海洋工程領(lǐng)域海工高性能混凝土配合比設(shè)計及質(zhì)量控制研究

劉劍釗

（中交四航局廣州南沙工程有限公司，廣州510230）

1 海洋工程的環(huán)境影響因素

隨著海洋資源開采科技手段的應(yīng)用，人類大規(guī)模開發(fā)海洋資源，在各大海域開始修建資源開采平臺、橋梁建筑、港口、隧道等。但是，這些海洋建筑物大多遭到海水侵蝕，每年用于工程修復(fù)和重建的費(fèi)用巨大。海洋工程混凝土要具備耐侵蝕性，才能避免海水的過度侵蝕，海上建筑物才能有更長的使用壽命。因此，海洋工程混凝土的選用要綜合考慮海洋環(huán)境的特殊性、使用成本、資源保護(hù)以及建筑物的安全等級等。海洋混凝土的配合比設(shè)計旨在提高其使用性能，在特殊環(huán)境下具備足夠的耐久性，降低海洋建筑物的維保成本，提高其利用價值。

海水中含有大量的鹽成分，鹽中含有的一些元素會在短時間內(nèi)滲入建筑物主體結(jié)構(gòu)，影響建筑物的質(zhì)量【1】。

海洋所處地區(qū)的氣候環(huán)境決定了海水的侵蝕能力，對海洋工程造成了各種不同程度的影響。比如，溫帶氣候、熱帶氣候的海洋工程侵蝕程度是不同的；江水和河水的鹽成分較少，深海海域和近海海域的海水含鹽量高；海洋工程不同部位的干濕程度也不同。

混凝土的耐久性很大程度上是由其各部位所處的干濕環(huán)境決定的，尤其是用于海洋工程的混凝土。海水中含有的氯離子會滲透到混凝土結(jié)構(gòu)，浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)不停變換干濕度，表面會凝結(jié)一些海鹽，這些鹽離子會逐漸滲透到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。針對這些問題，海洋工程建設(shè)團(tuán)隊要重點(diǎn)研究克服海水對混凝土耐久性的影響。

2 海灣大橋中海工高性混凝土配合比設(shè)計的優(yōu)化

2.1 海工高性能混凝土的設(shè)計指標(biāo)

某海灣大橋海工高性能混凝土強(qiáng)度及耐久性指標(biāo)如表1所示。

表1 海工高性混凝土強(qiáng)度等級及耐久性要求指標(biāo)

2.2 原材料選擇

關(guān)于原材料的選擇，具體內(nèi)容如下：

1）水泥：使用的P·Ⅱ52.5 硅酸鹽水泥，含少量氯離子。

2）粉煤灰：使用Ⅰ級粉煤灰。

3）礦粉：使用S95 級礦粉。

4）細(xì)集料：使用天然河沙，要求具備足夠的強(qiáng)度和硬度，抗風(fēng)化能力強(qiáng)。

5）粗集料：選用5～10mm、10～20mm 玄武巖碎石，比例為30%∶70%。

6）外加劑：采用聚羧酸減水劑，減水效果極佳。

7）水：拌和用水為生活用水。

2.3 膠凝材料的用量

高性能混凝土摻入大量膠凝材料，水量小灰量大，而且加了聚羧酸減水劑，導(dǎo)致產(chǎn)生的混凝土拌和物易發(fā)生石料下沉問題，且與基地粘連在一起無法撬動。為了解決這一問題，可以調(diào)整砂率，最佳砂率為42%。在混凝土中加入粉煤灰，經(jīng)過一段時間的凝結(jié)之后強(qiáng)度會大大增加，但預(yù)制梁的張拉時間在5d 左右，故粉煤灰適量加入即可。混凝土張拉對強(qiáng)度有一定要求，為了防止混凝土產(chǎn)生的熱量過大出現(xiàn)裂縫，在確定原材料用量時，無須全部使用水泥，可以配合礦粉末與水泥共同使用。結(jié)果證明，水泥含量55%，粉煤灰含量30%，礦粉含量15%時形成的混凝土具備更長的使用期限。

2.4 砂率

粗集料在壓實狀態(tài)下堆積在一起會產(chǎn)生空隙，也就是空隙率，其在一定程度上影響砂率值的核定。在粗集料形狀、級配、空隙率均不理想的情況下，填充空隙所用的粗集料量不足、細(xì)集料和膠凝材料用量超標(biāo)，混凝土彈性模量會增大，但是體積可能會變小。

砂率的確定要結(jié)合砂料的粗細(xì)。當(dāng)顆粒普遍偏小時砂率應(yīng)當(dāng)相應(yīng)降低，這樣，可以有效解決細(xì)顆粒砂含量過大對骨料裹漿的不利影響，同時緩解管道潤滑層產(chǎn)生的摩擦力；當(dāng)沙粒普遍偏大時應(yīng)調(diào)高砂率，讓漿體的保水能力得到提升，離析問題得到緩解【2】。結(jié)果表明，粒徑為5～10mm 的小顆粒砂與粒徑為10～20mm 的大顆粒砂的比按照30%∶70%進(jìn)行級配，此時的容重達(dá)到最大值。此外，砂率宜控制在43%左右。

2.5 減水劑摻量

減水劑的使用量是按照減水需求決定的，通過實驗驗證減水劑在適當(dāng)范圍內(nèi)的最佳摻入量。通常情況下減水劑必須嚴(yán)格按照要求決定摻入量，不可隨意更改。該項目工程的減水劑摻入量經(jīng)過試驗驗證，確定最佳用量為1.3%。

2.6 含氣量

含氣量一定要保持在合理范圍內(nèi)，這樣混凝土才能具備更強(qiáng)的防凍能力，并且能夠有效抵抗硫酸鹽的腐蝕。按照試驗結(jié)果結(jié)合施工要求，最終確定最佳含氣量為4%～6%。

3 海工高性能混凝土拌合物常見問題以及解決辦法

混凝土在配置過程中必須查驗其是否具有流動性和可泵性，且內(nèi)部分子是否具備一定的黏聚力。部分混凝土過于稀且不夠潤滑，表面黏合度過高，流動性不足；部分混凝土從拌和設(shè)備輸出之后具備足夠的和易性，但是通過混凝土運(yùn)輸車輛運(yùn)至施工現(xiàn)場和易性變差；還有的混凝土拌合物在泵送過程中逐漸變稀，無法達(dá)到施工要求，對施工質(zhì)量造成不利影響。所以，要同時管控混凝土拌合物的坍落度和擴(kuò)展度，分別控制在180～220mm 和420～520mm。原材料選定和進(jìn)場時要嚴(yán)格檢驗質(zhì)量，砂石含泥量需控制在合理范圍內(nèi)，碎石在清洗之后完成脫水才能投入使用，隨時檢測砂石含水量，并根據(jù)檢測結(jié)果調(diào)整用量。

4 海工高性能混凝土強(qiáng)度及耐久性

在施工過程中嚴(yán)格按照施工要求進(jìn)行，保證良好的混凝土施工質(zhì)量，同時混凝土凝結(jié)之后具備足夠的強(qiáng)度和硬度，能夠有效延長使用壽命。該工程項目所在區(qū)域在年末氣溫下降至0℃以下，到來年立春時節(jié)才逐漸開始回暖，最低平均氣溫達(dá)到-0.5℃，溫度較低，所以混凝土必須具備較高的抗凍能力。除此之外，海水中含有的氯鹽會對工程主體結(jié)構(gòu)造成腐蝕，所以，混凝土還要具備防滲透性能。該工程項目混凝土的實驗結(jié)果顯示，其抗凍能力、抗壓能力、防滲透能力等與設(shè)計要求無差異，28d 的抗壓能力測試完全合格，混凝土生產(chǎn)過程中對其采取質(zhì)量控制措施是有效的。

5 海工高性能混凝土配制注意事項

5.1 嚴(yán)格控制減水劑和拌和用水的用量

制備摻加聚羧酸系高性能減水劑的海工混凝土拌合物時，應(yīng)嚴(yán)格按照工地試驗室確定的最佳減水劑用量和用水量計量，不合理的減水劑摻入量和用水量會導(dǎo)致混凝土沁水離析、含氣量超標(biāo)等問題，嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量【3】。檢測原材料中砂和石料的含水量時一定要確定檢測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，這些數(shù)據(jù)是決定用水量的關(guān)鍵。

5.2 保證最低的膠凝材料用量

由于聚羧酸系減水劑的減水率非常顯著，強(qiáng)度等級偏低的混凝土在配置過程中無需加入過多的水泥，否則會影響混凝土表面質(zhì)量。使用低強(qiáng)度混凝土完成澆筑以后，澆筑主體的質(zhì)量欠佳。為解決這一問題，可以借助聚羧酸系減水劑，適量加入粉煤灰和礦粉，使其發(fā)揮水泥的作用，可以有效降低膠凝材料的使用，降低了施工成本，并且不會對周圍環(huán)境造成影響。

6 結(jié)語

海洋工程建筑物在修建初期要考察施工區(qū)域的海洋環(huán)境，全面考慮氣候條件、所屬海域的基本情況及工程設(shè)計方案，并注重防腐措施及混凝土的耐久性問題。防腐措施可以采取適量涂抹阻銹劑，緩解鋼筋的受腐蝕程度；混凝土耐久性主要是通過聚丙烯纖維來增加混凝土的抗腐蝕能力。同時，采用這2 種施工手段，可有效延長海洋工程的使用周期。