李式雄

（福州市交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，福建　福州　350002）

海港工程高性能砼配合比設(shè)計方法探討

李式雄

（福州市交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，福建福州350002）

介紹了高性能砼的特點及海港工程所用砼的性能要求，提出以砼氯離子擴散系數(shù)為耐久性指標設(shè)計海港工程用高性能砼；以福州連江黃岐半島海港橋梁——布袋澳大橋預制箱梁為工程背景，在綜合考慮砼的強度、工作性、均勻性、耐久性、密實性和體積穩(wěn)定性的情況下，討論了海港工程高性能砼原材料的選擇，提出了海港工程高性能砼配合比設(shè)計方法。

橋梁；配合比設(shè)計；氯離子擴散系數(shù)；高性能砼；耐久性

海港工程中砼結(jié)構(gòu)經(jīng)常與海水接觸并處于潮濕環(huán)境中，氯離子滲入引起鋼筋銹蝕，往往導致砼結(jié)構(gòu)10～20年就發(fā)生破壞，工程使用壽命受到嚴重威脅。提高砼的抗?jié)B性能可有效防止鋼筋銹蝕，而砼的滲透性與其密實度及孔隙特征密切相關(guān)。通過降低水灰比、摻加高效減水劑和礦物摻合料，可有效細化砼孔隙結(jié)構(gòu)、改善界面區(qū)、減少不利晶相數(shù)量和增加砼密實度，從而提高砼的密實性能和抵抗氯離子侵蝕的能力。

高性能砼的基本要求是具有良好的耐久性、工作性和強度，主要以耐久性為設(shè)計指針，而JGJ 55 -2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》主要以強度為設(shè)計指針，因而不適用于海港工程砼配合比設(shè)計。該文結(jié)合福州連江黃岐半島海港橋梁——布袋澳大橋預制箱梁的配合比設(shè)計，提出以砼氯離子擴散系數(shù)與水膠比及擴散系數(shù)隨時間的衰減公式進行海港工程砼配合比設(shè)計的方法。預制箱梁砼采用就近集中拌和，其技術(shù)要求如下：環(huán)境作用等級Ⅲ-E；設(shè)計使用壽命100年；強度等級C50；砼坍落度為180 ～200 mm；84 d氯離子擴散系數(shù)不大于1.5×10-12m2/s。

1　以砼氯離子擴散系數(shù)為耐久性指標的高性能砼配合比設(shè)計方法

1.1原材料的選擇

1.1.1水泥

選用質(zhì)量穩(wěn)定、標準稠度低、水化熱低、含堿量偏低、強度等級不低于42.5的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。為改善砼的體積穩(wěn)定性和抗裂性，水泥的比表面積不宜超過350 m2/kg，C3A含量不宜超過8％，游離CaO不超過1.5％，大體積砼宜采用C2S含量相對較高的水泥。為改善砼的抗裂性，水泥中堿含量不宜超過0.6％。因要與礦物摻和料摻配使用，也可委托水泥廠生產(chǎn)專用水泥。該工程使用安徽寧國水泥廠生產(chǎn)的P.Ⅱ52.5硅酸鹽水泥，其性能指標見表1。

表1　水泥的性能指標

1.1.2礦物摻和料

礦物摻和料能顯著改善砼的抗氯離子滲透性，主要機理是其在砼中的密實填充效應、火山灰效應及提高砼對其中氯離子的結(jié)合能力。礦物摻和料作為耐久性砼的必須組分，要求其品質(zhì)穩(wěn)定、來料均勻、來源固定。以下是高性能砼常用的3種摻和料。

（1）粉煤灰。粉煤灰應來自燃煤工藝先進的電廠，燒失量應盡可能低，要求不大于5％，預應力及C50以上砼應不大于3％，引氣砼不宜超過2％； SO3含量≤3％；需水量比≤105％，C50以上砼應≤100％。該工程使用華能福州電廠生產(chǎn)的F類Ⅱ級灰，其性能指標見表2。

表2　粉煤灰的性能指標

（2）磨細礦渣。磨細高爐水淬礦渣的比表面積不宜小于350 m2/kg，但過細的磨細礦渣也不利于控制砼水化溫升和防裂，一般不宜大于450 m2/kg；需水量比≤100％；燒失量≤3％。該工程使用S95級?；郀t礦渣粉，其性能指標見表3。

表3　?；郀t礦渣粉的性能指標

（3）硅灰。硅灰中SiO2含量不應小于85％，比表面積不小于15 000 m2/kg，硅灰摻量一般不超過膠凝材料總量的8％。單摻硅灰會增加低水膠比高強砼的自收縮，并不利于降低砼溫升，在大體積砼中應慎用。硅灰一般應與其他礦物摻和料復合使用，如將大摻量粉煤灰與占膠凝材料5％左右的硅灰復合，能明顯增強砼抗氯離子侵入的能力和早期性能。從砼溫升及抗裂性能考慮，該工程未采用硅灰。

1.1.3化學外加劑

由于高性能砼需采用低水膠比，盡量降低拌和水用量，應采用高效減水劑或復合減水劑，并應選擇減水率高、坍落度損失小、適量引氣、與水泥之間具有良好的相容性、能明顯改善或提高砼耐久性且質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品。聚羧酸高性能減水劑相對于萘系減水劑具有高減水率（大于25％）、低收縮、高強度和坍落度損失小等優(yōu)點，其在水泥表面呈梳狀結(jié)構(gòu)，電荷排斥和空間阻隔作用相結(jié)合，因而在砼中的表現(xiàn)更好。普遍反映摻聚羧酸高性能減水劑的砼的含氣量偏大，但可采用“先消后引”工藝控制聚羧酸減水劑氣泡質(zhì)量，方法如下：與廠家共同進行引、消氣含氣量和相容性試驗，將消氣和引氣過程分開進行，即先將消泡劑加入聚羧酸減水劑中組成固定產(chǎn)品，到現(xiàn)場后投入攪拌機攪拌10～20 s，然后加入引氣劑繼續(xù)攪拌。該方法可解決砼含氣量、砼外觀質(zhì)量及外加劑與水泥的適應性問題，使用效果良好。該工程選用保坍性好的聚酯類聚羧酸減水劑（不選聚醚類），摻量為0.9％，其性能指標見表4。

表4　聚羧酸高性能減水劑的性能指標

1.1.4細集料

宜選用級配良好、質(zhì)地均勻堅固、吸水率低、孔隙率小、細度模數(shù)為2.6～3.2的潔凈天然中粗河砂或符合要求的人工砂。重要的配筋砼工程嚴禁使用海砂；一般工程由于受條件限制不得不使用海砂時，必須采取嚴格的質(zhì)量檢驗制度，經(jīng)過沖洗后的海砂宜控制氯離子含量低于干砂質(zhì)量的0.02％；含泥量應≤2.0％。研究表明黏土間結(jié)構(gòu)能大量吸附聚羧酸鹽減水劑分子，影響其減水率，建議將摻聚羧酸鹽類外加劑砼用細集料含泥量控制在1.0％以下。該工程選用閩江閩清段河砂，為細度模數(shù)2.80的Ⅱ區(qū)中砂，其質(zhì)地堅硬，級配合理，其性能指標見表5。

表5　砂的性能指標

1.1.5粗集料

宜采用質(zhì)地堅硬、潔凈、級配合理、粒形良好、吸水率小的碎石，海港工程不宜采用抗?jié)B透性較差的頁巖。該工程就地取材，采用由反擊破碎機生產(chǎn)的5～25 mm連續(xù)級配石灰石巖，用5～16及16～25 mm兩個單粒級配配置成符合5～25 mm連續(xù)級配碎石，其性能指標見表6。

表6　碎石的性能指標

1.1.6水

采用符合砼拌和要求的水。對于環(huán)境作用等級為E或F的砼，用水量宜控制在150 kg/m3以內(nèi)。

1.2配合比設(shè)計

1.2.1確定膠凝材料比例

對于環(huán)境類別為Ⅲ、Ⅳ砼，其礦物摻和料的限定范圍應滿足：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分別表示礦渣S和粉煤灰（或火山灰）F占膠凝材料總量B的比值）。用C表示水泥，SF表示硅灰，則B=C+S+F+ SF。C對P.Ⅰ和P.Ⅱ水泥按全量計算，對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礦渣、粉煤灰和火山灰中（如生產(chǎn)廠家不能提供數(shù)據(jù)，則取C為85％水泥，活性混合材料按10％水泥重的F計算）；對其他混合水泥，計算方法同P.O水泥（如生產(chǎn)廠家不能提供數(shù)據(jù)，則不宜采用）。

該工程環(huán)境類別為Ⅲ，取f=0.2、s=0.4、c= 0.4，按該比例設(shè)計的膠凝材料組分經(jīng)水泥膠砂強度試驗，其28 d抗壓強度為45.2 MPa，抗折強度為7.9 MPa。

1.2.2計算水膠比

（1）利用擴散系數(shù)隨時間衰減關(guān)系式［見式（1）、式（2）]計算設(shè)計1年期氯離子擴散系數(shù)Da：

將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）利用文獻［15]中預測氯離子擴散系數(shù)DP的計算公式確定水膠比W/B：

式中：DP為預測的氯離子擴散系數(shù)（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=（礦渣占B重量百分比S-35）/35；x6=lg10（養(yǎng)護天數(shù)-2）/3，實驗室預測取28 d；x7=（砼溫度-24）/14，試驗室條件取20℃；x8，碎石骨料取1，卵石骨料取零。

考慮到預測值只能解釋80％的變化率，趙鐵軍等通過研究，得出具有95％以上保證率的保守值關(guān)系式：

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

取B=475，則W/B=0.308。

（3）水膠比的驗證。滿足強度要求的最大水膠比為：

滿足環(huán)境作用等級（Ⅲ-E）耐久性的最大水膠比W/B=0.36。

綜上所述，滿足要求的水膠比選為0.31。

1.2.3計算砼各組分材料用量

（1）水泥用量：

（2）粉煤灰用量：

（3）粒化高爐礦渣粉用量：

（4）用水量：

（5）聚羧酸外加劑用量：

（6）砂石用量（按絕對體積法）。用砂漿填充石子孔隙乘以砂漿富余系數(shù)，得：

式中：VC、VF、VS礦渣、VW、VS砂分別為每立方米砼中水泥、粉煤灰、礦渣、水、砂的密實體積；P0為石子的空隙率；V0G為每立方米砼中石子的松散堆積體積；k為砂漿富余系數(shù)，對高性能砼或高強泵送砼，k =1.7～2.0。

按絕對體積法得：

式中：C、F、S礦渣、W、S砂、G分別為每立方米砼中水泥、粉煤灰、礦渣、水、砂、石子用量；γC、γF、γ礦渣、γW、γ砂、γG分別為水泥、粉煤灰、礦渣、水、砂、石子的表觀密度；γ0G為石子的松散堆積密度。

假設(shè)砼拌和物表觀密度為2 400 kg/m3，則S+ G=2 400-475-147-4.275=1 774 kg/m3。將各材料的表觀密度、每立方砼材料用量、石子的松散堆積密度、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配合比的試配、調(diào)整、驗證與確定

按上述基準配合比進行試拌，進行坍落度和坍落流動度試驗，測定拌和物的表觀密度、含氣量、水溶性氯離子含量，均符合要求。按基準配合比制作砼力學性能和耐久性能指標試驗試件。在基準配合比的基礎(chǔ)上，水膠比分別增加、減少0.02，用水量與基準配合比相同，砂石用量按絕對體積法計算，拌制并制作這2個配合比砼試件。3個配合比砼拌和物的性能、力學性能及耐久性能見表7、表8。

表7　砼拌和物的性能

表8　砼的力學性能及耐久性能

從表7、表8可以看出：3個配合比砼拌和物的性能、硬化砼的力學性能及耐久性能均符合設(shè)計要求，但3號配合比硬化砼性能指標的富余量小，故選擇2號配合比作為試驗室配合比設(shè)計值。

2　布袋澳大橋的工程實踐

在該工程預制箱梁高性能砼施工過程中采取以下措施：1）嚴格按批次檢測砼材料質(zhì)量，質(zhì)量達不到要求的拒絕使用。2）嚴格控制砂石質(zhì)量，無條件采用閩江閩清段河砂，砂的細度模數(shù)控制在2.6～ 2.9，含泥量不大于0.5％；始終采用同一灰石巖料場用反擊破碎機生產(chǎn)的碎石，生產(chǎn)線水洗除塵，將碎石含泥量控制在0.2％以內(nèi)，采用5～16及16～25 mm兩個料倉配制5～25 mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標值不大于10％，針片狀顆粒含量不大于5％。3）砼配料采用全自動電子稱量法計量、電腦控制下料，確保計量準確。4）砼攪拌采用臥軸式攪拌機，攪拌時間控制為120 s，攪拌機攪拌10～20 s后再加入引氣劑繼續(xù)攪拌。5）砼養(yǎng)生采用自動噴淋系統(tǒng)保濕養(yǎng)護至預應力張拉且不少于7 d，箱梁頂板砼收漿后進行覆蓋養(yǎng)生，在模板拆除前使用噴淋系統(tǒng)使模板保持濕潤。

預制箱梁70片，澆筑海工砼2 300多m3，砼性能穩(wěn)定，梁體未產(chǎn)生裂紋。現(xiàn)場抽取140組標準養(yǎng)護28 d的砼抗壓強度試件及70組標準養(yǎng)護84 d的砼抗氯離子滲透（RCM法）試件進行試驗，結(jié)果見表9。實踐結(jié)果表明海港工程高性能砼配合比設(shè)計及施工控制效果良好。

表9　布袋澳大橋箱梁海工砼物理力學及耐久性能指標測試結(jié)果

3　結(jié)語

通過對海港工程高性能砼原材料選擇、配合比設(shè)計過程研究及實際工程運用，得到以下經(jīng)驗：

（1）文獻［15]中的預測氯離子擴散系數(shù)估算值可用于以砼氯離子擴散系數(shù)為耐久性指標的高性能砼配合比設(shè)計。

（2）海港工程高性能砼原材料必須符合耐久性、體積穩(wěn)定性和抗裂性要求，且品質(zhì)穩(wěn)定、來料均勻、來源固定。

（3）聚羧酸系高性能減水劑使用中，首先應解決砼含氣量、砼外觀質(zhì)量及外加劑與水泥的適應性問題。

（4）高性能砼中膠凝材料各組分密度相差較大，宜采用絕對體積法進行配合比計算。

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