淺談沙埕灣跨海大橋海工混凝土配合比耐久性的設(shè)計

■周 薇

（寧德沙埕灣跨海高速公路有限責(zé)任公司，寧德 352000）

1 工程概況

沙埕灣跨海大橋橫跨沙埕灣，主橋為主跨535m的單側(cè)不對稱混合梁斜拉橋，大橋海工混凝土總量約14萬方，需要骨料約25萬噸。工程所在地出露的巖石主要為紫灰、灰黑含晶屑熔結(jié)灰?guī)r、英安巖、凝灰熔巖。海工混凝土的耐久性，尤其水位變動區(qū)和浪濺區(qū)受海水反復(fù)侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)，受到越來越多的關(guān)注。在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，除對海工混凝土自身的特殊要求外，還對外露的混凝土結(jié)構(gòu)面采取加設(shè)鋼筋網(wǎng)片防裂、使用透水模板布、硅烷浸漬和有機涂料涂裝等單一或多種手段聯(lián)合進行防腐。但外加防腐受環(huán)境限制總差強人意，如水位變動區(qū)硅烷的浸漬深度難以滿足規(guī)范規(guī)定；鋼筋保護層內(nèi)設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)片，若混凝土自身產(chǎn)生開裂或有開裂風(fēng)險，海水氯鹽通過裂縫進入混凝土內(nèi)部，防裂網(wǎng)片將形同虛設(shè)等不一而足。因此，一致認為混凝土結(jié)構(gòu)自身的抗裂性和致密性是工程建設(shè)所追求的。但由于混凝土組份材料存在可能的堿活性，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)在成型后若干年逐漸發(fā)生堿-骨料反應(yīng)，嚴重危害大橋結(jié)構(gòu)的耐久性和安全運行。有資料紀錄1984年北京建成的著名的三元立交橋，1990年就在橋的潮濕部位發(fā)現(xiàn)堿-集料反應(yīng)而損壞的現(xiàn)象。因此，對該料場石英石堿-集料反應(yīng)的抑制是海工混凝土耐久性設(shè)計的關(guān)鍵。

2 設(shè)計要求及專用規(guī)范規(guī)定

考慮到混凝土中總堿含量對混凝土耐久性性能的影響，設(shè)計要求及招標文件專用本規(guī)定如下：①采用不具有堿活性的集料；②控制混凝土堿含量不大于3.0kg/m3，盡量小于1.8kg/m3；③采取雙摻技術(shù)，在滿足各方面性能的情況下，增加混凝土膠凝材料中摻合料的比例；④改善混凝土抗裂性能，增加外部環(huán)境中堿進入混凝土內(nèi)部的難度。

3 配合比設(shè)計及應(yīng)用

以樁基C35海工混凝土配合比設(shè)計為例，沙埕灣跨海大橋海工混凝土的原材料選定、配合比設(shè)計、現(xiàn)場施工生產(chǎn)按以下路線予以實現(xiàn)。

3.1 原材料選定

混凝土中發(fā)生堿-集料反應(yīng)一般認為有三個必備條件：集料具有堿活性；混凝土中總堿含量大于3.0kg/m3；結(jié)構(gòu)處在有足夠濕度的環(huán)境中。只要其中任何一個條件消失，堿-骨料反應(yīng)就不會發(fā)生。而堿來自水泥、礦物摻合料（煤灰和礦粉）、外加劑、混凝土拌合用水，甚至骨料本身也有較高的堿含量，所以不能完全消除堿的影響。對于堿-骨料反應(yīng)所需的水，空氣中的水分就足以維持堿-骨料反應(yīng)進行，干旱地區(qū)混凝土工程發(fā)生堿-骨料反應(yīng)便是例子。至于骨料，避免堿-骨料反應(yīng)最有效的辦法便是使用非活性骨料，但是在實際混凝土工程中，由于成本等多方面因素的影響，使用活性骨料是不可避免的。因此，控制堿-骨料反應(yīng)一直以來是業(yè)界所追求的。

（1）粗細骨料

項目進場后，對福鼎50km范圍內(nèi)碎石進行考察取樣，共取樣12個；福建地區(qū)混凝土用砂以河砂為主，閩江砂開采產(chǎn)量有限不對福州以外地區(qū)供應(yīng)；寧德周邊山溪河砂質(zhì)量不錯，但產(chǎn)量相對較低；調(diào)研范圍擴大到廣東廣西的河砂料源地進行取樣，共取樣4個。對所取樣進行試驗，經(jīng)過快速砂漿棒法等方法進行測試，取得了大量可靠真實的試驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，有1個巖樣和1個砂樣為具有潛在堿-骨料反應(yīng)活性的骨料 （14d膨脹率在0.10%～0.20%之間）。最終選定福鼎棋盤岡5～25mm碎石和廣西欽州大風(fēng)江Ⅱ區(qū)中砂（14d膨脹率均在0.01%左右）。

（2）使用低堿水泥

水泥中的堿含量應(yīng)不超過0.6%Na2O當量，作為預(yù)防堿骨料反應(yīng)的安全界限值為業(yè)界所接受。當使用較大摻量的礦物摻和料，或水泥中的C3A含量或同時C3S含量也低時，水泥中的含堿量上限可適當放寬。但有些地區(qū)的骨料在水泥的堿含量低于0.4%時，仍然發(fā)生堿骨料反應(yīng)對工程造成損害。有經(jīng)驗表明，如果含堿量太低，坍落度較大時泌水性增加，不利于混凝土的工作性能發(fā)揮。因此，控制水泥的堿含量小于 0.6%，但大于0.4%，混凝土的摻配和工作性能可以得到充分發(fā)揮。最終水泥采用蕪湖海螺 P.Ⅱ52.5。

3.2 提高礦物摻合料的摻配量

使用礦物摻合料是預(yù)防混凝土發(fā)生堿-集料反應(yīng)破壞的最實用、經(jīng)濟和有效的途徑。是目前篩選和評價礦物摻合料抑制堿-骨料反應(yīng)有效性的唯一標準方法。在混凝土中摻加粉煤灰和礦粉，可以通過它的內(nèi)表面的吸附和離子交換作用，吸附一定Na+和K+，從而使混凝土堿-集料反應(yīng)膨脹減小，抑制了堿-集料反應(yīng)的發(fā)生。

摻加活性礦物摻合料，降低混凝土水化熱，抗氯離子滲透效果顯著。同時可緩解、抑制混凝土的堿骨料反應(yīng)。①硅灰,一般摻量控制在5～10%。②粉煤灰,海工混凝土最大可達40%。③礦粉,一般摻量控制在25%～30%左右。

3.3 使用化學(xué)外加劑

引氣劑的使用可以給膨脹物提供一定的膨脹空間，延緩破壞的出現(xiàn)。國外有資料顯示，摻加鋰鹽、鈣鹽等。國內(nèi)鮮有文獻資料記載。

3.4 控制混凝土濕度

有研究表明，降低相對濕度可以減少堿-集料反應(yīng)膨脹。但實際混凝土所處濕度條件是不易人為控制的，而且干濕循環(huán)、通電等因素還可以導(dǎo)致混凝土中的堿遷移并在局部富集，從而加劇堿-集料反應(yīng)。

3.5 提高混凝土密實度，改善混凝土抗?jié)B性能

在堿-集料反應(yīng)中，水起到至關(guān)重要的作用?；炷猎矫軐?，抗?jié)B能力越強，環(huán)境介質(zhì)也越難侵入，因此應(yīng)盡量減少單位用水量，也可以采用高效減水劑、摻用引氣劑等技術(shù)措施，使混凝土的密實性得以提局，提高了混凝土的抗?jié)B能力，在一定程度上可起到預(yù)防和減弱堿-集料反應(yīng)的危害。

3.6 海工混凝土配合比設(shè)計

由于混凝土中堿的來源不僅是從水泥、而且從混合的骨料、粉料、外加劑和水均可以得到。因此控制混凝土各種原材料總堿含量比單純控制水泥含堿量更為科學(xué)有效。對此，許多國家均規(guī)定了預(yù)防堿集料反應(yīng)允許的最高堿含量，如英國 3kg/m3，澳大利亞約 2kg/m3，新西蘭 5kg/m3，美國 3.3kg/m3，日本 3kg/m3，南非 2.1kg/m3。 其中，英國和日本的3kg/m3為大多數(shù)國家所接受。

現(xiàn)以A3合同段樁基C35海工混凝土為例：摻加粉煤灰礦粉占膠凝材料的65%，實測總堿含量為1.531kg/m3；混凝土氯離子擴散系數(shù)28d為2.6×10-12m2/s；混凝土各方面性能滿足設(shè)計及施工要求（詳見表1）。

表1 樁基C35海工混凝土配合比總堿含量一覽表

3.7 海工混凝土施工措施

在水位變動區(qū)和浪濺區(qū)混凝土施工中主要采取以下措施：

（1）采取隔離措施。杜絕或減緩堿往混凝土內(nèi)部擴散，采用防裂網(wǎng)片、硅烷浸漬、有機涂料涂裝和透水模板布。

（2）加強早期養(yǎng)護措施。承臺蓄淡水養(yǎng)護，推遲與海水接觸時間，確保混凝土早期強度上升期不受海水氯鹽侵蝕。

（3）大體積混凝土還可以從控制內(nèi)部最高溫度入手、慎重采用蒸汽養(yǎng)護措施增加混凝土早期強度、同時加強混凝土養(yǎng)護控制混凝土早期開裂。

3.8 實體檢測結(jié)果

通過對沙埕灣跨海大橋17#墩左2-2樁基的超聲波檢測，樁體完整為I類樁；經(jīng)取芯論證，海工混凝土芯樣連續(xù)完整、表面光滑、膠結(jié)好、骨料分布均勻、呈長柱狀、斷口吻合，芯樣側(cè)面僅見少量氣孔。

4 結(jié)論

混凝土堿-骨料反應(yīng)是導(dǎo)致混凝土耐久性下降的重要原因之一，在預(yù)防時候要有針對性的預(yù)防，主要措施為控制混凝土總堿含量、施工控制裂縫、控制混凝土溫度、使用化學(xué)外加劑、配合比設(shè)計優(yōu)化及使用引氣劑等；在預(yù)防措施方面還有待更進一步的研究，找到更安全有效的辦法。

[1]GB/T50733-2011，預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范.

[2]GB/T 14685-2011，建設(shè)用卵石、碎石.

[3]JGJ55-2011，普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程.

[4]CECS01-2004，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南.

[5]CCES 01-2004，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南.

[6]胡明玉，唐明述.堿集料反應(yīng)中當量堿計算問題探討.2003.

[7]莫祥銀，許仲梓，吳科如.不同因素對外加劑抑制堿集料反應(yīng)的影響.2002.

[8]楊建森.堿集料反應(yīng)的診斷與防治.2002.

[9]莫祥銀，許仲梓，唐明述.國內(nèi)外混凝土堿集料反應(yīng)研究綜述.2004.

[10]王志杰.抑制堿-集料反應(yīng)混凝土及其應(yīng)用技術(shù)研究.2006.