海港工程高性能砼配合比設計方法探討

李式雄

（福州市交通基本建設工程質量監督站，福建　福州　350002）

海港工程高性能砼配合比設計方法探討

李式雄

（福州市交通基本建設工程質量監督站，福建福州350002）

介紹了高性能砼的特點及海港工程所用砼的性能要求，提出以砼氯離子擴散系數為耐久性指標設計海港工程用高性能砼；以福州連江黃岐半島海港橋梁——布袋澳大橋預制箱梁為工程背景，在綜合考慮砼的強度、工作性、均勻性、耐久性、密實性和體積穩定性的情況下，討論了海港工程高性能砼原材料的選擇，提出了海港工程高性能砼配合比設計方法。

橋梁；配合比設計；氯離子擴散系數；高性能砼；耐久性

海港工程中砼結構經常與海水接觸并處于潮濕環境中，氯離子滲入引起鋼筋銹蝕，往往導致砼結構10～20年就發生破壞，工程使用壽命受到嚴重威脅。提高砼的抗滲性能可有效防止鋼筋銹蝕，而砼的滲透性與其密實度及孔隙特征密切相關。通過降低水灰比、摻加高效減水劑和礦物摻合料，可有效細化砼孔隙結構、改善界面區、減少不利晶相數量和增加砼密實度，從而提高砼的密實性能和抵抗氯離子侵蝕的能力。

高性能砼的基本要求是具有良好的耐久性、工作性和強度，主要以耐久性為設計指針，而JGJ 55 -2011《普通混凝土配合比設計規程》主要以強度為設計指針，因而不適用于海港工程砼配合比設計。該文結合福州連江黃岐半島海港橋梁——布袋澳大橋預制箱梁的配合比設計，提出以砼氯離子擴散系數與水膠比及擴散系數隨時間的衰減公式進行海港工程砼配合比設計的方法。預制箱梁砼采用就近集中拌和，其技術要求如下：環境作用等級Ⅲ-E；設計使用壽命100年；強度等級C50；砼坍落度為180 ～200 mm；84 d氯離子擴散系數不大于1.5×10-12m2/s。

1　以砼氯離子擴散系數為耐久性指標的高性能砼配合比設計方法

1.1原材料的選擇

1.1.1水泥

選用質量穩定、標準稠度低、水化熱低、含堿量偏低、強度等級不低于42.5的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。為改善砼的體積穩定性和抗裂性，水泥的比表面積不宜超過350 m2/kg，C3A含量不宜超過8％，游離CaO不超過1.5％，大體積砼宜采用C2S含量相對較高的水泥。為改善砼的抗裂性，水泥中堿含量不宜超過0.6％。因要與礦物摻和料摻配使用，也可委托水泥廠生產專用水泥。該工程使用安徽寧國水泥廠生產的P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，其性能指標見表1。

表1　水泥的性能指標

1.1.2礦物摻和料

礦物摻和料能顯著改善砼的抗氯離子滲透性，主要機理是其在砼中的密實填充效應、火山灰效應及提高砼對其中氯離子的結合能力。礦物摻和料作為耐久性砼的必須組分，要求其品質穩定、來料均勻、來源固定。以下是高性能砼常用的3種摻和料。

（1）粉煤灰。粉煤灰應來自燃煤工藝先進的電廠，燒失量應盡可能低，要求不大于5％，預應力及C50以上砼應不大于3％，引氣砼不宜超過2％； SO3含量≤3％；需水量比≤105％，C50以上砼應≤100％。該工程使用華能福州電廠生產的F類Ⅱ級灰，其性能指標見表2。

表2　粉煤灰的性能指標

（2）磨細礦渣。磨細高爐水淬礦渣的比表面積不宜小于350 m2/kg，但過細的磨細礦渣也不利于控制砼水化溫升和防裂，一般不宜大于450 m2/kg；需水量比≤100％；燒失量≤3％。該工程使用S95級粒化高爐礦渣粉，其性能指標見表3。

表3　粒化高爐礦渣粉的性能指標

（3）硅灰。硅灰中SiO2含量不應小于85％，比表面積不小于15 000 m2/kg，硅灰摻量一般不超過膠凝材料總量的8％。單摻硅灰會增加低水膠比高強砼的自收縮，并不利于降低砼溫升，在大體積砼中應慎用。硅灰一般應與其他礦物摻和料復合使用，如將大摻量粉煤灰與占膠凝材料5％左右的硅灰復合，能明顯增強砼抗氯離子侵入的能力和早期性能。從砼溫升及抗裂性能考慮，該工程未采用硅灰。

1.1.3化學外加劑

由于高性能砼需采用低水膠比，盡量降低拌和水用量，應采用高效減水劑或復合減水劑，并應選擇減水率高、坍落度損失小、適量引氣、與水泥之間具有良好的相容性、能明顯改善或提高砼耐久性且質量穩定的產品。聚羧酸高性能減水劑相對于萘系減水劑具有高減水率（大于25％）、低收縮、高強度和坍落度損失小等優點，其在水泥表面呈梳狀結構，電荷排斥和空間阻隔作用相結合，因而在砼中的表現更好。普遍反映摻聚羧酸高性能減水劑的砼的含氣量偏大，但可采用“先消后引”工藝控制聚羧酸減水劑氣泡質量，方法如下：與廠家共同進行引、消氣含氣量和相容性試驗，將消氣和引氣過程分開進行，即先將消泡劑加入聚羧酸減水劑中組成固定產品，到現場后投入攪拌機攪拌10～20 s，然后加入引氣劑繼續攪拌。該方法可解決砼含氣量、砼外觀質量及外加劑與水泥的適應性問題，使用效果良好。該工程選用保坍性好的聚酯類聚羧酸減水劑（不選聚醚類），摻量為0.9％，其性能指標見表4。

表4　聚羧酸高性能減水劑的性能指標

1.1.4細集料

宜選用級配良好、質地均勻堅固、吸水率低、孔隙率小、細度模數為2.6～3.2的潔凈天然中粗河砂或符合要求的人工砂。重要的配筋砼工程嚴禁使用海砂；一般工程由于受條件限制不得不使用海砂時，必須采取嚴格的質量檢驗制度，經過沖洗后的海砂宜控制氯離子含量低于干砂質量的0.02％；含泥量應≤2.0％。研究表明黏土間結構能大量吸附聚羧酸鹽減水劑分子，影響其減水率，建議將摻聚羧酸鹽類外加劑砼用細集料含泥量控制在1.0％以下。該工程選用閩江閩清段河砂，為細度模數2.80的Ⅱ區中砂，其質地堅硬，級配合理，其性能指標見表5。

表5　砂的性能指標

1.1.5粗集料

宜采用質地堅硬、潔凈、級配合理、粒形良好、吸水率小的碎石，海港工程不宜采用抗滲透性較差的頁巖。該工程就地取材，采用由反擊破碎機生產的5～25 mm連續級配石灰石巖，用5～16及16～25 mm兩個單粒級配配置成符合5～25 mm連續級配碎石，其性能指標見表6。

表6　碎石的性能指標

1.1.6水

采用符合砼拌和要求的水。對于環境作用等級為E或F的砼，用水量宜控制在150 kg/m3以內。

1.2配合比設計

1.2.1確定膠凝材料比例

對于環境類別為Ⅲ、Ⅳ砼，其礦物摻和料的限定范圍應滿足：用量不小于f/0.25+s/0.4=1，用量不大于f/0.5+s/0.8=1（s、f分別表示礦渣S和粉煤灰（或火山灰）F占膠凝材料總量B的比值）。用C表示水泥，SF表示硅灰，則B=C+S+F+ SF。C對P.Ⅰ和P.Ⅱ水泥按全量計算，對P.O水泥按全量扣除混合材料后取用，其中活性混合材料列入礦渣、粉煤灰和火山灰中（如生產廠家不能提供數據，則取C為85％水泥，活性混合材料按10％水泥重的F計算）；對其他混合水泥，計算方法同P.O水泥（如生產廠家不能提供數據，則不宜采用）。

該工程環境類別為Ⅲ，取f=0.2、s=0.4、c= 0.4，按該比例設計的膠凝材料組分經水泥膠砂強度試驗，其28 d抗壓強度為45.2 MPa，抗折強度為7.9 MPa。

1.2.2計算水膠比

（1）利用擴散系數隨時間衰減關系式［見式（1）、式（2）]計算設計1年期氯離子擴散系數Da：

將f=0.2、s=0.4、t0=84 d、t=365 d、D0= 1.5×10-12m2/s代入式（1）、式（2），得α=0.589、Da=0.631×10-12m2/s=19.9 mm2/年。

（2）利用文獻［15]中預測氯離子擴散系數DP的計算公式確定水膠比W/B：

式中：DP為預測的氯離子擴散系數（mm2/年）；x1=（W/B-0.45）/0.2；x2=（B-425）/175；x3=（硅灰占B重量百分比SF-5）/5；x4=（粉煤灰占B重量百分比F-22.5）/22.5；x5=（礦渣占B重量百分比S-35）/35；x6=lg10（養護天數-2）/3，實驗室預測取28 d；x7=（砼溫度-24）/14，試驗室條件取20℃；x8，碎石骨料取1，卵石骨料取零。

考慮到預測值只能解釋80％的變化率，趙鐵軍等通過研究，得出具有95％以上保證率的保守值關系式：

將Da=19.9 mm2/年作為DC保守值代入式（4）， 得DP=3.15 mm2/年。將DP=3.15 mm2/年、SF =0、F=20、S=40代入式（3），得：

取B=475，則W/B=0.308。

（3）水膠比的驗證。滿足強度要求的最大水膠比為：

滿足環境作用等級（Ⅲ-E）耐久性的最大水膠比W/B=0.36。

綜上所述，滿足要求的水膠比選為0.31。

1.2.3計算砼各組分材料用量

（1）水泥用量：

（2）粉煤灰用量：

（3）粒化高爐礦渣粉用量：

（4）用水量：

（5）聚羧酸外加劑用量：

（6）砂石用量（按絕對體積法）。用砂漿填充石子孔隙乘以砂漿富余系數，得：

式中：VC、VF、VS礦渣、VW、VS砂分別為每立方米砼中水泥、粉煤灰、礦渣、水、砂的密實體積；P0為石子的空隙率；V0G為每立方米砼中石子的松散堆積體積；k為砂漿富余系數，對高性能砼或高強泵送砼，k =1.7～2.0。

按絕對體積法得：

式中：C、F、S礦渣、W、S砂、G分別為每立方米砼中水泥、粉煤灰、礦渣、水、砂、石子用量；γC、γF、γ礦渣、γW、γ砂、γG分別為水泥、粉煤灰、礦渣、水、砂、石子的表觀密度；γ0G為石子的松散堆積密度。

假設砼拌和物表觀密度為2 400 kg/m3，則S+ G=2 400-475-147-4.275=1 774 kg/m3。將各材料的表觀密度、每立方砼材料用量、石子的松散堆積密度、k=2.0代入式（7），得：

解式（8），得砂的用量S=656 kg/m3，石子用量G=1 118 kg/m3。

1.2.4配合比的試配、調整、驗證與確定

按上述基準配合比進行試拌，進行坍落度和坍落流動度試驗，測定拌和物的表觀密度、含氣量、水溶性氯離子含量，均符合要求。按基準配合比制作砼力學性能和耐久性能指標試驗試件。在基準配合比的基礎上，水膠比分別增加、減少0.02，用水量與基準配合比相同，砂石用量按絕對體積法計算，拌制并制作這2個配合比砼試件。3個配合比砼拌和物的性能、力學性能及耐久性能見表7、表8。

表7　砼拌和物的性能

表8　砼的力學性能及耐久性能

從表7、表8可以看出：3個配合比砼拌和物的性能、硬化砼的力學性能及耐久性能均符合設計要求，但3號配合比硬化砼性能指標的富余量小，故選擇2號配合比作為試驗室配合比設計值。

2　布袋澳大橋的工程實踐

在該工程預制箱梁高性能砼施工過程中采取以下措施：1）嚴格按批次檢測砼材料質量，質量達不到要求的拒絕使用。2）嚴格控制砂石質量，無條件采用閩江閩清段河砂，砂的細度模數控制在2.6～ 2.9，含泥量不大于0.5％；始終采用同一灰石巖料場用反擊破碎機生產的碎石，生產線水洗除塵，將碎石含泥量控制在0.2％以內，采用5～16及16～25 mm兩個料倉配制5～25 mm連續級配碎石，壓碎指標值不大于10％，針片狀顆粒含量不大于5％。3）砼配料采用全自動電子稱量法計量、電腦控制下料，確保計量準確。4）砼攪拌采用臥軸式攪拌機，攪拌時間控制為120 s，攪拌機攪拌10～20 s后再加入引氣劑繼續攪拌。5）砼養生采用自動噴淋系統保濕養護至預應力張拉且不少于7 d，箱梁頂板砼收漿后進行覆蓋養生，在模板拆除前使用噴淋系統使模板保持濕潤。

預制箱梁70片，澆筑海工砼2 300多m3，砼性能穩定，梁體未產生裂紋。現場抽取140組標準養護28 d的砼抗壓強度試件及70組標準養護84 d的砼抗氯離子滲透（RCM法）試件進行試驗，結果見表9。實踐結果表明海港工程高性能砼配合比設計及施工控制效果良好。

表9　布袋澳大橋箱梁海工砼物理力學及耐久性能指標測試結果

3　結語

通過對海港工程高性能砼原材料選擇、配合比設計過程研究及實際工程運用，得到以下經驗：

（1）文獻［15]中的預測氯離子擴散系數估算值可用于以砼氯離子擴散系數為耐久性指標的高性能砼配合比設計。

（2）海港工程高性能砼原材料必須符合耐久性、體積穩定性和抗裂性要求，且品質穩定、來料均勻、來源固定。

（3）聚羧酸系高性能減水劑使用中，首先應解決砼含氣量、砼外觀質量及外加劑與水泥的適應性問題。

（4）高性能砼中膠凝材料各組分密度相差較大，宜采用絕對體積法進行配合比計算。

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1671-2668（2016）01-0209-05

2015-08-04