寒區海洋環境下高性能混凝土橋梁配合比研究

馮 博，李松濤，錢永久

(西南交通大學 土木工程學院,四川 成都 610031)

0 引言

當前中國經濟迅猛發展，社會經濟發展需要更多的有力支撐，故海洋強國戰略與“藍色經濟”理念應運而生。隨著我國基礎設施建設向深海邁入，為實現“陸島相聯”、“島島相通”，我國沿海地區橋梁建設需求迫切、方興未艾。此外，我國地域廣闊、幅員遼闊，部分區域處于寒冷氣候與復雜海洋環境中，給橋梁建設及運營帶來了巨大的挑戰。具體而言，橋梁構件長期暴露在低溫、腐蝕環境下，不論是對其施工階段還是運營階段都是不利的，結構的安全性能將面臨巨大挑戰，為此需要具有更高性能的材料進行建設。高性能混凝土(HPC)鑒于其卓越的材料性能，在各類復雜環境工程建設中均被廣泛應用。但是，經受嚴寒氣溫與海水侵蝕的雙重考驗，采用高性能混凝土材料建設的橋梁仍然面臨著凍融破壞、侵蝕碳化、氯離子侵蝕、鋼筋銹蝕等諸多嚴峻挑戰[1-3]。因此開展相應的高性能混凝土合理配合比研究，具有重要的工程實踐意義。

由于HPC的組成成分較普通混凝土更為復雜，國內外尚未使用統一的方法來實現HPC配合比的設計。文獻[4]中討論了混凝土配合比的設計方法和應用，但未能總結規律。在此方面，法國國家路橋實驗室首先提出了根據凝膠材料與砂漿模擬試驗搜尋最佳配合比的方法[5-6]，但試驗材料得出的配合比與實際的高性能混凝土需求存在一定偏差。采用正交試驗法[7-8]設計HPC的配合比雖然可減少大部分試驗工作，但對于處于寒冷地區海洋環境的橋梁工程來說，若要計算出合理的配合比，就需要更完善地考慮各種因素的影響，如此背景下設計的正交試驗必定繁瑣且難以計算。相比之下，神經網絡BP算法[9-11]所需要的試驗數據則更為龐大，準確的分析模擬必須設計眾多試驗組并建立符合要求的數據庫，其工作量令人望而止步。近年來，全計算法[12-13]因其有效的模型與定量的計算方法而重新走進學者們的視野，該方法可跳過復雜的試驗設計過程，通過計算得出基準配合比，提高設計效率。因此，本研究以唐山市曹妃甸區的納潮河2#大橋為背景，對全計算法進行改進并進行試驗分析驗證，進一步加強全計算法理論在寒區海洋環境下HPC配合比設計的應用，為實現我國橋梁建設向深海邁入提供一定的技術支持。

1 基本理論

1.1 全計算法計算理論

陳建奎等[13]通過理論推導及試驗提出了一個全新的高性能混凝土配合比全計算法。

全計算法的空隙理論主要包括以下幾點：(1)混凝土的各組成成分具有加和性；(2)干砂漿填充石子空隙；(3)水填充干砂漿的空隙；(4)干砂漿的4個組成成分分別為砂、水泥、摻合料和空氣。根據美國Mehta教授等[14]的研究表明，其水泥砂漿體積和集料體積比應為35∶65，才能確保HPC保持在最優的工作狀態，從而可對原材料進行各種定量計算，其計算步驟如下：

(1)初始混凝土強度計算：

fcu,p=fcu,o+1.645σ，

(1)

式中，fcu,p為混凝土配制強度；fcu,o為混凝土設計強度；σ為標準差。

(2)水膠比計算：

(2)

式中，m(w)為水的質量；m(c+f)為水泥和摻合料的質量總量；A，B為相關系數；fce為水泥標號標準值。

(3)用水量的確定：

(3)

式中，Qe為漿體體積，Qe=Qw+Qa+Qf+Qc；Qa為空氣的體積；Qf為摻合料的體積；Qc為水泥的體積；Qw為水的體積；φ為質量分數；ρ為密度；ρc，ρf為水泥細粉密度。

(4)膠凝材料使用量計算：

(4)

m(c)=m(c+f)×φ，

(5)

m(f)=m(c+f)×(1-φ)，

(6)

式中，m(c)，m(f)分別為水泥、摻合料的質量。

(5)砂石及集料：

(7)

式中，Sp為砂率；Qes為干砂漿體積；ρs，ρg為砂子和石子的視密度。

最后基于上述各材料用量進行配合比適配及調整。

1.2 改進全計算法理論

原始全計算法的水膠比計算公式如式(2)與式(3)所示，從中不難看出，水膠比的控制因素主要是用水量和膠凝材料用量。如果增加水的用量，或降低膠凝材料用量均會得到偏大的比值。為了滿足混凝土抗壓強度需求，則需對用水量和膠凝材料用量進行修正。鑒于用水量的改變便于計算和經濟，因此選擇用水量為切入點，在用水量計算公式中乘以修正系數γ1，且滿足γ1<1。修正后的用水量計算如式(8)所示：

(8)

同理，為確保混凝土處于較好的工作狀態，在砂率的計算公式上乘以修正系數γ2，滿足γ2<1，則砂率的計算公式如下：

100%，

(9)

式中，Qs為砂的體積；Qes為干砂漿體積，且Qes=Qc+Qf+Qa+Qs。

然而，上述方法雖然能解決水膠比和砂率的問題，卻很難計算出骨料和砂漿體積的最優比例關系，且該比例關系是全計算法設計配合比的核心，若簡單的按照上述乘以修正系數的方式對全計算法進行改進，會導致水泥漿與骨料用量比例不滿足最優的理論體積比例。

為降低水膠比，可直接對水膠比的計算公式進行修正，其修正系數為γ，詳情見式(10)：

(10)

式(3)～式(7)計算公式不變。從式中可看出，用水量和砂率的變化呈相同趨勢。因此，直接修正水膠比公式的方法更為科學合理。需要說明的是：該修正系數γ為小于1的無量綱參數，主要用于降低水膠比。

2 全計算法試驗

2.1 試驗工況

為驗證在寒冷地帶海洋環境下全計算法對于高性能混凝土配合比設計的適用性，試驗以3個主要內容進行設計研究，即HPC的抗凍融能力、抗碳化能力以及抗侵蝕能力。

2.1.1 試驗材料

本研究對水泥、集料、摻合料以及外加劑進行選取，見表1。采用標準的全計算法，以背景工程所需的C45等級高性能混凝土為例，計算其合理配合比的基本范圍，得到每立方米的材料用量為：水泥280.4 kg、砂668.3 kg、碎石1 075.1 kg、粉煤灰64.5 kg、礦渣粉86.1 kg、水171.9 kg。

表1 試驗材料Tab.1 Test materials

2.1.2 混凝土試塊及試驗方法

試驗用混凝土試塊的配合比采用全計算法計算出的結果。試驗分為碳化試驗、凍融試驗和氯離子滲透試驗，每組試驗制作3個試塊。按照標準混凝土試塊的澆注-拆模-養護完成后，方可進行試驗。

(1)抗凍融性能測試試驗

本試驗的試驗過程按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[15]中的步驟進行，測試指標為動彈性模量或質量損失率。

(2)抗碳化性能測試試驗

本試驗的試驗過程也參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[15]中的步驟進行，測試指標為碳化深度。

(3)抗氯離子滲透試驗

本試驗采用加速擴散法測定氯離子滲透性能，具體試驗方法參考文獻[16]，測試指標為滲透系數。

2.2 試驗結果分析

按計算出的初步配合比配制混凝土，使用強制式PVM500攪拌機將各材料拌至均勻，測出混凝土和易性良好，試驗結果如表2所示。

表2 C45試配試驗結果Tab.2 Trial mix test result of C45

砂率會影響混凝土的強度及工作性，尤其是對于高性能混凝土，其砂率一般不超過40%[17]，而試驗結果表明該混凝土的水膠比為0.4，但砂率已達到38.32%，試配砂率偏大，且28 d抗壓強度不滿足要求。

對于混凝土的抗凍性，可通過混凝土的質量損失率5%和相對動彈性模量60%進行評價。按當前的要求進行混凝土快速碳化試驗，針對混凝土碳化性能進行評定。對于混凝土的抗氯離子侵蝕性能，參照混凝土抗滲等級的劃分規定。通過結果分析，配制混凝土滿足抗凍、碳化和抗滲要求。

根據以上全計算法配合比試驗分析結果，表明在寒冷地區海洋環境下采用全計算法配制的高性能混凝土存在以下不足：水膠比偏大；砂率偏大。

3 改進全計算法試驗及驗證

3.1 修正系數γ的取值范圍

從1.2節中改進全計算法的基本理論可以看出，合理的修正系數γ可在保證最佳用量比的同時有效降低混凝土的水膠比與含砂率。為了探討γ的取值范圍，現進行試驗，仍以相同的HPC作為考察目標，將水膠比依次增減，然后計算出新的配合比，并重新制作符合要求的混凝土試件開展相應試驗，各試驗組具體用料見表3。

表3 C45試驗配合比Tab.3 Test mix proportion of C45

本研究針對寒冷地區海洋環境下高性能混凝土的配合比設計，因此不僅需要考察混凝土的抗壓強度，還需要對混凝土的抗凍融、抗碳化及抗侵蝕能力做進一步研究。按照設計的標準試驗步驟進行試驗，混凝土的抗壓強度試驗結果見表4。

從表4的試驗結果可以看出，式(10)的修正方法是有效的。從抗壓強度來看，隨著修正系數γ取值的增大，配制的混凝土試件組在第7 d和第28 d所測得的抗壓強度逐漸減小。其中K3和K4兩組之間的抗壓強度在兩個時間節點上的減幅均大于其他試驗組，第7 d的抗壓強度減幅為6.56 MPa，第28 d的抗壓強度減幅為5.54 MPa。混凝土抗壓強度變化規律如圖1所示。

表4 C45抗壓試驗結果Tab.4 Compression test result of C45

圖1 C45抗壓強度變化規律Fig.1 Compressive strength variation rule of C45

K3試驗組的28 d抗壓強度為51.27 MPa，略低于規范要求；K1與K2試驗組的28 d抗壓強度分別為55.14 MPa和58.91 MPa，均符合強度指標。由此，得出修正系數γ的上限值為：

(11)

根據目前的研究[18-19]，強度等級在C40～C50之間的HPC膠凝材料用量宜低于450 kg/m3，而對于具有更高強度等級的高性能混凝土，其用量應小于500 kg/m3。而試驗組K2組混凝土的膠凝材料已達到465 kg/m3，由此得出修正系數γ的下限值為：

(12)

表5進一步給出了標準試驗設計下的碳化試驗結果。從表中可以看出，5組配合比高性能混凝土的抗滲等級均可滿足要求。對于混凝土28 d時的碳化深度，除K5組混凝土的碳化深度大于標準要求的10 mm外，K1～K4各組混凝土的碳化深度均符合要求，且隨著γ值的增大，碳化深度也相應增大。從抗碳化的角度出發，修正系數γ的取值范圍可為0.775～1.0。

表5 C45碳化試驗結果Tab.5 Carbonization test result of C45

圖2 C45碳化深度趨勢Fig.2 Carbonization depth trend of C45

表6給出了標準試驗設計下的氯離子擴散系數試驗結果。從表中可以看出，前4組試件的氯離子擴散系數均較小，只有K5組混凝土的數據超過要求。將各試驗組的氯離子擴散系數上下做差，可發現其差值均為負數，K2與K3組之間系數差的絕對值最大(0.409)。結果表明：修正系數γ的取值變化會使氯離子擴散系數呈規律變化，如圖3所示。從抗氯離子滲透的角度出發，修正系數γ的取值范圍也可為0.775～1.0。

表6 C45氯離子擴散試驗結果Tab.6 Chloride ion diffusion test result of C45

圖3 C45氯離子擴散系數趨勢Fig.3 Chloride ion diffusion coefficient trend of C45

表7給出了標準試驗設計下C45質量損失率與凍融循環次數的關系。從表中可以看出，除了K5組混凝土具有較高的質量損失率(近5%)，其余4組均具有一定的抗凍融能力，各組混凝土的質量損失率都有效控制在5%以內。從300次凍融循環后混凝土的質量損失率來看，水膠比越小的混凝土，其質量損失率也越小。這說明隨著修正系數γ取值的增大，水膠比增大，混凝土的抗凍性能逐漸減弱。

表7 C45質量損失率與凍融循環次數的關系Tab.7 Relationship between C45 quality loss rate and freeze-thaw cycles

綜合考慮混凝土抗壓強度、膠凝材料總量和混凝土耐久性對修正系數γ取值的要求，所有的γ取值范圍取交集，所以最終γ的取值范圍應為0.85<γ<0.925。

3.2 實例應用

針對以上研究，本研究利用工程背景納潮河2#大橋預應力箱梁所需的C50高性能混凝土進行研究。大橋修建位置為河北省唐山市曹妃甸區，全橋總長2.5 km，是連接島嶼和陸地的重要通道。由于該區冬季氣候寒冷，海面結冰，此地區的結構物會經受各種耐久性能問題。表8為計算配合比結果，表9為試配試驗結果，其計算步驟如下:計算混凝土配合強度→確定水膠比→計算用水量→計算膠凝材料→計算砂率→計算配合比。

表8 納潮河2#大橋C50高性能混凝土試配結果Tab.8 Trial mix result of C50 high performance concrete for Nachao River Second Bridge

表9 試配試驗結果Tab.9 Trial mix test result

從表8中可以看出高性能混凝土配合比滿足設計要求。表9中高性能混凝土強度值、抗滲等級、抗凍性能、碳化深度和氯離子擴散系數均滿足指標要求。修正后的全計算法在計算寒冷地區海洋環境下高性能混凝土配合比設計方面具有較高的適用性。

4 結論

本研究采用全計算法設計了C45高性能混凝土的配合比并開展了試驗研究，發現寒區沿海環境下HPC配合比在現有的理論設計中存在需改進的地方，然后結合理論分析，提出了修正的全計算法，并通過試驗研究給出了修正系數的取值范圍，得出的主要結論如下：

(1)配合比試驗分析結果表明，在寒冷地區海洋環境下采用標準全計算法配制的高性能混凝土存在以下不足：水膠比偏大；砂率偏大。這些結果會導致混凝土的和易性、強度和耐久性能減弱。

(2)對于改進的全計算法，隨著修正系數取值的增大，混凝土的抗碳化能力逐漸減弱，且減弱趨勢逐漸加劇；氯離子擴散系數也隨修正系數的增加呈線性增大。綜合考慮混凝土抗壓強度、膠凝材料總量和混凝土耐久性對修正系數γ取值的要求，所有的γ取值范圍取交集，所以最終γ的取值范圍應為0.85<γ<0.925。

(3)工程實例試驗結果分析表明，采用改進的全計算法得到的高性能混凝土配合比滿足設計要求，其強度值、抗滲等級、抗凍性能、碳化深度和氯離子擴散系數均滿足指標要求。