C40海工大體積混凝土配合比研究

摘要：文章結(jié)合龍門大橋東錨碇基礎(chǔ)大體積混凝土施工，研究建立在混凝土強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、齡期衰減系數(shù)與水膠比、礦物摻合料種類和摻量等因素之間的量化關(guān)系，綜合考慮混凝土強(qiáng)度、耐久性、水化熱、溫控等性能指標(biāo)要求，通過科學(xué)選取水膠比、礦物摻合料種類和摻量，研發(fā)跨海大橋抗腐蝕高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)技術(shù)，提出原材料優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)與控制指標(biāo)、混凝土施工質(zhì)量控制方案以及混凝土耐久性質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)，形成跨海大橋抗腐蝕高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制成套技術(shù)，解決傳統(tǒng)技術(shù)所存在的缺陷。

關(guān)鍵詞：錨碇；大體積；配合比；海工混凝土；雙摻；溫控

0引言

錨碇頂板采用C40大體積混凝土，對于近海的大體積混凝土而言，需增強(qiáng)混凝土抗氯鹽侵入能力。因此，本次錨碇混凝土采用高性能抗氯鹽海工混凝土，采用粉煤灰及礦粉雙摻來提高混凝土的高耐久性［1］。本文就高氯鹽條件下C40大體積海工混凝土進(jìn)行了配合比研究，從混凝土的工作性、力學(xué)性和耐久性、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、溫度控制等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 工程概況

國道G228丹東至東興廣西濱海公路龍門大橋位于欽州市欽南區(qū)龍門港鎮(zhèn)，為廣西規(guī)劃建設(shè)的最長跨海大橋，是廣西首座單跨超千米的特大橋，總長度為7.756 km，其中主橋?yàn)閱慰珉p鉸懸索橋。龍門大橋東岸錨碇頂板大體積混凝土采用C40等級混凝土，頂板是高為6～8 m、直徑為84.5 m的圓柱，下部與填芯混凝土接觸，側(cè)面與一期樁及二期槽接觸。本項(xiàng)目橋址位于沿海地區(qū)，錨碇位于島上，地表水和地下水氯離子濃度較高，年平均氣溫約為24.6 ℃。

2 混凝土原材料組成與選擇

2.1 水泥

采用的水泥為華潤水泥（上思）有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥，其密度為3.20 g/cm3、比表面積為334 m2/kg、3 d抗壓強(qiáng)度為31.4 MPa、28 d抗壓強(qiáng)度為53.6 MPa、3 d抗折強(qiáng)度為6.3 MPa、28 d抗折強(qiáng)度為8.0 MPa、初凝為159 min、終凝為214 min、三氧化硫含量為2.62%、燒失量為2.34%、氯離子含量為0.35%、氯化鎂含量為1.30%。

2.2 粉煤灰

采用的粉煤灰為廣西欽州藍(lán)島環(huán)保材料有限公司的F類Ⅰ級粉煤灰，其細(xì)度為11.0%、需水比為93%、燒失量為1.73%、含水率為0.1%、密度為2.46 g/cm3、活性指數(shù)為75.5%。

2.3 礦粉

采用的?；郀t礦渣粉為廣西源盛礦渣綜合利用有限公司的S95級礦渣粉，其密度為2.88 g/cm3、比表面積為408 m2/kg、7 d活性指數(shù)為72%、28 d活性指數(shù)為100%、燒失量為0.92%。

2.4 防腐劑（CPA）

采用的防腐劑為廣東巨三實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的JS-HGCPA防腐劑，其氯化鎂含量為3.59%、氯離子含量為0.013%、堿含量為0.34%、比表面積為330 m2/kg、初凝時(shí)間為97 min、終凝時(shí)間為2.83 h、抗蝕系數(shù)為1.01、膨脹系數(shù)為0.92。

2.5 細(xì)集料

采用的細(xì)集料為崇左南方水泥有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r精品機(jī)制砂，其云母含量為1.3%、石粉含量為8.8%、泥塊含量為0.0%、機(jī)制砂單級最大壓碎指標(biāo)為15%、表觀密度為2 710 kg/m3、空隙率為40.6%。

2.6 粗集料

采用的粗集料為扶綏縣平姜石場生產(chǎn)的（5～25）mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，其碎石壓碎指標(biāo)為10%、堅(jiān)固性為1%、吸水率為0.42%、針片狀顆粒總含量為4.2%、含泥量為0.6%、泥塊含量為0.0%、表觀密度為2 734 kg/m3、堿集料反應(yīng)為0.03%。

2.7 水

采用的拌和用水為龍門大橋東岸拌和站地下水，其pH值為7.2、不溶物為132 mg/L、可溶物為164 mg/L、氯離子含量為14 mg/L。

2.8 減水劑

采用的減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑（緩凝型），其減水率為28%、泌水率比為23%、含氣量為3.5%、凝結(jié)時(shí)間差為+185 min。

3 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求，該錨碇大體積混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，氯離子擴(kuò)散系數(shù)（RCM28 d）：<4.0×10-12 m2/s，總游離氯離子含量小于單方混凝土用膠材總量的0.1%，總含堿量≤2.1 kg/m3。配合比設(shè)計(jì)參數(shù)嚴(yán)格按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3650-2020）要求執(zhí)行［2］。

由于錨碇所處位置容易受海鹽侵蝕，必須研究出符合該地區(qū)的混凝土配合比，同時(shí)也要遵循混凝土需具備良好的工作性能及經(jīng)濟(jì)性原則，根據(jù)原材料情況和經(jīng)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了6個(gè)不同的配合比。采用純水泥、單摻粉煤灰或礦粉、雙摻作比較，來確定最佳配合比，如表1所示。

表1中共有6組配合比，A組為純水泥，不加任何礦物摻合料；B組摻29%的粉煤灰，不摻礦粉；C組不摻粉煤灰，摻40%的礦粉；D組摻30%粉煤灰、22%的礦粉；E組摻36%粉煤灰，24%礦粉；F組摻45%粉煤灰、19%礦粉。

4 混凝土性能評價(jià)及分析

為了更準(zhǔn)確直觀地得出粉煤灰及礦粉對混凝土性能的影響，采用純水泥、單摻粉煤灰或礦粉、復(fù)摻的方式，從混凝土的工作性、力學(xué)性、抗氯離子滲透性能、物理熱學(xué)性能進(jìn)行研究。

4.1 工作性

根據(jù)表1配合比得出該6組配合比混凝土的工作性能如表2所示。

混凝土的工作性能由表2可知，當(dāng)使用純水泥時(shí)，混凝土的流動(dòng)性較差，容易泌水；隨著粉煤灰的摻入，其需水量跟減水劑減小，混凝土流動(dòng)性增加；單摻礦粉時(shí)，混凝土的黏度較高，很容易造成混凝土抓底，不利于泵送；當(dāng)同時(shí)摻入粉煤灰、礦粉時(shí)，粉煤灰的摻入彌補(bǔ)了礦粉摻入對混凝土和易性的不利影響。且隨著粉煤灰摻量（30%、36%、45%）的增加，混凝土的和易性及流動(dòng)性得到了改善。本次采用F組進(jìn)行工程實(shí)踐證明，混凝土現(xiàn)場泵送性較好，很少因?yàn)榛炷梁鸵仔圆缓迷斐啥卤?、堵管、爆管現(xiàn)象［3］。

4.2 力學(xué)性（見表3）

從表3中可以看出，A組為純水泥，齡期為7 d時(shí)候其抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到50.5 MPa，由于該工程位于海上且為大體積混凝土，單獨(dú)使用純水泥不僅難以抵抗海中氯離子的侵入，更容易造成混凝土內(nèi)部溫度迅速上升，出現(xiàn)溫度裂縫。從經(jīng)濟(jì)環(huán)保方面來看，使用純水泥會(huì)增加混凝土的成本，造成原材料浪費(fèi)，因此排除該組配合比。

當(dāng)摻入粉煤灰及礦粉后，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度相對于純水泥組出現(xiàn)明顯下降趨勢，隨著時(shí)間增加到28 d、60 d時(shí)，混凝土強(qiáng)度逐漸上升達(dá)到持平甚至超過純水泥組，且都能滿足C40混凝土強(qiáng)度要求。

當(dāng)粉煤灰摻量逐步增加（30%、36%、45%）時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加后降低，其中F36對比F45抗壓強(qiáng)度下降14.8%。摻入礦粉時(shí)，可以明顯改善混凝土的泌水性，還可以彌補(bǔ)單摻粉煤灰使混凝土早期強(qiáng)度偏低的問題，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。粉煤灰與礦粉互摻，當(dāng)兩者摻量接近時(shí)，工作性能好的混凝土，其力學(xué)性能也相對較好。

F組混凝土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度較好，其28 d齡期抗壓強(qiáng)度均＞45.3 MPa，60 d強(qiáng)度最小值為50.5 MPa，遠(yuǎn)大于C40設(shè)計(jì)強(qiáng)度，符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4.3 抗氯離子滲透性

純水泥、單摻粉煤灰及礦粉、雙摻時(shí)混凝土28 d、60 d時(shí)的電通量值如圖1所示。

由圖1可知，隨著粉煤灰摻量的增加（30%、36%、45%），混凝土電通量值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，其中F29混凝土電通量值最低。單摻礦粉時(shí)，混凝土的電通量隨著時(shí)間增加逐漸減小，隨著礦粉摻量的增加（22%、24%），電通量呈現(xiàn)下降趨勢。與純水泥C相比，采用單摻或復(fù)摻粉煤灰及礦粉能有效減少混凝土的28 d、60 d電通量，其中跟F45K19差距較大的分別下降42.8%、55.1%。所以，粉煤灰及礦粉的復(fù)摻有助于提高混凝土的抗氯離子滲透性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，混凝土試塊的60 d齡期電通量平均值為823 C，滿足60 d電通量＜1 000 C的設(shè)計(jì)要求。

5 混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)

5.1 混凝土物理熱學(xué)參數(shù)

計(jì)算混凝土物理熱學(xué)參數(shù)，線膨脹系數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)取值，結(jié)果如表4所示。

混凝土特定齡期劈裂抗拉強(qiáng)度參考值見表5。

在Midas FEA軟件仿真計(jì)算中，對于普通硅酸鹽水泥，a取4.5，b取0.95，d取1.11。

通過以上計(jì)算所求得的各齡期抗拉強(qiáng)度值，根據(jù)混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到C40海工大體積混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。

5.2 錨碇頂板大體積混凝土仿真計(jì)算

構(gòu)件尺寸：錨碇頂板平面為直徑85～86 m的圓形，厚6.0～8.0 m。

約束條件：頂板混凝土下部受C20填芯混凝土約束，側(cè)面受冠梁及樁基約束。

分層分塊：頂板采用“十”字后澆，后澆帶寬為2.0 m，塊Ⅰ分4次澆筑成型，第2～4層澆筑厚度為2.0 m；塊Ⅱ分4次澆筑成型，澆筑厚度為2.0 m×4。根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性原理，取頂板混凝土1/2進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算。

5.3 邊界條件

錨碇頂板大體積混凝土澆筑邊界條件如表6所示。

澆筑溫度：錨碇頂板均為低溫期施工，澆筑溫度按照施工期氣溫上限進(jìn)行估算，針對模板和保溫層的影響，可使用放熱系數(shù)βs來等效對流換熱系數(shù)。混凝土通過保溫層對空氣進(jìn)行散熱的等效散熱系數(shù)依據(jù)式（5）進(jìn)行計(jì)算：

本工程的計(jì)算取風(fēng)速為4 m/s，粗糙面放熱系數(shù)β=82.2 kJ/（m2·h·℃）。頂板側(cè)面為樁基、冠梁混凝土，不考慮散熱；后澆帶部位采用收口網(wǎng)模板施工，導(dǎo)熱系數(shù)λ=163.29 kJ/（m·h·℃），收口網(wǎng)模板外采用保溫層+防雨布，導(dǎo)熱系數(shù)為油毛氈導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.167 kJ/（m·h·℃），求得模板系統(tǒng)βs=75 kJ/（m2·h·℃）。

5.4 溫控仿真模擬結(jié)果分析

5.4.1 溫度計(jì)算結(jié)果

在上述條件下，錨碇頂板大體積混凝土內(nèi)部最高溫度及最大內(nèi)表溫差計(jì)算結(jié)果見表7。

頂板混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見圖2。由圖2可知，混凝土中間位置溫度最高，表面溫度較低，溫度控制的核心為“外保內(nèi)散”，即內(nèi)部加強(qiáng)通水降溫、外部進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。

5.4.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述條件，錨碇頂板大體積混凝土特定齡期溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表8。由表8可以看出，錨碇頂板各齡期最小抗裂安全系數(shù)為1.47（≥1.4），頂板Ⅱ各齡期最小抗裂安全系數(shù)為1.64（≥1.4），均符合安全系數(shù)設(shè)計(jì)要求。

頂板Ⅰ與頂板Ⅱ各齡期應(yīng)力場分布基本類似。從頂板Ⅱ大體積混凝土各齡期應(yīng)力場分布可以看出，各澆筑層混凝土前期膨脹，集中于錨體上表層及側(cè)面，由內(nèi)表溫差引起后期混凝土收縮，部分應(yīng)力向構(gòu)件內(nèi)部轉(zhuǎn)移逐漸發(fā)展至穩(wěn)定水平。

6 結(jié)語

（1）對于錨碇頂板C40海工大體積混凝土，采用“雙摻”配合比能有效提高混凝土的工作性、耐久性、力學(xué)性及混凝土的物理熱學(xué)參數(shù)。

（2）礦粉和粉煤灰的使用能減弱混凝土的電通量，可以改善單摻礦粉造成混凝土黏度過大及抓底現(xiàn)象，降低流動(dòng)性大情況下的泌水率，提高混凝土的工作性能。用礦物摻合料置換部分水泥，減少水泥用量，降低混凝土水化熱量，能有效減少大體積混凝土開裂現(xiàn)象，同時(shí)也降低混凝土的成本。

（3）采用多組配合比進(jìn)行對比試驗(yàn)，選用不同礦物質(zhì)摻合料，單摻及復(fù)摻得到最優(yōu)配合比。因此，利用礦物摻合料成為本次大體積混凝土配合比研究的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

［1］JTG/T 3310-2019，公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTG/T 3650-2020，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］姚楚康，余青山，謝祥明.基于功效系數(shù)法的抗氯鹽泵送混凝土配合比優(yōu)選［J］.人民珠江，2018，39（12）：97-102.

作者簡介：付發(fā)壯（1983—），工程師，研究方向：公路橋梁工程試驗(yàn)檢測及質(zhì)量管理。