海工自密实高性能混凝土研制与应用

王成启，庄骅，张悦然

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.洋山同盛港口建设有限公司，上海 201308）

0 引言

洋山一期工作船码头作为洋山工程建设期配套项目，位于二期集装箱码头西侧，蒋公柱岛南侧，于2004年建成投入使用，主要供港作拖轮、海事巡逻艇等工作船舶停靠，兼顾二期建设砂石料码头功能。工作船码头后方陆域混凝土施工主要包括挡浪墙、道路及停车场施工等。新建的混凝土道路2条，即横一路、横四路，总长度约564 m。其中新建横一路长222 m，宽7 m；新建横四路长342 m，宽8 m。新建场地总面积约68 782 m2，其中汽车露天停车场1面积18 510 m2，停车场2面积9 459 m2，停车场3面积21 051 m2（含重载车停放区面积1 620 m2），停车场4面积18 510 m2，停车场5利用原有场地面层结构，拆除原有围网及绿化带后，与周边道路顺接。

本工程道路和停车场混凝土处于侵蚀较为严重的海洋环境，氯盐对混凝土结构产生较大的侵蚀作用[1-2]，且混凝土面层对抗折强度和抗裂性要求较高[3]。自密实混凝土不需要振捣即可充满模板，具有很高的施工性能，可不需要人工振捣，减轻劳动强度；而海工自密实高性能混凝土不仅具有较高的施工性能，而且还具有较高的抗氯盐侵蚀能力。在保证混凝土的抗氯盐侵蚀性能的基础上，为减轻劳动强度和提高生产效率，混凝土路面采用海工自密实高性能混凝土进行浇筑施工。本文从海工自密实混凝土配制和施工质量控制两个方面，开展海工自密实高性能混凝土应用研究。

1 海工自密实高性能混凝土配制

1.1 海工自密实高性能混凝土技术要求

混凝土的质量要求为：1）混凝土抗压强度等级为C45，抗折强度大于4.5 MPa，采用海工自密实高性能混凝土进行浇筑施工。2）海工自密实高性能混凝土耐久性的质量要求为：龄期56 d的电通量小于1 000 C；龄期90 d的扩散系数小于1.5×10-12m2/s。

1.2 海工自密实高性能配合比试验

1.2.1 原材料优选与试验

1.2.1.1 水泥

采用上海金山水泥厂生产的强度等级42.5的普通硅酸盐水泥，对水泥的胶砂抗折强度和抗压强度以及安定性、细度、凝结时间、标准稠度等指标进行了试验，其性能指标测试结果如表1所示。表1的试验结果表明，水泥的性能达到了GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》中42.5普通硅酸盐水泥的质量标准。

表1 水泥的物理力学性能指标测试结果

1.2.1.2 粉煤灰

采用上海新宝粉煤灰厂生产的Ⅱ级粉煤灰，对其安定性、细度、含水量、烧失量、需水量和三氧化硫性能指标进行了测试，如表2所示。表2的测试结果表明，粉煤灰的技术指标达到了GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅱ级粉煤灰质量要求。

表2 粉煤灰的技术指标测试结果

1.2.1.3 骨料

1） 细骨料

采用河砂，对其细度模数、表观密度、堆积密度、轻物质含量、含泥量和泥块含量等有关性能指标进行了试验，检测结果如表3。此外，对砂的级配进行了试验，如表4所示。由表3、表4可知，该河砂的含泥量和泥块含量满足要求，为细度模数2.7的Ⅱ区中砂，级配良好，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的质量基本要求。河砂中粒径小于0.16 mm的石粉含量为1.0%，可用来配制海工自密实高性能混凝土。

表3 砂的技术指标检测结果

表4 砂级配测试结果

2） 粗骨料

试验采用5~20 mm连续级配的碎石，对其表观密度、堆积密度、含泥量、泥块含量、坚固性、压缩指标、针片状含量、空隙率等性能指标进行了试验，测试结果如表5[4]。此外，对碎石的级配进行了试验，筛分试验结果如表6所示。从表5和表6测试结果可以看出，粗骨料最大粒径小于20 mm，针片状颗粒含量小于8%，空隙率小于40%，含泥量不大于1%，泥块含量不大于0.5%，满足配制海工自密实高性能混凝土的粗骨料基本要求。从表6的筛分试验结果还可以看出，5~20mm连续级配的碎石级配良好，满足JG J52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》级配要求，可以配制海工自密实高性能混凝土。

表5 粗骨料的性能指标检测结果

表6 粗骨料筛分试验结果

1.2.1.4 减水剂

采用巴斯夫有限公司RP25和上海谐和建材公司的聚羧酸系高效减水剂，对其密度、水泥净浆流动度、pH值、氯离子含量和减水率性能指标进行了试验，试验结果如表7所示，两种聚羧酸高效减水剂的减水率均达到GB 8076—2008《混凝土外加剂》的质量要求。

表7 聚羧酸高效减水剂检测结果

1.2.2 混凝土配合比与试验方法

1.2.2.1 混凝土配合比

采用单掺粉煤灰配制海工自密实高性能混凝土，按研制的海工自密实高性能混凝土配制方法[5]，采用现场原材料，配制海工自密实高性能混凝土。由于水泥为42.5普通硅酸盐水泥，选用粉煤灰掺量为30%；单位体积粗骨料选用0.30 m3，用水量选用170 kg/m3，自密实混凝土配合比如表8所示。

表8 混凝土配合比kg/m3

1.2.2.2 试验方法

1） 工作性试验

工作性能主要包括坍落度、坍落扩展度、T500、L型仪、V型仪、U型仪拌合物稳定性跳桌等试验，工作性试验方法参照CCES02—2004《自密实混凝土设计与施工指南》和CECS203：2006《自密实混凝土应用技术规程》等标准的有关规定进行。

2） 耐久性试验

耐久性试验主要包括电通量、扩散系数和碳化试验等。电通量试验按ASTMC1202《混凝土抗氯离子渗透性标准试验方法》[6]进行；扩散系数试验按GBJ82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（RCM法）的有关规定进行。

3） 力学性能试验

抗压强度试验按JTJ270—98《水运工程混凝土试验规程》的有关规定进行。

1.2.3 试验结果与讨论分析

1.2.3.1 拌合物性能

两种高效减水剂配制的海工自密实高性能混凝土拌合物性能指标如表9所示。可以看出，采用巴斯夫高效减水剂所拌制的海工自密实高性能混凝土填充性、流动性和间隙通过能力均高于上海谐和建材有限公司的高效减水剂。从混凝土拌合物填充性、流动性和间隙通过能力的工作性性能来看，宜选用巴斯夫高效减水剂。

表9 自密实混凝土拌合物性能

1.2.3.2 强度

在试验室不振捣制作海工自密实高性能混凝土试块，拆模后放入标准养护室进行养护。两种高效减水剂配制的海工自密实高性能混凝土抗压强度的测试结果如表10所示。可以看出，两种高效减水剂所配制的海工高性能混凝土28 d抗压强度比较接近，均大于50 MPa，抗折强度均大于5.4 MPa，具有较高的抗压强度和抗折强度。

表10 自密实混凝土抗压强度测试结果MPa

1.2.3.3 耐久性

在试验室制作海工自密实高性能混凝土的耐久性试块，试件的尺寸为φ100 mm×51 mm，拆模后放入标准养护室进行养护。两种高效减水剂所配制的海工自密实高性能混凝土的电通量和扩散系数测试结果如表11所示。表11测试结果表明，两种高效减水剂配制的海工自密实高性能混凝土56 d的电通量均小于1 000 C，90 d扩散系数小于1.5×10-12m2/s，具有较高的抗氯盐侵蚀性能，满足海工混凝土结构对抗氯盐侵蚀耐久性的质量要求。

表11 混凝土电通量和扩散系数测试结果

2 施工质量控制

2.1 质量控制方法

从两种高效减水剂拌制的海工自密实高性能混凝土拌合物性能比较，采用巴斯夫高效减水剂拌制海工自密实高性能混凝土工作性优良，选用巴斯夫RP25，混凝土配合比如表8中的S1所示。

采用搅拌楼双轴式强制搅拌机搅拌混凝土，混凝土搅拌时间为120 s。采用混凝土运输车运输混凝土到施工现场进行浇筑，运输车在使用前润湿，不得留有积水。为保证海工自密实混凝土的工作性，到现场应高速搅拌3 min，经检验合格后方可进行卸料和浇筑等工序，混凝土无需振捣而自密实。混凝土浇筑自流平后，立即用不透水薄膜覆盖表面；在混凝土临近初凝前抺面，抺面后立即覆盖保湿材料潮湿养护，养护时间为15 d。

2.2 工程试验检测结果分析

2.2.1 拌合物工作性

在工程现场取样进行了海工自密实高性能混凝土拌合物工作性能试验，测试结果如表12所示。从表12可以看出，海工自密实高性能混凝土拌合物的坍落度为255mm、坍落扩展度为650mm、T500流动时间为3.5s、V型漏斗通过时间为15.5 s、U型仪填充高度为330 mm，达到《自密实混凝土应用技术规程》等有关标准所规定的一级标准，具有较高流动性、填充性、间隙通过性和抗离析性。

表12 自密实混凝土工作性测试结果

2.2.2 强度

在工程现场取样成型混凝土抗压强度和抗折强度试块拆模后进行标准养护，到规定龄期测试海工自密实高性能混凝土的抗压强度和抗折强度，混凝土抗压强度和抗折强度试验结果如表13。从表13可以看出，混凝土的28 d抗压强度达到58.9 MPa，28 d抗折强度为5.51 MPa，达到4.5 MPa的强度设计要求。此外，混凝土的56 d和90 d的抗压强度持续增加，56 d的抗压强度达到62.3MPa，90 d抗压强度达到69.1 MPa，分别比28 d抗压强度增加了5.8%、17.3%，具有较高的抗压强度。

表13 抗压强度和抗折强度试验结果MPa

2.2.3 耐久性

在工程现场取样并成型电通量和扩散系数试块，拆模进行标准养护。到规定龄期测试海工自密实高性能混凝土的电通量和扩散系数，试验结果如表14所示。表14的测试结果表明，随着龄期增加，海工自密实高性能混凝土的电通量和扩散系数不断减小，56 d的电通量和90 d扩散系数分别比28 d的下降了40%和62.8%；56 d龄期的电通量为751 C，90 d龄期的电通量为605 C，56 d和90 d电通量均小于1 000 C；90 d的扩散系数为1.251×10-12m2/s，小于1.5×10-12m2/s。

表14 混凝土电通量和扩散系数测试结果

2.2.4 现场取芯

面层混凝土表面经15 d养护，28 d后观察混凝土外观表面无裂缝出现，并进行在现场钻取芯样，钻取的芯样如图1所示。从图1芯样外观可以看出，粗骨料均匀分布在混凝土中，无空洞等缺陷出现，无离析出砂浆层，自密实混凝土达到较高的自密实状态。同时，按有关规范标准的规定，对钻取的芯样进行切割加工，到规定龄期进行电通量和扩散系数试验。

图1 海工自密实高性能混凝土芯样与试块

对钻取的芯样56 d和90 d龄期的电通量和扩散系数进行了试验，测试结果如表15所示。表15的测试结果表明，芯样56 d和90 d的电通量均小于1 000 C，芯样90 d扩散系数小于1.5×10-12m2/s。

表15 芯样混凝土的电通量和扩散系数测试结果

2.2.5 表面裂缝情况

通过加强养护、控制混凝土工作性等技术措施，混凝土裂缝得到有效控制。通过现场观察，混凝土表面无塑性裂缝，后期也未发生混凝土干燥收缩引起的裂缝。

3 结语

采用所研制的海工自密实高性能混凝土在洋山一期工作船码头后方陆域道路和场地中获得应用，应用情况表明，混凝土坍落扩展度为650 mm、T500流动时间为3.5s、V型漏斗通过时间为15.5s、U型仪填充高度为330 mm；28 d抗压强度达到58.9 MPa，28 d抗折强度为5.51 MPa，56 d的抗压强度达到62.3MPa，90d抗压强度达到69.1MPa；56 d龄期的电通量为751 C，90 d龄期电通量为605 C；90 d的扩散系数为1.251×10-12m2/s。海工自密实高性能混凝土拌合物性能良好，力学性能满足设计要求，并具有较高的抗氯盐侵蚀性能，满足海工高性能混凝土质量要求。对自密实浇筑的海工高性能混凝土进行了现场取芯和试验，现场取芯表明，混凝土中骨料均匀密实，无空洞等缺陷，无离析出砂浆层，芯样56 d的电通量小于1 000 C，90 d扩散系数小于1.5×10-12m2/s，满足海工自密实高性能混凝土质量要求。

[1]赵筠.钢筋混凝土结构工作寿命设计——针对氯盐污染环境[J].混凝土，2004（1）：3-15.

[2] 王晓冬，李东寅，李国瑞.混凝土结构的氯盐侵蚀与钢筋锈蚀[J].工程建设，2007（2）：26-30.

[3]王成启，汪冬冬.上海液化天然气码头高性能混凝土配制与施工技术[J].水运工程，2010（1）：108-112.

[4]王成启，张悦然.复掺粉煤灰与石灰石海工自密实高性能混凝土试验研究[J].中国港湾建设，2012（1）：19-22.

[5]王成启，张悦然.粉煤灰海工自密实高性能混凝土配合比参数的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2011（8）：1-7.

[6] ASTM C1202，Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete′s Ability to Resist Chloride Ion Penetration[S]//Annual Book of American Society of Testing Materials Standards.2000.