超保塑自密实水下混凝土的试验研究与应用

袁启涛，罗作球，张新胜，梁国立

（中建商品混凝土天津有限公司，天津 300450）

0 引言

随着建筑业的发展，各种超高型建筑物的不断出现对高性能混凝土提出了更高的要求，同时对建筑物桩基混凝土的强度等级和耐久性要求也越来越高。天津 117 大厦地下 3层，地上 117 层，设计高度 597 米，建成后将成为华北第一高楼。其桩基设计混凝土强度等级 C50，长度为 121m，长径比为 120∶1，创下全国民用工程桩长度之最。加之地处天津盐碱腐蚀较为严重的地区，桩基混凝土不但要满足强度要求，各项相关指标更要满足在当地环境条件下耐久性 100 年的要求。

对于应用范围日益广泛的高性能混凝土，要求新拌混凝土具有优异的工作性能、硬化混凝土长期使用的物理力学性能及耐久性等。由于混凝土的运距长，桩身细长，浇筑时间较长，施工现场操作机器较多，且夏季温度高，为保证混凝土通过导管下料填充到桩内，混凝土应具有良好的施工性能和浇筑的连续性。同时桩基混凝土容易受到地下水中化学物质的侵蚀，常导致混凝土发生不同程度的劣化，其耐久性降低，无法达到设计使用年限的要求[1]。本文将高强混凝土与自密实混凝土技术要求相结合，采用低碱水泥、优质矿物掺合料和超保塑聚羧酸高效减水剂，严格控制混凝土中氯离子含量，根据地下水的成分有针对性地开展混凝土耐久性试验。并建立了一套质量控制体系，为以后的质量控制提供有力保证。

1 原材料与试验方法

1.1 混凝土及原材料指标的确定

本工程施工正值炎热的夏季，根据混凝土的运距、浇灌条件，夏天炎热的气候和现场实际情况，要求混凝土保坍效果较好，而且天津地区属于盐碱区，地下水对混凝土具有中等腐蚀（水质分析报告见表 1），在 Ⅳ-D 和Ⅴ1-D 环境作用下，设计混凝土的使用年限为 100 年，其耐久性相关要求和自密实混凝土的相关指标按照 CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》、CECS 207:2006《高性能混凝土应用技术规程》、JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》的相关规定，对混凝土和原材料的性能提出相关指标，见表 2。

1.2 原材料选择

水泥：选用冀东 P·O42.5 水泥，其化学成分分析见表 3；粉煤灰：选用北疆电厂 II 级粉煤灰；矿粉：选用河北唐山特种水泥厂的 S95 级矿粉；碎石：河北玉田 5～25mm 连续级配的碎石；砂：石家庄的河砂，所用砂石经检测均为非活性集料；外加剂：采用聚羧酸高效减水剂。

1.3 配合比设计

本工程超大长径比桩的混凝土设计强度等级 C50，在进行配合比设计时采用高强混凝土和自密实混凝土两者相结合的思路。而且天津地区属于盐碱区，地下水对混凝土具有中等腐蚀。根据设计使用年限 100 年对混凝土的耐久性相关要求及自密实混凝土的相关标准。通过前期试验，对配合比进行初步的筛选，并根据混凝土工作性能对配合比进一步的优化，确定具体的配合比见表 4，其工作性和力学性能试验结果见表 5。

表 1 地下水质分析结果 ml

表 2 混凝土和原材料的相关指标

表 3 水泥化学成分分析

表 4 试验配合比 kg/m3

表 5 工作性和力学性能试验结果

表 6 超长桩混凝土氯离子含量测定结果

2 试验结果及分析

2.1 混凝土氯离子含量试验

对于钢筋锈蚀来说，最重要的是氯离子浓度。因此，测定混凝土孔溶液中的游离氯离子含量，对于评价混凝土的耐久性能具有重要的意义。采用离子选择电极法快速测定氯离子含量，其试验结果见表 6。

试验结果显示，混凝土实测氯离子含量较理论计算值偏小，混凝土中氯离子含量完全满足国家标准要求。

2.2 混凝土抗氯离子渗透性能试验

抗氯离子渗透性能是混凝土耐久性的一个重要方面，由于化学侵蚀通常发生在特定的环境下，氯离子侵入钢筋混凝土内部会引起钢筋锈蚀，从而严重影响钢筋混凝土结构耐久性和安全性[2]。由于天津地区属于盐碱地带，地下水环境氯离子含量较高，由水质分析结果可知，潜水和承压水对混凝土结构无腐蚀性，但在交替作用下对钢筋混凝土结构均具有中等腐蚀性，因此，本文分别采用电通量法和快速氯离子迁移系数法（RCM 法）对混凝土抗氯离子渗透性能进行评价。

2.2.1 电通量法

本方法以通过混凝土试件的电通量为指标来确定混凝土抗氯离子渗透性能，具体的评价方法见表 7，其试验结果见表8。

表 7 氯离子渗透能力对使用年限的等级划分

表 8 氯离子抗渗透性能试验结果

分析表 8 可知，超长桩混凝土 28d 抗氯离子渗透较好，按照表 7 中的评价方法，该混凝土渗透能力很低，能保证混凝土有较好的抗渗透性能，从而提高混凝土对钢筋的保护作用。

2.2.2 快速氯离子迁移系数法（RCM 法）

混凝土氯离子扩散系数能够定量评价混凝土抵抗氯离子扩散的能力。抗氯离子渗透性能的等级划分情况见表 9。根据 CCES01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》提出混凝土抗氯离子侵入性指标，作为耐久性质量的一种控制标准，各项指标如表 9 所示。

表 9 混凝土抗氯离子侵入指标

根据检测的氯离子扩散系数（3.9×10-12m2/s）以及电通量（200～300C）的试验结果来看，混凝土抗氯离子侵入性指标完全满足在作用等级为 D 的环境条件下设计使用年限 100年的要求。

2.3 抗硫酸盐侵蚀试验

水泥基材料的硫酸盐侵蚀破坏被认为是引起混凝土材料失效破坏的四大主要因素之一，其对国民经济的社会效益和经济效益及对工程安全性的重要性愈来愈被人们所重视[3]。天津有大片盐碱地，地下水中含有一定量的硫酸根离子，可能存在着地下水对混凝土构筑物的硫酸盐侵蚀破坏问题。本工程设计使用年限为 100 年，因而本试验抗硫酸盐干湿循环为150 次。

表 10 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验结果

由表 10 可知，桩基混凝土的抗硫酸盐等级在 KS150 以上，满足设计要求。

2.4 工程实用效果

2010 年 4 月至 9 月，大厦主楼桩基混凝土施工，单桩混凝土浇筑时间约为 3 小时，混凝土 28 天强度以及钻芯结果显示混凝土浇筑质量较好，其抗压强度结果见图 1。

图 1 生产与钻芯取样混凝土的抗压强度

2.5 机理分析

由图 1 可以看出，实际生产和钻芯取样混凝土的抗压强度相差不大，但都大于设计的强度。这主要是因为粉煤灰和矿渣的“超叠效应”：一是双掺时改善了胶凝材料的颗粒级配，使系统颗粒堆积更加紧密与合理，从而使得硬化混凝土的密实度提高；二是水化进程的互补，粉煤灰的火山灰活性发展缓慢，3 天时在水泥水化产物的碱性激发下并没有参与水化反应，直到 28 天才有一部分粉煤灰参与反应，而矿渣活性较高，到 7 天时就会参与水化反应，与早期水泥水化生成的Ca(OH)2发生反应，形成大量水化硅酸钙，使得浆体结构较为致密，可以提高混凝土的早期强度和完善其早期结构，弥补由于粉煤灰水化慢造成的早期强度低的损失。到了后期，超细矿物粉中的活性组分与大量 Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙及水化铝酸钙，增加了水泥石的致密程度，改善混凝土的孔结构，大大提高了混凝土的强度和抗渗性，从而提高混凝土的耐久性。

3 结论

（1）选用优质原材料，合理优化配合比，严格控制原材料的碱含量及氯离子含量是提高混凝土耐久性的前提条件。在满足自密实的要求下，混凝土具有良好的保塑性能。

（2）通过检测混凝土中氯离子含量、抗氯离子侵蚀、抗硫酸盐侵蚀等性能，验证了此配合比的混凝土能满足该环境条件下的耐久性要求。

[1] 吕大为，朱晓菲.基于耐久性设计的桩基混凝土应用研究[J].混凝土与水泥制品，2011, (5): 1-2.

[2] 王睿，王信刚，齐瑞文.高性能混凝土的抗氯离子渗透性与耐久性评估[J].混凝土，2010, (6): 1-2.

[3] MEDEIROS M H F，HELENE P.Surface treatment of reinforced concrete in marine environment：influence on chloride diffusion coefficient and capillary water absorption[J].Construction and Building Materials, 2009, 23(3): 1476-1484.

[4] 黄士元.混凝土的耐久性与混凝土结构物的安全性[J].混凝土与水泥制品，1996, (1): 4-9.