長壽命海工高性能混凝土的研究與應用

程 璐，張 亞，占 文，徐 勍

(1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，武漢 430040；2.海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，武漢 430040；3.中交二航局第三工程有限公司，鎮江 212002)

濱海環境下混凝土工程由于長期受氯離子侵蝕，鋼筋銹蝕的現象非常普遍，已建的海港碼頭等工程多數都達不到設計壽命的要求。隨著我國各項重大建設項目的逐步實施，海工混凝土的需求量日益增多，業主、使用者及運營商都對橋梁耐久性以及橋梁整個生命周期的經濟性有了更高要求[1-3]。而提高混凝土耐久性的主要措施可分為兩方面，一方面在保證混凝土強度的同時，使混凝土足夠密實，從而降低各種侵蝕性介質的滲透，避免或延緩鋼筋的銹蝕；另一方面是減少或避免混凝土的各種裂縫，尤其是早期裂縫[4,5]。

黃海二橋工程位于江蘇南通如東縣海濱輻射沙洲中的爛沙洋水道西部，建設在洋口港區圍墾二期工程與陽光島之間，工程所處位置的氣象、水文、地形和地質條件十分復雜。橋址環境屬海水氯化物引起鋼筋銹蝕的近海或海洋環境，結構受氯離子侵蝕、干濕作用及海浪沖擊等復雜作用的影響，服役環境十分惡劣。其中承臺混凝土設計等級為C45，屬大體積混凝土，受干濕循環影響較大，嚴重影響了結構的滲透性及耐久性。通過優選長壽命海工高性能混凝土配合比，并進行壽命模型預測，評估其結構使用壽命。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥為南通海鑫建材有限公司生產的PO 42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，硅灰為生產自上海天愷硅粉材料有限公司的微硅粉。砂為江西鄱陽湖中砂，細度模數2.63，表觀密度2.64 g/cm3。碎石選用福建松下生產的5～25 mm連續級配碎石，表觀密度2.63 g/cm3。外加劑為浙江五龍新材股份有限公司生產的高效減水劑。

1.2 配合比設計

針對C45承臺大體積混凝土配合比，該試驗主要考慮混凝土的抗裂性能，通過大摻量的粉煤灰來降低混凝土的絕熱溫升，減小溫度應力，達到降低混凝土開裂的風險。基準組選取膠凝材料440 kg/m3，水膠比為0.33，對比選取不同硅灰摻量(4%、6%、8%、10%)。根據以上思路設計了7組配合比(表1)，進行對比試驗。承臺混凝土各項指標控制見表2。

表2 承臺混凝土配制技術指標

2 結果與討論

2.1 力學性能及抗滲性能

從表3可看出，在大摻量粉煤灰和硅灰復摻體系中，隨著硅灰的摻量的增大，為保持相同的工作性能，需增大減水劑摻量。

A1組28 d齡期抗壓強度不滿足試配要求，需降低水膠比。對比A1與A2組別可知，摻入一定量的硅灰后，混凝土抗壓強度有較大增長。對比A2與A4組別可知，隨著水膠比增大，混凝土抗壓強度有一定降低，在膠凝材料為440 kg/m3、水膠比為0.33時(A2)時，28 d抗壓強度有一定的富余，可適當增大水膠比。對比A3～A7組別可知，隨著硅灰摻量的增大，混凝土抗壓強度有較大提高，在單摻粉煤灰組別中(A3)，28 d齡期抗壓強度不滿足試配要求。從2 d和3 d齡期抗壓強度可看出，隨著硅灰的摻入早齡期抗壓強度有較大提高；由于摻入大摻量的粉煤灰，從28 d到56 d齡期抗壓強度有一定的增長，采用56 d齡期強度作為抗壓強度設計依據，可降低膠凝材料總量。

抗滲性能試驗結果見表3。該項目海工混凝土56 d氯離子擴散系數要求不大于2.5×10-12m2/s～4.0×10-12m2/s，在粉煤灰與礦粉復合摻入、水膠比為0.33時(A1)，56 d氯離子擴散系數較難小于3.0×10-12m2/s，需降低水膠比；單摻粉煤灰、水膠比為0.33時(A3)，56 d氯離子擴散系數為4.0×10-12m2/s；對比A3～A7組別可知，在粉煤灰與硅灰復合摻入時，28 d和56 d氯離子擴散系數均有大幅度的降低，且隨著硅灰摻量的增大降低更為明顯。

綜合抗壓強度和抗滲性能，摻入硅灰能提高混凝土的抗壓強度和抗滲性能，其抗裂性能成為控制的關鍵點，通過適當增大水膠比和控制硅灰摻量來改善抗裂性能。

2.2 抗裂性能

絕熱溫升試驗結果見圖1。對比A3～A7組別，隨著硅灰摻入，絕熱溫升值增大。收縮試驗結果見圖2。對比A3～A7組別，隨著硅灰摻入，收縮值增大。早期抗裂性能試驗結果見表4。A3、A4、A5抗裂等級均為L～Ⅳ，抗裂性能良好；A6和A7抗裂等級均為L～Ⅲ。在適量的硅灰摻量下，抗裂性能可達到L～Ⅳ。

表4 C45混凝土早期抗裂性能

2.3 使用壽命評估

所采用的混凝土結構使用壽命的定義是“從混凝土開始暴露于氯鹽環境中至氯離子滲入到鋼筋表面達到臨界濃度值，引發鋼筋開始腐蝕所經歷的時間”。氯離子侵蝕過程的主導方式是擴散，以Fick第二定律作為描述擴散過程的數學表達式，采用MATLAB軟件編制計算程序，依據蒙特卡羅方法對各參數進行等概率離散抽樣后交叉計算，依據計算結果統計使用壽命的概率密度曲線和概率分布曲線[6]，黃海二橋工程混凝土使用壽命評估信息見表5。由計算結果可知，保護年限的總和均超過100年，滿足耐久性要求。

表5 混凝土使用壽命評估

3 結 論

a.針對黃海二橋工程特點，以承臺為例，進行室內混凝土試拌，以耐久性為核心，工作性能、力學性能、耐久性能并重的原則，提出了高耐久海工混凝土配制技術及質量控制技術；

b.采用菲克第二定律對黃海二橋腐蝕環境作用等級高的主橋承臺的使用壽命進行評估，基于氯鹽侵蝕作用下以上結構鋼筋表面氯離子達到臨界濃度的時間與附件措施保護年限的總和均超過設計使用年限，滿足耐久性要求，驗證了耐久性系列措施的有效性。