海港工程高性能砼配合比设计方法探讨

李式雄

（福州市交通基本建设工程质量监督站，福建　福州　350002）

海港工程高性能砼配合比设计方法探讨

李式雄

（福州市交通基本建设工程质量监督站，福建福州350002）

介绍了高性能砼的特点及海港工程所用砼的性能要求，提出以砼氯离子扩散系数为耐久性指标设计海港工程用高性能砼；以福州连江黄岐半岛海港桥梁——布袋澳大桥预制箱梁为工程背景，在综合考虑砼的强度、工作性、均匀性、耐久性、密实性和体积稳定性的情况下，讨论了海港工程高性能砼原材料的选择，提出了海港工程高性能砼配合比设计方法。

桥梁；配合比设计；氯离子扩散系数；高性能砼；耐久性

海港工程中砼结构经常与海水接触并处于潮湿环境中，氯离子渗入引起钢筋锈蚀，往往导致砼结构10～20年就发生破坏，工程使用寿命受到严重威胁。提高砼的抗渗性能可有效防止钢筋锈蚀，而砼的渗透性与其密实度及孔隙特征密切相关。通过降低水灰比、掺加高效减水剂和矿物掺合料，可有效细化砼孔隙结构、改善界面区、减少不利晶相数量和增加砼密实度，从而提高砼的密实性能和抵抗氯离子侵蚀的能力。

高性能砼的基本要求是具有良好的耐久性、工作性和强度，主要以耐久性为设计指针，而JGJ 55 -2011《普通混凝土配合比设计规程》主要以强度为设计指针，因而不适用于海港工程砼配合比设计。该文结合福州连江黄岐半岛海港桥梁——布袋澳大桥预制箱梁的配合比设计，提出以砼氯离子扩散系数与水胶比及扩散系数随时间的衰减公式进行海港工程砼配合比设计的方法。预制箱梁砼采用就近集中拌和，其技术要求如下：环境作用等级Ⅲ-E；设计使用寿命100年；强度等级C50；砼坍落度为180 ～200 mm；84 d氯离子扩散系数不大于1.5×10-12m2/s。

1　以砼氯离子扩散系数为耐久性指标的高性能砼配合比设计方法

1.1原材料的选择

1.1.1水泥

选用质量稳定、标准稠度低、水化热低、含碱量偏低、强度等级不低于42.5的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。为改善砼的体积稳定性和抗裂性，水泥的比表面积不宜超过350 m2/kg，C3A含量不宜超过8％，游离CaO不超过1.5％，大体积砼宜采用C2S含量相对较高的水泥。为改善砼的抗裂性，水泥中碱含量不宜超过0.6％。因要与矿物掺和料掺配使用，也可委托水泥厂生产专用水泥。该工程使用安徽宁国水泥厂生产的P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥，其性能指标见表1。

表1　水泥的性能指标

1.1.2矿物掺和料

矿物掺和料能显著改善砼的抗氯离子渗透性，主要机理是其在砼中的密实填充效应、火山灰效应及提高砼对其中氯离子的结合能力。矿物掺和料作为耐久性砼的必须组分，要求其品质稳定、来料均匀、来源固定。以下是高性能砼常用的3种掺和料。

（1）粉煤灰。粉煤灰应来自燃煤工艺先进的电厂，烧失量应尽可能低，要求不大于5％，预应力及C50以上砼应不大于3％，引气砼不宜超过2％； SO3含量≤3％；需水量比≤105％，C50以上砼应≤100％。该工程使用华能福州电厂生产的F类Ⅱ级灰，其性能指标见表2。

表2　粉煤灰的性能指标

（2）磨细矿渣。磨细高炉水淬矿渣的比表面积不宜小于350 m2/kg，但过细的磨细矿渣也不利于控制砼水化温升和防裂，一般不宜大于450 m2/kg；需水量比≤100％；烧失量≤3％。该工程使用S95级粒化高炉矿渣粉，其性能指标见表3。

表3　粒化高炉矿渣粉的性能指标

（3）硅灰。硅灰中SiO2含量不应小于85％，比表面积不小于15 000 m2/kg，硅灰掺量一般不超过胶凝材料总量的8％。单掺硅灰会增加低水胶比高强砼的自收缩，并不利于降低砼温升，在大体积砼中应慎用。硅灰一般应与其他矿物掺和料复合使用，如将大掺量粉煤灰与占胶凝材料5％左右的硅灰复合，能明显增强砼抗氯离子侵入的能力和早期性能。从砼温升及抗裂性能考虑，该工程未采用硅灰。

1.1.3化学外加剂

由于高性能砼需采用低水胶比，尽量降低拌和水用量，应采用高效减水剂或复合减水剂，并应选择减水率高、坍落度损失小、适量引气、与水泥之间具有良好的相容性、能明显改善或提高砼耐久性且质量稳定的产品。聚羧酸高性能减水剂相对于萘系减水剂具有高减水率（大于25％）、低收缩、高强度和坍落度损失小等优点，其在水泥表面呈梳状结构，电荷排斥和空间阻隔作用相结合，因而在砼中的表现更好。普遍反映掺聚羧酸高性能减水剂的砼的含气量偏大，但可采用“先消后引”工艺控制聚羧酸减水剂气泡质量，方法如下：与厂家共同进行引、消气含气量和相容性试验，将消气和引气过程分开进行，即先将消泡剂加入聚羧酸减水剂中组成固定产品，到现场后投入搅拌机搅拌10～20 s，然后加入引气剂继续搅拌。该方法可解决砼含气量、砼外观质量及外加剂与水泥的适应性问题，使用效果良好。该工程选用保坍性好的聚酯类聚羧酸减水剂（不选聚醚类），掺量为0.9％，其性能指标见表4。

表4　聚羧酸高性能减水剂的性能指标

1.1.4细集料

宜选用级配良好、质地均匀坚固、吸水率低、孔隙率小、细度模数为2.6～3.2的洁净天然中粗河砂或符合要求的人工砂。重要的配筋砼工程严禁使用海砂；一般工程由于受条件限制不得不使用海砂时，必须采取严格的质量检验制度，经过冲洗后的海砂宜控制氯离子含量低于干砂质量的0.02％；含泥量应≤2.0％。研究表明黏土间结构能大量吸附聚羧酸盐减水剂分子，影响其减水率，建议将掺聚羧酸盐类外加剂砼用细集料含泥量控制在1.0％以下。该工程选用闽江闽清段河砂，为细度模数2.80的Ⅱ区中砂，其质地坚硬，级配合理，其性能指标见表5。

表5　砂的性能指标

1.1.5粗集料

宜采用质地坚硬、洁净、级配合理、粒形良好、吸水率小的碎石，海港工程不宜采用抗渗透性较差的页岩。该工程就地取材，采用由反击破碎机生产的5～25 mm连续级配石灰石岩，用5～16及16～25 mm两个单粒级配配置成符合5～25 mm连续级配碎石，其性能指标见表6。

表6　碎石的性能指标

1.1.6水

采用符合砼拌和要求的水。对于环境作用等级为E或F的砼，用水量宜控制在150 kg/m3以内。

1.2配合比设计

1.2.1确定胶凝材料比例

对于环境类别为Ⅲ、Ⅳ砼，其矿物掺和料的限定范围应满足：用量不小于f/0.25+s/0.4=1，用量不大于f/0.5+s/0.8=1（s、f分别表示矿渣S和粉煤灰（或火山灰）F占胶凝材料总量B的比值）。用C表示水泥，SF表示硅灰，则B=C+S+F+ SF。C对P.Ⅰ和P.Ⅱ水泥按全量计算，对P.O水泥按全量扣除混合材料后取用，其中活性混合材料列入矿渣、粉煤灰和火山灰中（如生产厂家不能提供数据，则取C为85％水泥，活性混合材料按10％水泥重的F计算）；对其他混合水泥，计算方法同P.O水泥（如生产厂家不能提供数据，则不宜采用）。

该工程环境类别为Ⅲ，取f=0.2、s=0.4、c= 0.4，按该比例设计的胶凝材料组分经水泥胶砂强度试验，其28 d抗压强度为45.2 MPa，抗折强度为7.9 MPa。

1.2.2计算水胶比

（1）利用扩散系数随时间衰减关系式［见式（1）、式（2）]计算设计1年期氯离子扩散系数Da：

将f=0.2、s=0.4、t0=84 d、t=365 d、D0= 1.5×10-12m2/s代入式（1）、式（2），得α=0.589、Da=0.631×10-12m2/s=19.9 mm2/年。

（2）利用文献［15]中预测氯离子扩散系数DP的计算公式确定水胶比W/B：

式中：DP为预测的氯离子扩散系数（mm2/年）；x1=（W/B-0.45）/0.2；x2=（B-425）/175；x3=（硅灰占B重量百分比SF-5）/5；x4=（粉煤灰占B重量百分比F-22.5）/22.5；x5=（矿渣占B重量百分比S-35）/35；x6=lg10（养护天数-2）/3，实验室预测取28 d；x7=（砼温度-24）/14，试验室条件取20℃；x8，碎石骨料取1，卵石骨料取零。

考虑到预测值只能解释80％的变化率，赵铁军等通过研究，得出具有95％以上保证率的保守值关系式：

将Da=19.9 mm2/年作为DC保守值代入式（4）， 得DP=3.15 mm2/年。将DP=3.15 mm2/年、SF =0、F=20、S=40代入式（3），得：

取B=475，则W/B=0.308。

（3）水胶比的验证。满足强度要求的最大水胶比为：

满足环境作用等级（Ⅲ-E）耐久性的最大水胶比W/B=0.36。

综上所述，满足要求的水胶比选为0.31。

1.2.3计算砼各组分材料用量

（1）水泥用量：

（2）粉煤灰用量：

（3）粒化高炉矿渣粉用量：

（4）用水量：

（5）聚羧酸外加剂用量：

（6）砂石用量（按绝对体积法）。用砂浆填充石子孔隙乘以砂浆富余系数，得：

式中：VC、VF、VS矿渣、VW、VS砂分别为每立方米砼中水泥、粉煤灰、矿渣、水、砂的密实体积；P0为石子的空隙率；V0G为每立方米砼中石子的松散堆积体积；k为砂浆富余系数，对高性能砼或高强泵送砼，k =1.7～2.0。

按绝对体积法得：

式中：C、F、S矿渣、W、S砂、G分别为每立方米砼中水泥、粉煤灰、矿渣、水、砂、石子用量；γC、γF、γ矿渣、γW、γ砂、γG分别为水泥、粉煤灰、矿渣、水、砂、石子的表观密度；γ0G为石子的松散堆积密度。

假设砼拌和物表观密度为2 400 kg/m3，则S+ G=2 400-475-147-4.275=1 774 kg/m3。将各材料的表观密度、每立方砼材料用量、石子的松散堆积密度、k=2.0代入式（7），得：

解式（8），得砂的用量S=656 kg/m3，石子用量G=1 118 kg/m3。

1.2.4配合比的试配、调整、验证与确定

按上述基准配合比进行试拌，进行坍落度和坍落流动度试验，测定拌和物的表观密度、含气量、水溶性氯离子含量，均符合要求。按基准配合比制作砼力学性能和耐久性能指标试验试件。在基准配合比的基础上，水胶比分别增加、减少0.02，用水量与基准配合比相同，砂石用量按绝对体积法计算，拌制并制作这2个配合比砼试件。3个配合比砼拌和物的性能、力学性能及耐久性能见表7、表8。

表7　砼拌和物的性能

表8　砼的力学性能及耐久性能

从表7、表8可以看出：3个配合比砼拌和物的性能、硬化砼的力学性能及耐久性能均符合设计要求，但3号配合比硬化砼性能指标的富余量小，故选择2号配合比作为试验室配合比设计值。

2　布袋澳大桥的工程实践

在该工程预制箱梁高性能砼施工过程中采取以下措施：1）严格按批次检测砼材料质量，质量达不到要求的拒绝使用。2）严格控制砂石质量，无条件采用闽江闽清段河砂，砂的细度模数控制在2.6～ 2.9，含泥量不大于0.5％；始终采用同一灰石岩料场用反击破碎机生产的碎石，生产线水洗除尘，将碎石含泥量控制在0.2％以内，采用5～16及16～25 mm两个料仓配制5～25 mm连续级配碎石，压碎指标值不大于10％，针片状颗粒含量不大于5％。3）砼配料采用全自动电子称量法计量、电脑控制下料，确保计量准确。4）砼搅拌采用卧轴式搅拌机，搅拌时间控制为120 s，搅拌机搅拌10～20 s后再加入引气剂继续搅拌。5）砼养生采用自动喷淋系统保湿养护至预应力张拉且不少于7 d，箱梁顶板砼收浆后进行覆盖养生，在模板拆除前使用喷淋系统使模板保持湿润。

预制箱梁70片，浇筑海工砼2 300多m3，砼性能稳定，梁体未产生裂纹。现场抽取140组标准养护28 d的砼抗压强度试件及70组标准养护84 d的砼抗氯离子渗透（RCM法）试件进行试验，结果见表9。实践结果表明海港工程高性能砼配合比设计及施工控制效果良好。

表9　布袋澳大桥箱梁海工砼物理力学及耐久性能指标测试结果

3　结语

通过对海港工程高性能砼原材料选择、配合比设计过程研究及实际工程运用，得到以下经验：

（1）文献［15]中的预测氯离子扩散系数估算值可用于以砼氯离子扩散系数为耐久性指标的高性能砼配合比设计。

（2）海港工程高性能砼原材料必须符合耐久性、体积稳定性和抗裂性要求，且品质稳定、来料均匀、来源固定。

（3）聚羧酸系高性能减水剂使用中，首先应解决砼含气量、砼外观质量及外加剂与水泥的适应性问题。

（4）高性能砼中胶凝材料各组分密度相差较大，宜采用绝对体积法进行配合比计算。

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1671-2668（2016）01-0209-05

2015-08-04