西村港跨海大橋工程用高性能海工混凝土配合比優化設計

王 宇，王 睿，李冬云，郭張鋒，李宏強，楊豐尚，葛洪良

(1.中國計量大學，浙江 杭州 310018；2.中鐵二十局集團第三工程有限公司，重慶 400065)

目前，我國在高性能混凝土配合比設計方面取得了大量研究成果，如嚴明輝通過優選原材料，減少膠凝材料的使用量和控制水泥用量等措施優化混凝土配合比設計，實現了綠色高性能混凝土的標準化和結構細化。韓富慶等研究了機制砂混凝土的配合比及力學性能，得出同等條件下機制砂配制的混凝土強度要高于河砂。生兆亮等使用沙漠砂制備了纖維增強混凝土，得出纖維摻量是影響沙漠砂纖維增強混凝土抗壓、抗折強度指標最顯著的因素。然而，目前的研究多數聚焦在混凝土的力學性能(抗壓強度、抗拉強度)和環保性能，對混凝土結構的耐久性研究較少，且高性能混凝土制備時選擇的摻合料多為單摻或粉煤灰與高爐礦渣粉雙摻，品種較單一。北海西港村海域海水高鹽、高溫、高濕，北海海水水質如表1所示，水中含有大量氯離子、硫酸根與微生物，對橋梁工程的耐久性有巨大影響，因此混凝土結構具有良好抗滲性能顯得尤為重要。

表1 海水成分

本試驗以跨海大橋處于浪濺區的墩柱部位混凝土為研究對象，在C45海工混凝土常規配合比基礎上，通過優化摻合料配合比設計，兼顧力學和耐久性能，設計和制備出高性能海工混凝土，為西村港跨海大橋提供設計理論依據和施工技術指導。

1 試驗情況

1.1 試驗原材料

試驗用原料有：硅酸鹽水泥(華潤合浦P·O 42.5 級)，石子1(5～16mm，2 690kg/m3，玉林興業縣龍口碎石廠)，石子2(16～25mm，2 710kg/m3，玉林興業縣龍口碎石廠)，河砂(中砂，2 590kg/m3，含泥量2.2%，合浦石康砂廠)，粒化高爐礦渣粉(S95，廣西源盛礦渣綜合利用有限公司)，粉煤灰(Ⅱ級，廣西欽州藍島環保材料有限公司)，硅灰(鞍山意通硅業新材料有限公司)。試驗用到的化學試劑有片狀氫氧化鈉(國藥，分析純)、氯化鈉(國藥，分析純)。

1.2 混凝土配合比設計及試樣制備

1.2.1混凝土配合比設計

針對北海西村港跨海大橋的服役海洋環境條件，結合混凝土配合比設計原則，并根據前期探索性試驗，以及施工實際需求，本試驗確定所用C45混凝土膠凝材料用量470kg/m3，減水劑摻量1.18%，水膠比0.32，砂率44%，試驗溫度25℃，濕度65%。試驗在固定混凝土水膠比、漿集比及砂率的前提下，設計不同摻合料間的顆粒級配，在C45混凝土常規配合比基礎上，通過引入粒度較細、形狀為片狀的煅燒偏高嶺土和球狀的微珠組分優化配合比。試驗設計的配合比及試樣編號如表2所示。

表2 混凝土質量配合比 kg

1.2.2試樣制備

混凝土制備具體工藝過程為：首先按預先設計的配合比稱料，然后將水泥、粗集料、細集料放入攪拌機攪拌；攪拌均勻后再加入各種摻合料繼續進行拌合；然后將外加劑與拌合水混合成均勻漿料，緩緩加入攪拌機，邊加入邊拌合，拌合均勻后取出新拌混凝土；接著將新拌的混凝土放入模具，在振搗機上振搗均勻，排出氣泡，確保樣品密度在約2 500kg/m3；最后在標準養護條件下養護到各齡期得到預期混凝土樣塊。為了方便測試和表征混凝土水泥水化產物的微觀形貌及孔結構等特性，按相同制備工藝制備了同等水灰比的凈漿樣品。

1.3 材料性能測試

采用日本島津公司生產的ShimadzuXRD-6000型X射線衍射儀測定混凝土原材料的相組成，測試條件為：Cu-Kα線，波長λ為0.154 06nm，靶電壓為40kV，靶電流為40mA；將混凝土試樣切割制備成150mm×150mm×150mm立方體試件，參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》采用LC5.0混凝土試壓機(濟南旭聯儀器設備有限公司)，分別測試試件在3，7，28d齡期的抗壓強度；試樣的耐久性能參照ASTMC2012測試，將待測試件通過真空飽水處理后安裝在試驗槽內，分別在兩側試驗槽中注入3% NaCl溶液和0.3mol/L NaOH溶液，施加(60±0.1)V直流電壓使處于負極的Cl-向正極移動，測試6h通過混凝土的電量值快速評價混凝土滲透性；將試樣切割制備成φ100×50 圓柱體試件，采用DTL-6型氯離子電通量測試儀(北京中科東晨公司)測試試樣的電通量。使用場發射掃描電子顯微鏡(SU-8010，日本日立公司)測試表征凈漿試塊的自然斷面的微觀形貌；采用壓汞儀(Auto Pore IV 9510，美國麥克默瑞提克公司)，測試了水泥石內部孔徑結構和孔隙率。采用美國庫爾特公司的Beckman Coulter LS13320激光粒度測試儀測試粉體原料的粒度分布。

2 結果與分析

2.1 膠凝材料分析

混凝土制備中所用的6種膠凝原材料的XRD圖譜如圖1所示，從圖中可看出，除水泥及粉煤灰樣品外，混凝土摻合料中偏高嶺土、硅灰、礦粉和微珠主要為不定型礦物，且主要成分中均含有SiO2及Al2O3，具有良好的“火山灰活性”，即SiO2與Al2O3在水化過程中與水泥釋放出的Ca(OH)2發生二次水化反應生成硅酸鈣類物質，在使得混凝土進行充分水化的同時，生成的產物會進一步填充混凝土內部孔隙，使得混凝土的致密度大大提高，抗滲性增強，從而有效提高混凝土的抗壓強度和氯離子環境下耐久性能。

圖1 試驗所用膠凝材料XRD圖譜

原材料的掃描電鏡如圖2所示，粒度分布圖譜如圖3所示。由圖2，3可看出，礦粉與偏高嶺土的顆粒尺寸接近水泥顆粒，粒徑集中分布在10μm左右。硅灰與微珠顆粒尺寸要遠小于水泥顆粒，微珠的粒徑較小，集中在5μm以下。粉煤灰顆粒分布較寬，從1μm到100μm均有分布。從掃描測試圖中可看到，硅灰顆粒呈高度聚集化狀態，團聚現象嚴重，且難以以機械方式分散，導致后續的粒度測試結果偏大，其實際粒度尺寸集中在5μm以下。這樣的粒度階梯化分布使其在發揮火山灰活性效應的同時，不同粒徑摻合料形成粒度分布更合理，可進一步填充粗、細集料及水泥顆粒間的孔隙，具有較好的微集料效應，使水泥石更密實。粉煤灰與微珠形態呈球狀，可起到“潤滑”作用，降低塑性黏度，減少用水量，提高混凝土結構強度。

圖2 膠凝材料的掃描電鏡

圖3 試驗所用膠凝材料粒度分布

2.2 混凝土強度分析

混凝土養護3，7，28d后的抗壓強度分布曲線與柱狀圖如圖4所示，可看出，與基礎配方制得的混凝土C45-1試樣相比，3d養護期制得的高性能海工混凝土的強度提升不明顯，在養護前3d內，混凝土內部主要發生水泥的一次水化反應，因此各配合比混凝土強度差距較小。隨著養護時間的增加，摻入高性能摻合料的混凝土試塊強度開始顯著提高，這是因為高性能摻合料本身顆粒粒度較小，可填充至更小縫隙中，提高混凝土的致密程度，同時其具有的火山灰活性也普遍較高，承擔了一定的成核作用，可加速水泥水化反應，因此它們對混凝土早期(7d)的抗壓強度有非常顯著的提升作用。養護28d后，各配合比混凝土中的水化反應均較徹底，且隨著高性能摻合料摻量的增加，混凝土的抗壓強度逐步提高，說明在水灰比確定的前提下，添加適量摻合料對混凝土強度有一定增強作用。但當精細摻合料的添加量進一步增加時，其對混凝土28d抗壓強度的增強作用也有一定限度。本試驗目標也是在同等強度范圍內，考察高性能摻合料對混凝土耐久性能的影響程度。

圖4 混凝土強度分布曲線與柱狀圖

2.3 混凝土微觀結構分析

同一配合比制得的凈漿樣品斷面的掃描電鏡如圖5所示，從圖5a中可看到樣品J45-1內部含有較多的片狀Ca(OH)2晶體；而其余添加高性能摻合料后的樣品(見圖5c，5d)中則較難找到大尺度結晶的Ca(OH)2結構，而是看到針狀的鈣礬石結構，如圖5b所示。這說明隨著硅灰等高性能摻合料摻量的增加，與水泥水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應程度加大，形成了包含鈣礬石在內的水化凝膠產物，使得混凝土致密度提升，由于高性能摻合料消耗了較多的水泥水化產物Ca(OH)2，從而降低了水泥石在集料界面區的薄弱帶，提升了混凝土的強度和耐久性。

圖5 凈漿樣品的掃描電鏡

凈漿樣品壓汞測試的孔徑分布及孔結構如圖6所示，由水泥、粉煤灰、礦粉和精細摻合料硅灰、偏高嶺土和微珠組成的膠凝材料，通過配合比優化，實現了物理上的優化級配；粒度呈梯度分布的摻合料顆粒所具有的微集料填充效應提高了混凝土內部的致密程度。隨著高性能摻合料的添加，小孔徑比例提高，孔隙率略微降低。基礎配合比制得的混凝土的孔隙率為25.3%，孔徑集中在50nm，優化配合比后制得的混凝土C45-3，C45-4與C45-5樣品的孔隙率均有所降低，且孔徑集中在30nm范圍內，大大提升了氯離子等介質的滲透壓力，提升了耐久性。

圖6 凈漿樣品孔徑分布及孔隙率

2.4 混凝土耐久性能分析

混凝土電流時程曲線與電通量變化曲線如圖7所示。可發現，與樣品C45-1相比，其余配合比的混凝土樣品中流過的電流量均有較大幅度降低，電通量下降明顯，C45-3，C45-4與C45-5的電通量分別降低72.28%，86.49%，89.08%，總量均<100C，混凝土的抗氯離子滲透性能優異，顯著提升了耐久性。圖7中的電流與電通量數據互相佐證。在實際工程中，考慮性能與成本等綜合因素，樣品C45-3應為最佳配合比。

圖7 混凝土電流時程曲線與電通量變化曲線

2.5 耐久性提升的機理分析

配合比優化后，混凝土耐久性提高的機理分析如下：在高性能摻合料中，增加了硅灰、煅燒偏高嶺土和微珠組分，硅灰本身具有非常小的顆粒尺寸，能對混凝土內部顆粒間的邊界孔隙起到很好的填充作用。煅燒后的偏高嶺土具有特殊的片狀結構，且火山灰活性較高，其在水泥水化過程中，與礦粉、粉煤灰、微珠等主水化產物為硅酸鈣的摻合料不同，其水化會生成大量鈣礬石，且由于其形態是二維片狀結構，使得水化后產生的孔隙通道更復雜，在一定程度上降低了孔隙的連續性，從而提高了混凝土的抗氯離子滲透能力。微珠的加入一方面增加了混凝土的流動性，易于形成致密結構；另一方面，在二次水化過程中，微珠的加入優化了水泥石的孔結構，該3種礦物摻合料在膠凝材料水化過程中起到了礦物形態效應，使水泥石更致密、孔結構更合理，顯著提高了混凝土耐久性。

3 結語

1)試驗所用摻合料均具有較好的火山灰活性，摻入混凝土中易與水泥水化產物Ca(OH)2發生二次水化反應，使水泥水化反應進行更充分，大大提高了混凝土的致密度，從而提高混凝土的抗滲性能。

2)隨著高性能摻合料摻入，摻合料粒度分布梯度更合理，水泥石的孔隙率降低，孔徑大幅度減小，孔結構得到優化。同時，混凝土中的Ca(OH)2含量顯著降低，且生成了大量二次水化產物鈣礬石。微觀結構和相組成的改善，均有利于提高混凝土強度。

3)與基礎配合比制得的混凝土C45-1相比，分別摻加質量百分比為7%，14%，19%的高性能礦物摻合料制得的混凝土，在強度保持基本不變的情況下，混凝土的密實度得到大大提升，它們的電通量分別降低9.0%，72.28%，86.49%，大大提高了抗氯離子滲透性能，進而提升混凝土耐久性。從高性能礦物摻合料的顆粒特性和化學特性，分析了混凝土耐久性提升的機理在于其組分的優選及其顆粒級配優化，以及其火山灰效應和形態效應。