基于功效系數法的抗氯鹽混凝土配合比研究與應用

李 濤，余陽君，李玉彬

(1.廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣西欣港交通投資有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

位于臨海或海中氯化物環境下的混凝土結構物，由于長期處于海水及鹽霧區侵蝕環境，氯離子的入侵可能造成并加快混凝土中鋼材料的腐蝕。本文主要研究采用粉煤灰、礦粉復摻的混凝土在實際工程中的工作性能，其兩者復摻不僅可以實現優勢互補，還能有效提升混凝土和易性及耐久性[1]；與此同時，當礦物摻合料用量很大時，能夠有效地壓制堿-集料化學反應。本文從試驗原材料、主要操作流程、混凝土的性能分析、社會及經濟效益等方面詳細闡述復摻混凝土配合比優化研究過程，并利用功效系數法對混凝土的綜合性能進行評價，對抗氯鹽海工混凝土配合比進行優化調整。

1 工程概況

國道G228丹東至東興廣西濱海公路龍門大橋為廣西濱海公路龍門港至欽州港段，全長7.637 km，采用主跨1 098 m單跨吊全漂浮體系鋼箱梁懸索橋，途經旱涇長嶺、松飛大嶺、仙人井大嶺，連續跨越多個島嶼。由于龍門大橋項目的橋墩、橋臺及承臺等部位長期處于海水、海霧中，會受到氯鹽的侵蝕，而且當地的環境溫度較高，所以對跨海大橋混凝土抗氯離子滲透性能提出了相對嚴格的要求。

2 混凝土原材料組成與選擇

2.1 配合比原材料設計技術要求

2.1.1 水泥

水泥應符合現行國家標準《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)[2]的規定，其性能應滿足《海港工程混凝土材料與結構耐久性設計規范》(DB 45/T 1828-2018)(以下簡稱《設計規范》)技術標準。

2.1.2 細骨料

細骨料宜級配良好、質地堅硬、顆粒潔凈且粒徑<5 mm，也可采用專門機械設備制造的人工砂[3]，不宜使用山砂或石灰巖屬性的人工砂、石屑，不得使用海砂。其性能應滿足《設計規范》的相關要求。

2.1.3 粗骨料

優先采用河石，其性能還應滿足《設計規范》的相關要求。

2.1.4 水質

應采用潔凈飲用水，嚴禁采用海水進行混凝土拌制及養護。

2.2 原材料產地及檢測結果(表1)

表1 原材料產地及檢測結果表

3 配合比設計

3.1 混凝土基準配合比

按照混凝土設計技術要求[4]，得到橋墩、橋臺樁基、索塔樁基水下C35抗氯鹽海工混凝土基準配合比如表2所示。

表2 C35抗氯鹽海工混凝土基準配合比表(kg/m3)

為了確定最合適的膠凝材料組成及比例，緊密結合現行科研成果，根據工程特點及相應規范[5]，選定膠材中摻合料設計方案如下：水泥分別為50%、40%；粉煤灰摻量分別為10%、15%、25%；礦渣摻量分別為17%、27%、37%。

3.2 抗氯鹽海工混凝土試驗結果分析

為了解混凝土工作性能，采用3個不同水膠比進行試拌，基準配合比水膠比為0.38，另外兩個配合比的水膠比分別為0.40和0.36。混凝土拌和物性能如表3～5所示。

表3 C35抗氯鹽海工混凝土拌和物性能試驗結果表

表4 C35抗氯鹽海工混凝土力學性能試驗結果表

表5 不同摻量粉煤灰和礦粉對不同水膠比混凝土性能的影響試驗結果表

4 試驗結果分析

通過試驗得出：由于粉煤灰顆粒細小，粉煤灰的摻入改善了混凝土的和易性，隨著粉煤灰摻量(10%、15%、25%)的增加，達到相同坍落度所需要的減水劑用量相對減少。

當逐漸提高礦粉摻量(17%、27%、37%)時，混凝土擴展度增大，流動性能也隨之增大。但礦粉的摻量過大時，將會導致混凝土的黏度增大，當礦粉摻量超過標準用量時，混凝土則會產生板結或者抓底現象，這種混凝土在泵送過程中很容易導致堵管。

同時采用粉煤灰與礦粉相比單獨采用礦粉，混凝土的粘聚性得到改善，流動性能得到了相應提高。當粉煤灰用量固定不變時，隨著礦粉用量的增加，達到同一坍落度值時所需的外加劑用量減少，也使混凝土擴展度逐漸增加。等級好的粉煤灰的摻入可彌補礦粉對混凝土和易性帶來的負面影響。

高質量粉煤灰相比礦粉更利于提升混凝土流動性能，主要因素取決于其各自的結構形態。高質量粉煤灰含有較多的微珠，較差的粉煤灰里微珠含量很少，基本都是一些形狀不規則的結構物，而礦粉顆粒也是形狀不規則的，很難達到高質量粉煤灰的“滾珠”效應，所以高質量粉煤灰的適量摻入能有效提高混凝土的流動性。當粉煤灰與礦粉一起使用后，達到優勢互補效果，其28 d抗壓強度與純普通硅酸鹽水泥混凝土相比，跌幅最大≤6 MPa。同時，采用粉煤灰及礦粉復摻后的混凝土，雖然其抗壓強度28 d齡期比純水泥28 d齡期抗壓強度低，但足以滿足C35等級混凝土強度要求。

經過多次對比試驗結果得知，粉煤灰與礦粉同時使用時，當粉煤灰摻量為10%、15%、25%，粉煤灰與礦粉總用量為27%、42%、62%時，其28 d抗壓強度總體變化不明顯；使用相同摻合料摻量時，摻量30%粉煤灰的混凝土抗壓強度比摻量20%粉煤灰的略低。在粉煤灰與礦粉復摻情況下，粉煤灰摻量相同時，則兩者的抗壓強度及工作性能表現良好。

表6 不同摻合料及摻量粉煤灰和礦粉的

由表6可知，單摻或者復摻粉煤灰及礦粉可以有效降低混凝土28 d、56 d的電通量值，當礦粉的摻量提高時，則電通量值也就對應減小。由此可知，當礦粉的摻量越大時，其混凝土抗氯離子滲透性能也就越好。

5 抗氯鹽混凝土綜合性能評價及性價比分析

功效系數法[6]是由E.C.Harrington教授提出用來處理多目標決策相關問題的方法，用該方法對各項評價指標分別確定滿意值和不允許值。從混凝土的工作性能、混凝土強度、氯離子擴散性三個方面進行對比研究，計算得出各評價對象指標的功效系數，將其轉化為相應的功效評分值，得到最后的綜合評價分數。

5.1 工作性功效系數W

混凝土的工作功效系數主要從混凝土的流動性、粘聚性與保水性進行研究。本項目用混凝土坍落度達到200 mm時的擴展度K值大小來做比較，K值≥570時為滿意值(功效系數W為1.00)；K值≤570時，K值每降低5 mm，W降低值取0.01，K<350則不合格，W取0。

現場泵送混凝土的粘聚性保水性以良好、適中、無離析、泌水、抓底等現象為滿意值(對應N為1.00)，反之則按照嚴重程度進行扣分：良好(1.00)、較好(0.90)、一般(0.80)、較差(0.70)、差(0.60或0.00)。

5.2 混凝土強度功效系數R

以混凝土抗壓強度最大值為1.00，剩下混凝土配合比的抗壓強度功效系數取抗壓強度與最大值的比值。如果混凝土抗壓強度達不到設計強度等級時，則不符合設計規范，對應的功效系數R為0。

5.3 抗氯離子功效系數C1

參照相關標準，用6 hQ值<100 C電通量為滿意值(抗氯離子滲透性能功效系數C1取1.00)；電通量Q≥100 C時，電通量每增加50 C，則功效系數就對應降低0.01。當電通量值>1 000 C時，則不滿足設計要求，功效系數為0。

5.4 混凝土綜合性能功效系數F

對于海工混凝土而言，抗氯離子滲透性能是其重要指標，間接影響混凝土的強度及耐久性，在配合比試驗中，其強度均滿足設計要求并有富余，所以抗壓強度的影響相對較小，取工作性能、抗壓強度、氯離子抗滲性能的權重為3∶2∶5，其綜合性能功效系數F按照公式進行計算。

根據前文創建抗氯鹽混凝土性能評價分析，結合文中表3、表6得到混凝土各性能對應的功效系數及綜合性能功效系數如表7所示。

由表7可知，從混凝土綜合性能考慮，粉煤灰摻量應該在20%～30%，并且可以在一定基礎上摻入30%左右的礦粉。如果考慮到混凝土成本，則應該大量摻入礦物摻合料，減少水泥用量，從而減少成本。同時考慮到原材料及施工技術等因素對抗氯鹽混凝土性能的影響，最終采用粉煤灰為18%、礦粉為25%的配合比，水膠比控制在0.38。

表7 混凝土功效系數及性價比分析結果表

6 結語

本文采用功效系數法來分析不同比例礦物摻合料對混凝土的影響，結合工程成本，按照不同配合比所需原材料的不同，得到不同配合比所需的每立方成本。保持配合比中摻合料的固定比例，當粉煤灰的摻量越來越多時，混凝土的抗壓強度則隨之降低，所以粉煤灰的摻量必須控制在一定范圍，不然將導致混凝土后期強度不足，嚴重時將導致混凝土達不到設計要求。而在混凝土配合比中同時使用粉煤灰及礦粉時，可以改善混凝土的工作狀態、抗壓強度和結構物的耐久性能。用適量的粉煤灰或礦粉置換配合比中一定量的水泥，不僅可以降低混凝土的水熱化反應，還優化了混凝土的工作性能，提高了混凝土的后期強度，增加其粘聚能力，減少其泌水率，并能有效抵抗其他化學離子的入侵，提高混凝土的性能。試驗表明，無論是單摻還是復摻優質粉煤灰或礦粉，都能有效降低混凝土通電量值，提高混凝土的抗氯離子滲透性能。