浅谈沙埕湾跨海大桥海工混凝土配合比耐久性的设计

■周 薇

（宁德沙埕湾跨海高速公路有限责任公司，宁德 352000）

1 工程概况

沙埕湾跨海大桥横跨沙埕湾，主桥为主跨535m的单侧不对称混合梁斜拉桥，大桥海工混凝土总量约14万方，需要骨料约25万吨。工程所在地出露的岩石主要为紫灰、灰黑含晶屑熔结灰岩、英安岩、凝灰熔岩。海工混凝土的耐久性，尤其水位变动区和浪溅区受海水反复侵蚀混凝土结构，受到越来越多的关注。在结构设计阶段，除对海工混凝土自身的特殊要求外，还对外露的混凝土结构面采取加设钢筋网片防裂、使用透水模板布、硅烷浸渍和有机涂料涂装等单一或多种手段联合进行防腐。但外加防腐受环境限制总差强人意，如水位变动区硅烷的浸渍深度难以满足规范规定；钢筋保护层内设防裂钢筋网片，若混凝土自身产生开裂或有开裂风险，海水氯盐通过裂缝进入混凝土内部，防裂网片将形同虚设等不一而足。因此，一致认为混凝土结构自身的抗裂性和致密性是工程建设所追求的。但由于混凝土组份材料存在可能的碱活性，导致混凝土结构在成型后若干年逐渐发生碱-骨料反应，严重危害大桥结构的耐久性和安全运行。有资料纪录1984年北京建成的著名的三元立交桥，1990年就在桥的潮湿部位发现碱-集料反应而损坏的现象。因此，对该料场石英石碱-集料反应的抑制是海工混凝土耐久性设计的关键。

2 设计要求及专用规范规定

考虑到混凝土中总碱含量对混凝土耐久性性能的影响，设计要求及招标文件专用本规定如下：①采用不具有碱活性的集料；②控制混凝土碱含量不大于3.0kg/m3，尽量小于1.8kg/m3；③采取双掺技术，在满足各方面性能的情况下，增加混凝土胶凝材料中掺合料的比例；④改善混凝土抗裂性能，增加外部环境中碱进入混凝土内部的难度。

3 配合比设计及应用

以桩基C35海工混凝土配合比设计为例，沙埕湾跨海大桥海工混凝土的原材料选定、配合比设计、现场施工生产按以下路线予以实现。

3.1 原材料选定

混凝土中发生碱-集料反应一般认为有三个必备条件：集料具有碱活性；混凝土中总碱含量大于3.0kg/m3；结构处在有足够湿度的环境中。只要其中任何一个条件消失，碱-骨料反应就不会发生。而碱来自水泥、矿物掺合料（煤灰和矿粉）、外加剂、混凝土拌合用水，甚至骨料本身也有较高的碱含量，所以不能完全消除碱的影响。对于碱-骨料反应所需的水，空气中的水分就足以维持碱-骨料反应进行，干旱地区混凝土工程发生碱-骨料反应便是例子。至于骨料，避免碱-骨料反应最有效的办法便是使用非活性骨料，但是在实际混凝土工程中，由于成本等多方面因素的影响，使用活性骨料是不可避免的。因此，控制碱-骨料反应一直以来是业界所追求的。

（1）粗细骨料

项目进场后，对福鼎50km范围内碎石进行考察取样，共取样12个；福建地区混凝土用砂以河砂为主，闽江砂开采产量有限不对福州以外地区供应；宁德周边山溪河砂质量不错，但产量相对较低；调研范围扩大到广东广西的河砂料源地进行取样，共取样4个。对所取样进行试验，经过快速砂浆棒法等方法进行测试，取得了大量可靠真实的试验数据。数据显示，有1个岩样和1个砂样为具有潜在碱-骨料反应活性的骨料 （14d膨胀率在0.10%～0.20%之间）。最终选定福鼎棋盘冈5～25mm碎石和广西钦州大风江Ⅱ区中砂（14d膨胀率均在0.01%左右）。

（2）使用低碱水泥

水泥中的碱含量应不超过0.6%Na2O当量，作为预防碱骨料反应的安全界限值为业界所接受。当使用较大掺量的矿物掺和料，或水泥中的C3A含量或同时C3S含量也低时，水泥中的含碱量上限可适当放宽。但有些地区的骨料在水泥的碱含量低于0.4%时，仍然发生碱骨料反应对工程造成损害。有经验表明，如果含碱量太低，坍落度较大时泌水性增加，不利于混凝土的工作性能发挥。因此，控制水泥的碱含量小于 0.6%，但大于0.4%，混凝土的掺配和工作性能可以得到充分发挥。最终水泥采用芜湖海螺 P.Ⅱ52.5。

3.2 提高矿物掺合料的掺配量

使用矿物掺合料是预防混凝土发生碱-集料反应破坏的最实用、经济和有效的途径。是目前筛选和评价矿物掺合料抑制碱-骨料反应有效性的唯一标准方法。在混凝土中掺加粉煤灰和矿粉，可以通过它的内表面的吸附和离子交换作用，吸附一定Na+和K+，从而使混凝土碱-集料反应膨胀减小，抑制了碱-集料反应的发生。

掺加活性矿物掺合料，降低混凝土水化热，抗氯离子渗透效果显著。同时可缓解、抑制混凝土的碱骨料反应。①硅灰,一般掺量控制在5～10%。②粉煤灰,海工混凝土最大可达40%。③矿粉,一般掺量控制在25%～30%左右。

3.3 使用化学外加剂

引气剂的使用可以给膨胀物提供一定的膨胀空间，延缓破坏的出现。国外有资料显示，掺加锂盐、钙盐等。国内鲜有文献资料记载。

3.4 控制混凝土湿度

有研究表明，降低相对湿度可以减少碱-集料反应膨胀。但实际混凝土所处湿度条件是不易人为控制的，而且干湿循环、通电等因素还可以导致混凝土中的碱迁移并在局部富集，从而加剧碱-集料反应。

3.5 提高混凝土密实度，改善混凝土抗渗性能

在碱-集料反应中，水起到至关重要的作用。混凝土越密实，抗渗能力越强，环境介质也越难侵入，因此应尽量减少单位用水量，也可以采用高效减水剂、掺用引气剂等技术措施，使混凝土的密实性得以提局，提高了混凝土的抗渗能力，在一定程度上可起到预防和减弱碱-集料反应的危害。

3.6 海工混凝土配合比设计

由于混凝土中碱的来源不仅是从水泥、而且从混合的骨料、粉料、外加剂和水均可以得到。因此控制混凝土各种原材料总碱含量比单纯控制水泥含碱量更为科学有效。对此，许多国家均规定了预防碱集料反应允许的最高碱含量，如英国 3kg/m3，澳大利亚约 2kg/m3，新西兰 5kg/m3，美国 3.3kg/m3，日本 3kg/m3，南非 2.1kg/m3。 其中，英国和日本的3kg/m3为大多数国家所接受。

现以A3合同段桩基C35海工混凝土为例：掺加粉煤灰矿粉占胶凝材料的65%，实测总碱含量为1.531kg/m3；混凝土氯离子扩散系数28d为2.6×10-12m2/s；混凝土各方面性能满足设计及施工要求（详见表1）。

表1 桩基C35海工混凝土配合比总碱含量一览表

3.7 海工混凝土施工措施

在水位变动区和浪溅区混凝土施工中主要采取以下措施：

（1）采取隔离措施。杜绝或减缓碱往混凝土内部扩散，采用防裂网片、硅烷浸渍、有机涂料涂装和透水模板布。

（2）加强早期养护措施。承台蓄淡水养护，推迟与海水接触时间，确保混凝土早期强度上升期不受海水氯盐侵蚀。

（3）大体积混凝土还可以从控制内部最高温度入手、慎重采用蒸汽养护措施增加混凝土早期强度、同时加强混凝土养护控制混凝土早期开裂。

3.8 实体检测结果

通过对沙埕湾跨海大桥17#墩左2-2桩基的超声波检测，桩体完整为I类桩；经取芯论证，海工混凝土芯样连续完整、表面光滑、胶结好、骨料分布均匀、呈长柱状、断口吻合，芯样侧面仅见少量气孔。

4 结论

混凝土碱-骨料反应是导致混凝土耐久性下降的重要原因之一，在预防时候要有针对性的预防，主要措施为控制混凝土总碱含量、施工控制裂缝、控制混凝土温度、使用化学外加剂、配合比设计优化及使用引气剂等；在预防措施方面还有待更进一步的研究，找到更安全有效的办法。

[1]GB/T50733-2011，预防混凝土碱骨料反应技术规范.

[2]GB/T 14685-2011，建设用卵石、碎石.

[3]JGJ55-2011，普通混凝土配合比设计规程.

[4]CECS01-2004，混凝土结构耐久性设计与施工指南.

[5]CCES 01-2004，混凝土结构耐久性设计与施工指南.

[6]胡明玉，唐明述.碱集料反应中当量碱计算问题探讨.2003.

[7]莫祥银，许仲梓，吴科如.不同因素对外加剂抑制碱集料反应的影响.2002.

[8]杨建森.碱集料反应的诊断与防治.2002.

[9]莫祥银，许仲梓，唐明述.国内外混凝土碱集料反应研究综述.2004.

[10]王志杰.抑制碱-集料反应混凝土及其应用技术研究.2006.