整個春節休假都是在忐忑不安中度過的。春節后上班直接去碼頭工地，正逢拆模檢查，試打的上橫梁體積穩定性好，無一可見裂縫。業主、監理等各方給予較高的評價，施工方也從停工困擾中解脫出來。各方對正式投產已無分岐。

3.4 生產應用情況

在后來的近 80 榀梁的施工中，因原材料比較穩定，各方對此戰備工程，都比較精心負責，整個過程比較順利。原要求 3 天拆模，后來施工中 2 天拆模也沒有出現任何裂縫。事實表明類似上橫梁海工混凝土裂縫不是不可避免的。混凝土強度據現場實際收集到 42 個 R28 強度數據分析。質量控制達到優良水平。見表 7。

表 7 強度抽樣檢驗

28d 抗壓強度平均值 52.8MPa＞R設＋3σ＝40＋3×3.31＝49.3 MPa，可滿足強度保證率不低于 95% 的要求。

3.5 氯離子滲透性檢測

委托同濟大學按 ASTMC1202 的 60V 電壓下，90 天 6 小時電通量為 608C。遠小于高性能混凝土必須小于 1000C 的要求。檢測氯離子滲透性能，結果見表 8，結果表明氯離子滲透性很低，與改性乳膠混凝土的抗滲透性相當。

表 8 氯離子滲透性檢測 C

試驗表明：抗氯離子滲透能力可達膠乳混凝土水平，耐久性可靠。

4 結束語

（1）用辯證唯物主義看問題或分析事物，任何復雜的事物都是可知的，即使今天認識不到，也許明天就會認識到。因為宇宙萬物都是物質的，物質是運動的、有條件的、有規律的、相互聯系的、相互依存的、相互矛盾的。混凝土也是一樣，不能就混凝土談混凝土，必須分析它所在的環境和工程類型，并基于環境和類型所具有的矛盾特殊性，對其要求區別于其它條件下的性能，以及達到這一性能對原材料和施工的要求。HPC 應該這樣，普通混凝土也是隨工程條件的不同，對有關方面有相應要求的。只是有區別罷了。

（2）世界上的萬物也都是有生命的，HPC 也是一樣，不可能永遠存在。隨著混凝土科技的進步，未來必然為另一更能表達那時混凝土技術的名稱所取代。這就是辯證唯物主義哲學觀的“否定之否定”。 就目前混凝土科技界對 HPC 的宣傳和使用存在誤區，一些新技術開發和應用存在片面性的情況下，保留“高性能混凝土”名稱對混凝土的科技發展有利。

（3）筆者贊同用“現代混凝土” 的稱呼討論目前混凝土技術的一些問題，這是一個更具廣義性的名稱。但什么是“現代混凝土” ？應是能反應混凝土現代的技術發展水平的混凝土。不能簡單地定義為，使用外加劑的混凝土或使用外加劑和礦物摻合料的混凝土就是“現代混凝土”。現代混凝土技術發展僅局限于使用外加劑或外加劑和礦物摻合料是不夠的。況且 HPC 應是“現代混凝土”的重要組成部分，是現代混凝土技術重要發展。是 HPC 告訴我們應該用辯證唯物主義的哲學觀去認識混凝土的條件和應用，不能就混凝土談混凝土，這一點很重要。

[1] 吳中偉，廉慧珍．高性能混凝土[M]．北京：中國鐵道出版社,1999．

[2] 廉慧珍．對“高性能混凝土”的再反思[J]．混凝土世界，2010(6): 8-10．

[3] 馬克思主義基本原理概論[M]．北京高等教育出版社，2009．

[4] 廉慧珍．思維方法和觀念的轉變比技術更重要之一～之五[J]． 2004(2)～2011(5)．

[5] 宋少民，廉慧珍．現代混凝土技術的哲學思考[J]．混凝土世界，2013,5．

[6] 洪定海．混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[M]．北京：中國鐵道出版社，1998．

［通訊地址］上海奇齊科技開發實業有限公司（201600）

王永逵，男，前蘭州鐵道學院土木系建材教研室主任、副教授。現住上海松江，任上海奇齊科技開發實業有限公司總工程師。