海工混凝土配比设计及其应用

海工混凝土配比设计及其应用

刘磊

中铁大桥局集团第一工程有限公司河南郑州450000

摘要：随着沿海地区基建建设的快速发展，对于海工混凝土的需求量也越来越大，要求也越来越高，如何把海工混凝土设计好，应用好就成为了一个不可回避的施工问题。本文以在建项目浙江省三门湾大桥及接线工程第TJ8标为例，重点阐述了海工混凝土的配比设计及其应用，其中在配比设计环节阐述中主要包括设计要求，设计思路及其机理，设计成果，在应用环节阐述中主要包括设计配比的应用效果和施工质量控制中需要重点关注的若干问题，并辅以小结，为今后工作起到借鉴作用。

关键词：海工混凝土；配合比；耐久性；氯离子

1．工程概述

1.1项目简介

浙江省三门湾大桥及接线工程（宁波段）土建施工第TJ8标段，位于宁波市宁海县力洋镇明港平岩村附近，起讫桩号为K89+000～K95+542（含明港枢纽），里程长度6.542km。本标段施工内容包括力洋港大桥引桥上部结构(40m箱梁预制架设)及青山港大桥引桥上部结构(40m箱梁预制架设)、明港枢纽互通立交工程。合同总价8.15亿，合同工期40个月。

1.2项目所处环境分类本项目环境类别为Ⅲ类。

2．海工混凝土配比设计

2.1设计要求

2.1.1混凝土性能要求

混凝土技术性能要求

2.1.1.1桩基混凝土坍落度为200±20mm、扩展度550±50mm、1小时坍落度损失＜10%；

2.1.1.2承台、墩身、箱梁混凝土坍落度为180±20mm、扩展度450±50mm、1小时坍落度损失＜10%；

2.1.1.3混凝土耐久性要求

84天混凝土中氯离子扩散系数DRCM,0

2.1.2原材料要求

2.1.2.1水泥强度等级不低于42.5级的P-Ⅱ型硅酸盐水泥，其质量应符合《通用硅酸盐水泥》（GB175）的规定。

2.1.2.2掺合料矿粉满足《用于水泥和混凝土中粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046-2008）中S95级要求，粉煤灰满足施工规范要求。

2.1.2.3细集料满足《建筑用砂》（GB/T14684-2011）表1中第2级配区的要求。

2.1.2.4粗集料满足《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）。

2.1.2.5外加剂符合《混凝土外加剂》（GB/T8076-2008）。

2.2设计思路及机理

2.2.1设计思路

2.2.1.1保证设计的配合比具有良好的配制强度，工作性，耐久性，经济性能。

2.2.1.2通过选用合理的掺合料比例，调整骨料级配等措施，提高混凝土内部结构致密性，降低混凝土渗透性，增加耐久性能。

2.2.1.3用高性能混凝土减水剂，注重与水泥的相容性，能保证混凝土拌合物具有良好的工作性，降低单位用水量。

2.2.1.4保证混凝土具有较好的抗氯离子渗透的性能，提高其在海洋环境下的使用性价比。

2.2.2本项目混凝土结构在海洋环境下的侵蚀机理分析

2.2.2.1影响混凝土结构使用寿命的荷载分类影响混凝土结构使用寿命的荷载可以分为两大类。第一类是物理外力，如疲劳动荷载、海浪水流冲击荷载、风荷载等等；第二类主要是化学或物理化学作用力，如侵蚀、碳化、冻融、碱-骨料反应等。物理外力荷载主要由结构设计解决，混凝土配比设计中主要考虑化学或物理化学作用力荷载对耐久性的影响。

2.2.2.2混凝土结构物分类其次结合本项目特点，混凝土结构物大致分为两大部分，一部分为岸上的明港枢纽互通，另一部分为力洋港和青山港大桥的上部结构预制箱梁，项目处于浙江东南沿海地区，空气湿度大，雨水多，因此配比设计考虑的重点放在防止钢筋锈蚀，提高混凝土抗碳化的能力，以及抑制碱-骨料反应作用。

2.2.2.3混凝土侵蚀类别及原理

2.2.2.3.1钢筋锈蚀其过程是一个电化学反应过程。大量研究表明，钢筋锈蚀有三个必要条件：

①钢筋钝化膜被破坏；

②足够低的电阻率，使得电解液腐蚀电池形成；

③有足够的水分和氧气通过混凝土保护层到达钢筋表面。

2.2.2.3.2氯离子引起钢筋锈蚀氯离子是一种钢筋活化剂，它的吸附性和扩散穿透力强，氯离子的存在增强了混凝土的导电性，即降低了电阻率，在潮湿空气环境下氯离子与铁离子生成氯化铁，在碱性环境下，进一步生成铁的氧化物，即铁锈，铁锈既导致混凝土内部膨胀破坏又侵蚀钢筋本身，降低两者之间的握裹力，从而使结构产生破坏，但在此过程中Cl—只是起到了“搬运”作用，它不被“消耗”，会周而复始地起到破坏作用，这正是氯盐危害的特点之一，对混凝土结构具有很强的破坏性。

2.2.2.3.3碳化作用导致的钢筋锈蚀指空气中的CO2与混凝土中的Ca（OH）2起化学反应，生成中性的CaCO3，减弱了钢筋周围的强碱性钝化保护环境，从而导致钢筋锈蚀。

2.2.2.3.4碱-骨料反应混凝土中的水泥，外加剂，掺合料，水中的碱与骨料中的活性物质在混凝土成型后若干年逐渐反应，其生成物吸水膨胀使混凝土自身膨胀开裂，导致混凝土结构破坏，由于该反应引起混凝土自身膨胀，无法补救，因而碱-骨料反应也是混凝土的癌症，我们必须要杜绝。

综合以上破坏机理分析，由于本工程所处环境属于Ⅲ类（海洋氯化物环境）我们把抑制氯离子渗透，保证混凝土自身密实性，保证混凝土保护层厚度作为我们配比设计及现场控制的主攻方向。

2.3设计过程及成果

2.3.1找出影响氯离子扩散的因素及其对应关系

2.3.1.1试验材料

2.3.1.1.1水泥：宁波科环新型建材股份有限公司舜江P•Ⅱ42.5；

2.3.1.1.2粉煤灰：宁波国力环保科技有限公司F类Ⅰ级；

2.3.1.1.3矿粉：张家港恒昌新型建筑材料有限公司S95；

2.3.1.1.4细集料:广东珠江中砂；

2.3.1.1.5粗集料：宁海强蛟5～25mm连续级配(5～10:10～25=30:70)；

2.3.1.1.6外加剂：山东华伟银凯建材科技股份有限公司聚羧酸高性能减水剂NOF-AS；

2.3.1.1.7水：饮用水。

2.3.1.2试验方法及过程结合图纸设计要求，确定水胶比，矿粉，粉煤灰，混凝土含气量分别与混凝土中氯离子渗透的关系，现场以R28龄期为测试周期，进行试验。试验方法采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）中的快速氯离子迁移系数法（又称RCM法）。

2.3.1.3室内试验结果及规律分析

2.3.1.3.1分析0.3～0.5五组不同水胶比配比的氯离子渗透变化趋势，相关试验参数如下：

表1

图1水胶比—氯离子迁移系数趋势关系图

备注：图中红线为趋势线，以下图表趋势线于此类同。

试验结果表明随着水胶比的增大，氯离子迁移系数也有明显的增大，两者之间具有较好的相同趋势相关关系，其原因可能是随着水胶比的增大，混凝土中的孔隙增多，混凝土强度下降，密实度下降，氯离子更容易扩散所导致的。

2.3.1.3.2分析0%～60%五组不同矿粉掺量配比的氯离子渗透变化趋势，相关试验参数表2：

试验结果表明随着矿粉掺和比例的提高，氯离子迁移系数也有减小趋势，两者之间具有较好的相同趋势相关关系，其原因可能是矿粉本身颗粒粒径比较小，可以有效填充混凝土中的毛细孔隙，同时随着矿粉掺量的增大，其本身在碱性环境下所具有的活性作用不断增强，使得混凝土的自身密实度得到很好的增强，使得氯离子在混凝土中扩散的通道被切断，从而起到了阻碍氯离子渗透的作用，同时提高了混凝土的强度。

表2

图2矿粉掺和比例—氯离子迁移系数趋势关系图

试验结果表明随着矿粉掺和比例的提高，氯离子迁移系数也有减小趋势，两者之间具有较好的相同趋势相关关系，其原因可能是矿粉本身颗粒粒径比较小，可以有效填充混凝土中的毛细孔隙，同时随着矿粉掺量的增大，其本身在碱性环境下所具有的活性作用不断增强，使得混凝土的自身密实度得到很好的增强，使得氯离子在混凝土中扩散的通道被切断，从而起到了阻碍氯离子渗透的作用，同时提高了混凝土的强度。

2.3.1.3.3分析0%～60%五组不同粉煤灰掺量配比的氯离子渗透变化趋势，相关试验参数表3

表3

试验结果表明随着粉煤灰掺和比例的提高，氯离子迁移系数先减少后增加，两者之间不具有较好的同趋势相关关系，其原因可能是粉煤灰的掺入对混凝土中的孔径通道起到填充的作用，阻隔了孔道的联通，从而阻碍氯离子的渗透途径，但当粉煤灰的掺量达到一定程度（如图30%以上）时，导致混凝土中相对有效的水化成份减少，直接影响了混凝土前期强度的生长，密实度不够，致使其抵抗氯离子渗透的能力反而降低。这就提醒我们，在之后的配比设计中要根据实际需求，对粉煤灰的掺和比例慎重考虑。

图3粉煤灰掺和比例—氯离子迁移系数趋势关系图

2.3.1.3..4分析通过调整外加剂的引气成份，相同配比前提下，五组不同含气量混凝土的氯离子渗透变化趋势，相关试验参数表4

表4

图3混凝土含气量—氯离子迁移系数趋势关系图

试验结果表明随着混凝土含气量的提高，氯离子迁移系数变化趋势不明显，含气量的增减对氯离子渗透的影响作用不大。

2.3.2配比设计成果

相关内容见附表1。

附表1浙江省三门湾大桥及其接线工程第TJ8标主要配比汇总

备注：1.上述配比所用碎石掺配比例为（5～10mm）：（10～25mm）=30:70；

2.C50配比所用粉煤灰为Ⅰ粉煤灰，C35和C40配比所用粉煤灰为Ⅱ粉煤灰；

3.上述配合比均为海工混凝土配合比。

3．海工混凝土的应用

3.1海工混凝土在本工程中的应用

在上下部结构的施工中，我们采用上述设计的配比分别进行施工，从施工过程中对混凝土的工作性的检测到之后对混凝土强度和耐久性的检测结果来看均能较好的满足施工设计要求，在多次的上级质量监督部门的抽查中都能取得良好的结果，现将不同部位的首件检测结果汇总如下表：

3.2施工环节质量控制

3.2.1混凝土的原材料控制

现场原材料的进场检控严格遵照设计及规范要求，其中在日常检验中如下几点尤为需要注重：

3.2.1.1细骨料的细度模数及级配，含泥量，泥块含量，氯离子含量等是否满足要求，严禁使用海沙及风化严重的砂子。

3.2.1.2粗骨料的级配筛分，含泥量，泥块含量，针片状，压碎值等是否满足要求。

3.2.1.3粉煤灰的细度，烧失量等是否满足要求。

3.2.1.4矿粉的活性指数，需水量比等是否满足要求。

3.2.1.5外加剂的减水率，含固量，含气量等是否满足要求。

3.2.2混凝土的拌制、运输及浇筑

海工混凝土在拌制、运输、浇筑时，应注意事项：

3.2.2.1混凝土的拌制宜采用专设的混凝土搅拌站等进行拌制，并采用搅拌效率高、均匀性好的强制搅拌机。

3.2.2.1由于海工混凝土具有“三低”的特点，因此在加水搅拌时要较同等标号的普通混凝土的搅拌时间至少延长30S，以C50的海工配比搅拌时间为例，其搅拌时间为180S，而C50普通混凝土搅拌时间一般为120S。

3.2.2.2浇筑大体积混凝土时，宜选择在气温较低的情况下进行，以便降低混凝土入模温度，一般在夜间施工。

3.2.3混凝土的养护

海工混凝土养护是保证混凝土质量的又一重要环节，应注意事项有：

3.2.3.1海工混凝土的保湿养护时间，要较普通混凝土的养护时间适当延长。

3.2.3.2养护时要采用淡水养护。

3.2.3.3混凝土构件也可采用专门的养护剂进行喷涂养护。

3.2.3.4墩柱施工时也可采用诸如透水模板布持久保湿的方式进行。

3.2.3.5进入冬季施工，应根据冬季施工方案进行施工及养护，注意混凝土浇筑后应立即覆盖保湿，如采用透明塑料薄膜进行覆盖等方式，目的是防止混凝土过快失水，但严禁浇水养护，有条件的工地采用低温蒸汽养护方式，效果更好。

4．结语

海工混凝土的耐久性是目前混凝土领域研究的重要课题，也是实现社会、经济可持续发展的需要。海工混凝土与普通混凝土在原材料、配比设计及其生产、施工工艺等方面有所差别。在实际应用过程中，要特别关注一定的胶材用量，使混凝土微观结构得到优化，内部孔隙结构得到改善；

在配比设计中要遵循“三低原则”，确保混凝土形成致密结构，提高耐久性；确保耐久性指标，抵御海洋环境下的氯离子渗透作用；优质的混凝土原材料原材以及配比的合理设计；科学的施工方案、工艺和严密的施工程序等。

参考文献

（1）浙江省三门湾大桥及接线工程SS08合同设计图纸；

（2）浙江省三门湾大桥及接线工程第SS07、SS08合同段技术交底；

（3）《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF50-2011；

（4）陈儒发，李书惠，林海等，大掺量粉煤灰混凝土在海工桩基中的应用〖2005.4〗；

（5）徐强，俞海勇，大型海工混凝土结构耐久性研究与实践〖2008.11〗；

（6）慈军，刘健，王建祥等，矿渣微粉高性能混凝土的抗侵蚀试验研究〖2010.1〗

（7）《水运工程混凝土施工规范》JTS202-2011；

（8）《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTG/TB07-01-2006；

（9）《普通混凝土长期性和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009.