廈門新陽大橋耐久性混凝土配合比設計與生產

周東奎

(廈門華岳混凝土工程開發(fā)有限公司，廈門 361026)

摘要：該文以廈門新陽大橋馬鑾灣海堤開口改造為例，闡述了耐久性混凝土的配合比設計與生產工藝，為改善工程質量提高混凝土耐久性、抗腐蝕性提供了參考。

關鍵詞：耐久性混凝土；配合比設計；生產

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.006

Abstract:Taking Maluan Bay Seawall Opening in Xiamen New Yang Bridge as an example，this article introduced mix proportion design and production of durable concrete，and gave some advice for improving engineering quality and concrete durability.

收稿日期：2015-05-26.

作者簡介：周東奎(1971-)，工程師.E-mail:2850163731@qq.com

Mix Proportion Design and Production of Durable Concrete

in Xiamen New Yang Bridge

ZHOUDong-kui

(Xiamen Huayue Concrete Engineering Development Co,Ltd，Xiamen 361026，China)

Key words:durable concrete；mix proportion design；production

隨著我國各項工程建筑的加速發(fā)展，對混凝土工程質量要求越來越高，同時對混凝土耐久性提出更高的要求。尤其是鐵路橋、跨江橋、交通橋、堤壩、船閘等水下混凝土建筑，經常受到流動水或海水的沖擊，海水環(huán)境對混凝土結構具有強腐蝕性。這就需要在這類工程建筑中加大對耐久性混凝土的配合比設計與研究，提高工程質量、加強抗腐蝕性，使配制的混凝土達到設計要求，進一步保證結構安全性、耐久性和使用功能滿足使用年限。

廈門新陽大橋于1996年12月建成投入使用，大橋位于馬鑾灣海堤內側，是連接集美、杏林和海滄三個國家級臺商投資區(qū)的最重要公路橋梁樞紐，全長3.72 km。馬鑾灣海堤開口改造工程主要是在新陽大橋橋墩部新建擋潮閘、通航船閘、交通橋工程以及海堤加固改造工程。其改造重點是提高新陽大橋橋墩以及新建工程水下區(qū)和水位變動區(qū)混凝土耐久性，因為該區(qū)域常年受海水高強度地腐蝕和沖擊，需要在改造工程中重視水下區(qū)及水位變動區(qū)的耐久性混凝土配合比設計與生產，以增加混凝土耐久性，提高改造工程質量。

1新陽大橋馬鑾灣海堤開口改造工程概況

馬鑾灣海堤開口改造工程位于新陽大橋東側，主要建設內容包括在海堤中間開口新建凈寬216 m的擋潮閘(9孔)、單線雙向1孔凈寬12 m的通航船閘(該船閘按一次設計，分期實施安排)、海堤加固改造、419.46 m交通橋等。

新建開敞式擋潮閘，擋潮閘采用閘橋合一的形式，共10孔閘室(預留1孔船閘閘室)，其中9孔閘室為擋潮閘，各閘墩均對應于新陽大橋橋墩布置(橋墩間距27.0 m)。交通橋位于橋墩上部，橋面寬15.5 m，采用雙箱梁布置形式。閘室總凈寬228 m(其中擋潮閘的閘室總凈寬為216 m)。擋潮閘閘室底坎頂面高程-5.24 m，閘墩頂高程8.85 m，交通橋車行道中心線頂高程11.24 m。閘室底板混凝土強度等級為C30P8，處于水下區(qū)，閘室混凝土分10塊進行施工，閘室混凝土平面尺寸為14 m×7 m，局部厚度達3.5 m，屬于大體積混凝土。每閘墩身混凝土強度等級為C35P8，分別處于水下區(qū)、水位變動區(qū)和浪濺區(qū)。閘墩墩身平面尺寸為3.5 m×14 m，高度為8.4 m，分三層施工，每層施工高度為2.5～3 m，均采用泵送混凝土施工，混凝土的粗集料最大粒徑31.5 mm，混凝土入泵坍落度為(120±30)mm。閘室底板混凝土和閘墩身混凝土均屬于大體積混凝土。

2新陽大橋馬鑾灣海堤口改造工程對混凝土設計要求

2.1　混凝土要具有優(yōu)良的工作性能

主要是在堤壩、閘室、擋潮閘、交通橋、橋墩施工過程中混凝土具有合適的流動性、可泵性，在正常施工環(huán)境和條件下能滿足混凝土成型的條件，澆筑后混凝土的構件能保證足夠的密實性、均勻性，以便減少振搗帶來的公害及能源消耗。

2.2　混凝土要具有高強度性

廈門新陽大橋位于馬鑾灣海堤內側，橋墩及馬鑾灣海改造所涉及的各種閘門閘室、堤壩、大橋橋墩常年受到海水的沖擊，必須保證混凝土構件的強度，防止海水常年的沖擊而變形，使大橋、閘門、堤壩、閘室都混凝土構件安全穩(wěn)定。

2.3　混凝土要具有高耐久性

改造工程所涉及的工程項目均是海上工程建筑，任何的一個海上工程維修、工程改造都具有一定的難度和危險度，每一次工程改造和維修都影響著整個建筑物地正常使用。所以，新陽大橋馬鑾灣海堤改造工程混凝土構件盡量達到預期壽命。

2.4　混凝土要具有抗氯離子滲透性

眾所周知，海水的咸的，由于海水中含有大量的氯離子，氯離子滲入混凝土構件中，和二氧化碳極易導致鋼筋氧化銹蝕，進而使混凝土表層脹裂，最終使鋼筋有效預應力減小、承載力降低，久而久之會引起建筑物結構破環(huán)。新陽大橋橋墩及堤壩、閘室、閘門水下區(qū)及水位變動區(qū)的混凝土常年受海水侵蝕，均處于強腐蝕的環(huán)境中，而一般設計使用年限較長，所以，建筑物構件必須抗氯離子侵蝕。

2.5　混凝土要具有防腐蝕性

海上建筑物除了重視抗氯離子滲透性腐蝕外，還要注意大氣腐蝕和土壤腐蝕。

大氣腐蝕是指由于空氣中水分、氧氣和腐蝕介質的化學或電化學作用而產生的金屬腐蝕現象。太陽光、紫外線、熱輻射的影響和空氣溫度和濕度作用都容易使非金屬材料分子發(fā)生裂解、分解，引起力學性能分化的現象，進一步引起金屬腐蝕，對于新陽大橋的改造工程必須要認真考慮大氣腐蝕問題。

土壤腐蝕主要考慮金屬的土壤腐蝕，混凝土的土壤腐蝕對橋梁的樁基、橋墩、閘門、閘室的使用壽命都有影響，而一旦侵蝕造成破環(huán)，難以直接觀測和修補，更要認真對待。

2.6　混凝土要具有抗裂性

混凝土不同程度裂縫是一種常見的現象，由于新陽大橋及相關海上建筑均涉及混凝土構件，在從設計上、施工工藝控制上以及混凝土配比和性能上都提出了較高的要求，以此來避免混凝土出現裂縫問題，增強混凝土的抗裂性。

3耐久性混凝土特性

耐久性混凝土是高性能混凝土的一種，對混凝土的強度性、穩(wěn)定性、工作性都具有較高的要求，是傳統(tǒng)混凝土的重大突破，在提高水下區(qū)混凝土強度和抗腐蝕性具有重要意義。

主要特點表現在兩個方面：1)耐久性混凝土具有良好的流動性、黏聚性和可澆筑性，低水化熱、低干縮率、低溫升、高抗?jié)B性和足夠的強度。2)耐久性混凝土具有抗裂性、耐蝕性、耐磨性、護筋性、抗凍性、抗氯離子滲透性及抗堿骨料反應等，具有低水膠比。

由于耐久性混凝土的特性，非常適合新陽大橋以及馬鑾灣海堤開口改造工程的需要，在施工設計及施工工藝中使用耐久性混凝土無疑是恰當的必要的選擇。

4新陽大橋耐久性混凝土配合比設計理念

耐久性混凝土設計理念與傳統(tǒng)混凝土不同，耐久性混凝土不但在設計中引入了使用年限和環(huán)境作用等級的概念，而且對混凝土原材料提出了更嚴格的要求，耐久性混凝土配合比在設計中要符合“兩高三低”原則，即高礦物摻量、高工作性、低用水量、低水膠比、低外加劑摻量。新陽大橋改造設計時要明確所選配合比的設計強度等級、設計使用年限和海水環(huán)境作用等級，明確最大水膠比和最小膠凝材料用量。根據實際作用情況，優(yōu)選各種原材料進行配合比設計。

4.1　水泥選用要求

在水泥選用上不能認為高強度的水泥就一定好，不能以強度作為唯一指標。在海上改造工程中配制混凝土宜采用硅酸鹽水泥或者普通硅酸鹽水泥，水泥的混合材料為粉煤灰和礦渣，不宜選用早強水泥。該工程選用海螺P.O 42.5水泥，此水泥品質穩(wěn)定、水化熱低，適合大體積海工混凝土使用。

4.2　細骨料選用要求

細骨料要選用質地均勻堅固、級配合理、吸水率低、空隙率小的天然粗河砂為主，也可以選用人工砂。該工程采用河砂和人工砂搭配使用，細度模數在2.6~2.8之間，含泥量小于1%。

4.3　粗骨料選用要求

細骨料要粒形良好、級配合理、質地均勻堅固、膨脹系數小的碎石，在生產中控制碎石含泥量和泥塊含量。此改造工程采用符合設計要求的碎石為粗骨料，配合使用5~16 mm和16~31.5 mm二級級配，松散堆積密度，緊密空隙率，以達到連續(xù)級配，不能選用砂巖碎石。

4.4　外加劑選用要求

在混凝土中摻入外加劑，可大幅度減少混凝土單方用水量、新拌混凝土坍落度損失小，并可適量引氣，提高混凝土耐久性。此工程外加劑選用聚羧酸鹽高效減水劑，減水率可達到30%以上。

4.5　摻合料選擇要求

大體積海工混凝土摻合料不宜小于膠凝材料總量20%，可選用粉煤灰和磨細礦渣粉，選用粉煤灰具有膠凝、改密、減水、降低混凝土早期升溫、抵抗化學侵蝕、抑制骨料病害、降低氯離子滲透、提高混凝土護筋性等作用。礦渣粉和粉煤灰雙摻對于提高混凝土密實性和提高混凝土的耐腐蝕性都有積極的作用。

5新陽大橋耐久性混凝土配合比設計

5.1　混凝土圖紙設計達到要求

由于地下水對砼結構具有中等腐蝕性，海水環(huán)境水對砼結構具有強腐蝕性，設計圖紙要求采用普通硅酸鹽水泥。

但需對水下區(qū)(底板、消力池、灌注樁)和水位變動區(qū)(閘墩、翼墻胸墻和錨錠墻、防護墩墻體)的砼采取以下措施：1)控制最大水灰比，要求水下區(qū)最大水灰比為0.50、水位變動區(qū)及浪濺區(qū)最大水灰比為0.40。2)水泥最小用量：水下區(qū)325 kg、水位變動區(qū)及浪濺區(qū)400 kg(摻加摻合料或外加劑時，應遵循相關規(guī)范的有關規(guī)定)。3)根據《海港工程混凝土結構防腐技術規(guī)范》所測定的抗氯離子滲透性不應大于2 000 C。4)砼抗?jié)B等級采用P8。

5.2　混凝土性能符合要求

閘室底板大體積混凝土選用摻有33%粉煤灰或復合摻20%粉煤灰以及20%礦渣粉、水膠比為0.47的C30混凝土。閘墩墩身選用摻有33%粉煤灰或復合摻20%粉煤灰以及20%礦渣粉、水膠比為0.40的C35混凝土。經28 d抗壓強度適中，混凝土抗?jié)B性能可以達到要求。電通量技術指標均小于2000 C，符合圖紙設計要求?？杀眯阅?、56 d電通量性能均明顯優(yōu)于普通混凝土或低摻量粉煤灰混凝土的相關性能。

5.3　混凝土配合比控制參數達標

閘室底板混凝土的水膠比為0.47, 膠凝材料總質量為360 kg/m3，粉煤灰或粉煤灰、礦渣粉的摻量可保證混凝土強度，并可優(yōu)化新拌混凝土可泵性，降低56 d電通量和水化熱。閘墩墩身混凝土的水膠比為0.40，膠凝材料總質量為430 kg/m3，粉煤灰、礦渣粉的摻量可保證混凝土強度。

6在耐久性混凝土生產過程中提高耐久性的措施

6.1　增強耐久性混凝土防腐蝕措施

配置使用高密實度的混凝土，優(yōu)化混凝土配合比，提高混凝土耐腐蝕性。主要通過以下技術措施來提高混凝土耐久性目的：

1)降低水膠比，研究表明水膠比不但對混凝土強度起到至關重要的作用，還對混凝土耐久性起到決定性作用。該工程中對于閘室底板大體積混凝土選用水膠比為0.48，閘墩大體積混凝土水膠比選用0.40。以混凝土耐久性指標來確定混凝土水膠比。

2)雙摻粉煤灰和磨細礦渣粉，粉煤灰和礦渣粉能改善混凝土拌合物性能，提高混凝土可泵性，并使硬化混凝土密實度提高。由于粉煤灰和磨細礦渣粉的二次水化，使得混凝土的長期性能大幅度提高且能減少混凝土的早期水化，使混凝土早期水化熱大幅降低有利于大體積混凝土的溫升控制。

3)優(yōu)質砂石原材料以及聚羧酸鹽高效減水劑等的使用，減少了混凝土單方用水量，從而使得混凝土密實性得到提高。

4)合理使用優(yōu)質引氣劑優(yōu)化混凝土孔結構。研究表明摻加混凝土引氣劑能使混凝土中有害大的氣孔減少并改善混凝土的孔道連通性，混凝土泌水通道的減少必然使得混凝土的耐腐蝕性增強。

6.2　加強施工過程中管理

在整個馬鑾灣海堤口改造工程要嚴格控制施工配合比，施工中攪拌混凝土必須均勻，振搗必須到位，要遵守養(yǎng)護制度，使用混凝土養(yǎng)護劑涂刷立面混凝土表面。對于閘室底板大體積混凝土做混凝土保溫，并蓄水養(yǎng)護保持表面濕潤，以利于混凝土的水化。海上混凝土構件的侵蝕一般都是從表面上開始的，在混凝土構件終凝前要做原漿抹面壓光，增強混凝土建筑的表面密實度，或者采用表面浸漬和表面涂覆的手段來降低混凝土表面滲透性。

6.3　加強混凝土生產的管理

加強混凝土生產的管理，制定以下質量管理控制點：

1)控制進廠原材料的質量。砂石材料重點檢查其含泥量和級配。水泥重點檢查其進廠溫度、安定性和強度等。摻合料重點控制其活性指標、細度、燒失量等指標。減水劑重點檢查減水率以及對水泥的適應性。做到進廠原材料檢測合格后才能使用。

2)在生產過程中，確保計量的準確性，定期對攪拌站的計量電子秤校準，并在生產過程中觀察計量誤差情況，出現異常情況及時查找原因。

3)砂石含水率每臺班進行至少兩次測定，調整混凝土下料配合比，確保混凝土的水膠比符合設定要求。

4)按照標準要求做好混凝土的出廠檢測，坍落度以及和易性不合格不得出廠。

5)大體積混凝土澆筑要注意混凝土的連續(xù)作業(yè)，做好混凝土的生產調度，調度員時刻關注車輛GPS定位，做到現場混凝土的連續(xù)澆筑，避免出現施工縫。

7結語

混凝土耐久性對于新陽大橋及馬鑾灣海堤開口改造具有重要意義，是整個工程的重點控制內容，也是技術難點。如何提高混凝土耐久性，取決于各種原材料的選用要求和配合比。

在大體積海工混凝土工程施工過程中，配合比設計方案必須科學合理，要建立以和易性和耐久性為目標的設計理念，充分體現現代高性能混凝土工作中所發(fā)揮的作用，在保證原材料質量、準確計量、精心組織施工的條件下可以達到工程質量的控制要求，進一步保證了新陽大橋及馬鑾灣海堤開口改造的工程質量。目前，該工程已基本竣工，經對現場混凝土構件實體鉆芯抽樣檢測，其強度和耐久性指標都滿足了設計要求。

參考文獻

[1]楊學廣，于春. 高性能高耐久性混凝土在橋梁工程上的應用研究[J]. 森林工程，2002，37(4)：11-15.

[2]羅守權. 高性能耐久性混凝土施工技術[J]. 建筑結構，2010，29(1)：26-28.

[3]閆卓秀. 耐久性混凝土雙摻技術的應用[J]. 科技創(chuàng)新導報，2009，15(6)：13-14.

[4]汪發(fā)紅，徐長生，雷宇芳，等. 海工混凝土耐久性研究[J]. 施工與檢測技術，2009，14(3)：37-39.