海洋环境下桥梁高性能混凝土耐久性控制研究

谢荣飞

（浦城县交通运输局，福建南平 353400）

0 引言

近年来，随着我国交通建设的发展，跨海大桥工程数量也不断增加，在满足社会发展的同时，对桥梁设计、施工、养护的安全性也提出更高的要求。 耐久性是桥梁工程质量的关键因素，受施工环境、设计组成、材料质量、施工技术等多方面影响。 我国跨海混凝土桥梁在运营20～30 y 后， 仍有20%～30%出现耐久性问题，造成质量安全事故发生。

结合临海作业的环境特征、 原材料特性以及耐久性设计要求，研究胶凝材料组成、水胶比、胶凝材料用量、浆集比、龄期等因素对混凝土力学性能、抗氯离子渗透性、体积稳定性能的影响，优化高性能混凝土配合比， 从而提出跨海大桥耐久性控制措施。

1 试验

1.1 试验原材料

（1）水泥：选择用烧失量较低、标准稠度用水量和水化放热量较少、 开裂敏感性较低的P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，比表面积380 m2/kg，标准稠度用水量26.4%。

（2）粉煤灰：Ⅱ级原状灰，细度（45 μm 方孔筛余）8%，需水量比94%。

（3）矿粉：S95 级，比表面积380 m3/kg，流动度比104%。

（3）砂：Ⅱ区中砂，表观密度2 630 kg/m3，堆积密度1 450 kg/m3，细度模数2.7。

（4）碎石：5～25 mm 粒径，压碎值5.5%。

（5）高效减水剂：聚羧酸减水剂，减水率27.1%。

1.2 试验方法

按照GB/T 50080—2009《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[1]、GB 50081—2019 《混凝土物理力学性能试验方法标准》、（GB/T 50082—2009）《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》开展混凝土性能测试。

1.3 试验方案设计

本试验根据《混凝土配合比设计手册》要求，选择有利于提高混凝土抗裂性能、耐久性能，降低混凝土温升的原材料，达到配制优质高性能海工混凝土的目的。 具体试验方案见表1。

表1 混凝土试验配合比设计

2 试验结果分析

2.1 对水泥混凝土力学性能的影响

各组混凝土配合比力学性能试验得到的结果如图1、2 所示。

图1 试验混凝土抗压强度

图2 试验混凝土抗拉强度

混凝土抗压、 抗拉强度均随着水胶比降低、时间增长而增长。 单掺30%粉煤灰、单掺65%矿粉、混掺25%粉煤灰+35%矿粉的混凝土的矿物掺合料混凝土早期抗压强度比纯水泥基准混凝土略低。随着龄期的增长，矿物掺合料混凝土抗压、抗拉强度增长幅度明显高于纯水泥基准混凝土。 在0.29～0.39 水胶比范围内的单掺粉煤灰、矿粉和混掺掺合料的混凝土， 抗压强度7 d 在35～64 MPa，28 d 在53～81MPa，56 d 在54 MPa～93 MPa， 抗拉强度7 d在3～5 MPa，28d 在4～6 MPa，56 d 在3～7 MPa，满足C40 强度等级混凝土的要求。

2.2 对水泥混凝土抗氯离子渗透性的影响

各组混凝土配合比试验得到的不同龄期氯离子扩散系数结果如图3 所示。

图3 试验混凝土氯离子扩散系数

混凝土的氯离子扩散系数受水胶比、 龄期与矿物掺合料影响。 随着水胶比降低、时间增长、矿物掺合料增多， 氯离子扩散系数普遍出现下降。 单掺65%矿粉和混掺25%粉煤灰+35%矿粉的混凝土56 d 氯离子扩散系数均≤4.53×10-12m2/s，84 d 氯离子扩散系数均≤2.49×10-12m2/s，这两组混凝土在降低混凝土氯离子扩散系数方面比单掺30%粉煤灰的混凝土效果显著。

2.3 对水泥混凝土体积稳定性能的影响

（1）基准混凝土早期收缩性能如图4 所示。

图4 基准混凝土的早期收缩性能

基准混凝土随着龄期增加，混凝土收缩应变也逐渐增大，在56 d 龄期内收缩率增长幅度较大，而在56～90 d 龄期内增长放缓。对比不同水胶比的基准混凝土，在3 d 龄期内的收缩率相差不大。 随着水胶比降低、胶凝材料用量增加，混凝土在7～56 d龄期内收缩应变明显增大。 因此在0.29～0.39 水胶比范围内，随着混凝土水胶比的降低，胶凝材料用量增加，混凝土体积稳定性略有降低。

（2）单掺30%粉煤灰混凝土的早期收缩性能如图5 所示。

图5 单掺30%粉煤灰混凝土的早期收缩性能

与基准混凝土相比，单掺粉煤灰混凝土各龄期的收缩率更低，收缩率增长的速率也更慢。 不同水胶比的粉煤灰混凝土， 在0.29～0.39 水胶比内，随着水胶比的降低、胶凝材料用量的增加，各龄期混凝土的收缩率有所提高， 特别是水胶比为0.29 的粉煤灰混凝土的收缩率明显高于其它组混凝土，而水胶比为0.35 与0.39 混凝土各龄期的收缩率及变化规律基本一致。 说明掺入粉煤灰可以提高混凝土自身稳定性能， 水胶比在一定的范围内混凝土的收缩率及其变化规律基本相同， 但随着水胶比的进一步降低、胶凝材料用量的增长，混凝土的稳定性明显下降。

（3）单掺65%矿粉混凝土的早期收缩性能如图6 所示。

图6 单掺65%矿粉混凝土的早期收缩性能

与基准混凝土相比，单掺65%矿粉的混凝土，各龄期的收缩率相对较小。与单掺粉煤灰混凝土相比，除了水胶比为0.35 混凝土在28 d 龄期以前的收缩率与其它组单掺矿粉的混凝土不同外， 单掺65%矿粉混凝土各龄期的收缩率稍高一些。说明掺入大量矿粉可以提高混凝土的稳定性，但提高效果比单掺30%粉煤灰略差。 在单掺矿粉的混凝土中，随着水胶比的降低，混凝土各龄期收缩率出现不同程度的增长。单掺矿粉混凝土收缩率的这种增长在0.29～0.35 水胶比内不是非常明显，在0.35～0.39 水胶比内变化较显著。

（4）混掺25%粉煤灰+35%矿粉的混凝土早期收缩性能如图7 所示。

图7 混掺矿物掺合料混凝土的早期收缩性能

在混凝土中混合掺入粉煤灰与矿粉， 可显著降低混凝土各龄期的收缩率， 其降低效果略差于单掺粉煤灰的混凝土，但优于单掺矿粉的混凝土。对比不同水胶比的混掺矿物掺合料混凝土可发现， 除了水胶比为0.29 的混凝土在7 d 前与90 d后的收缩率相对较高外， 其余几组混凝土各龄期的收缩率均较为相近。

3 结论

（1） 混掺矿物掺合料的胶凝材料体系可以在保证混凝土具有高抗氯离子渗透性及较高力学性能的同时， 有效降低混凝土的水化放热量及开裂敏感性，也能较好的平衡混凝土工作性能、力学性能、耐久性能以及抗裂性能等性能之间的关系，将以混掺矿物掺合料体系配制满足本工程混凝土性能要求的高性能混凝土。

（2）配制高性能混凝土，应该使用有利于提高混凝土强度、抗氯离子渗透性，有利于降低混凝土温升及开裂敏感性的材料。