水位變動區混凝土護面塊體耐久性研究

姜則才 冷海江 王明帥

（中石化勝利建設工程有限公司，山東 東營 257200）

1 前 言

對混凝土結構耐久性問題的研究最近十幾年受到廣泛重視。美、日及歐洲國家相繼出臺各種規程及指南，研究成果代表了世界先進水平，并經常性組織混凝土耐久性國際會議加強交流。

我國自90年代陸續成立鋼筋混凝土標準技術委員會混凝土結構耐久性學組、中國土木工程學會混凝土耐久性專業委員等組織，對混凝土耐久性研究進入有組織的工作階段，并設立“大氣條件下鋼筋混凝土結構耐久性及其使用年限”“預應力混凝土結構及混凝土耐久性技術”等攻關課題，目前已取得一些成果，主要集中在混凝土碳化、鋼筋銹蝕、凍融循環、構件表層與內部混凝土特征比較等方面，考慮了大氣、海洋、化學侵蝕等不同工作環境對材料耐久性的影響。中石化勝利油田海堤、進海路以及海油陸采平臺護面結構多采用預制混凝土塊體，作為防風浪及風暴潮的第一道屏障，其結構的安全性及耐久性直接影響主體結構的使用年限及壽命。目前，中石化企業及相關科研、施工單位還未對混凝土表層的耐久性研究開展過類似工作。

2 渤海灣海洋環境下護面塊體破壞特點及原因分析

2.1 護面塊體表面破壞現狀

渤海灣海洋環境下，混凝土構件在海水侵蝕、冬季凍融作用下1～2年開始出現表層脫落（厚度為2～5mm），尤其在浪濺區、水位變動區等海水漲落活躍區域，構件表面脫落較為明顯，而在海浪沖刷不到的位置5年內基本不脫落。

2.2 原因分析

混凝土護面塊體在海洋環境下受潮水、溫度、季節性凍融等因素影響，浪濺區、水位變動區構件外側經過海水沖刷、侵蝕、反復凍融破壞，構件表面毛細孔逐漸擴展張開，海水及空氣中的自由水沿著張開的毛細孔由外側向內側逐步滲透，無冰凍的季節，毛細孔內的自由水與外側自由水基本平衡且飽和，對構件的表層破壞較小；而在北方的冰凍季節，毛細孔內含有氯鹽的飽和自由水受溫度影響開始結冰，毛細孔壁受孔內自由水由液態到固態體積不斷變化出現疲勞破壞，構件表面出現不規則小鼓包，小鼓包受海水沖刷侵蝕慢慢開始脫落，最后發展到整個構件外側連片整體脫落，經過10～15年構件表層脫落質量損失率達5%；特殊極端天氣下構件滲水飽和后，溫度驟降到-17℃以下時，整個表層一個凍融循環后即出現大面積脫落。

3 護面塊體施工工藝研究

通過對上述構件表面破壞的原因分析，影響構件表面破壞的主要因素為構件毛細孔內自由水經過反復凍融循環造成表層逐層脫落，由于東營地區使用最廣泛的護面塊體為扭工體及扭王體，本文以扭工體及扭王體為代表進行論述，從提高構件密實度及外觀質量、隔離和減小構件內外毛細孔內自由水等方面進行研究。

3.1 扭工體護面典型做法

3.1.1 護面塊體典型斷面

護面塊體典型斷面見圖1。

3.1.2 護面塊體構件設計圖示例

護面塊體構件設計圖示例見圖2。

圖1 扭工體護面典型斷面示意（單位:mm）

圖2 扭工體設計斷面（單位:mm）

3.2 施工工藝及實施要點

首先從配合比、原材料控制、現場施工工藝改進等方面進行試驗研究，同時委托質量檢測中心通過扭工體構件凍融循環試驗，比較各種施工條件下混凝土塊體的質量損失率及相對彈性模量，找出影響混凝土耐久性的內在因素和外部條件。內在因素主要是組成混凝土的水泥、骨料、外加劑材質特性，混凝土坍落度，水灰比等；外部條件主要是混凝土模板配置、振搗方式、養護方式及后期保養等。通過對內在因素的嚴格把控和多次試驗，找出適宜原材料和科學合理的配置方案，同時開展對外部條件的研究和探索，引入透水模板布和硅烷浸漬處理工藝，總結出一套科學合理的混凝土護面塊體施工工藝，見圖3。

圖3 混凝土護面塊體施工工藝流程

3.2.1 篩選優化配合比，提高混凝土各項性能

a.抗凍混凝土優先選用中熱32.5R水泥，試驗結果表明，中熱水泥混凝土的抗凍性能特別是早期抗凍性能要優于低熱水泥混凝土，其原因在于中熱水泥中熟料含量比低熱水泥高，早期水化更加充分，水泥水化產物占據空間較多，并且中熱水泥需水量—般較小，由于多余水分逸出產生的孔隙數量也相應減少。根據凝膠孔及毛細孔的形成及作用原理可知，中熱水泥混凝土硬化產物孔結構中凝膠孔比重較大，從而提高了混凝土的抗凍性能。

b.引氣劑是提高混凝土抗凍性能最為快捷有效的途徑，施工中，采用了PC-Ⅱ和木鈣兩種外加劑，由于兩種外加劑摻和比不容易控制，所以達不到引氣效果，而且減水效果也不好，見圖4。通過多次試驗后，采用復合高效引氣減水劑有效地解決了此問題。

圖4 引氣劑對抗凍性能的影響

c.水灰比是影響混凝土抗凍性的重要參數。水灰比小的混凝土拌和物，分子間內聚作用強，黏聚性好，能阻止氣泡在拌和物中移動，使氣泡的融合和逸出發生困難，從而有效地抑制了氣泡尺寸的增長，并有利于保持含氣量的穩定，因此，伴隨水灰比減小混凝土抗凍能力得到明顯提高。圖5反映了不同水灰比的重量損失與凍融次數關系的規律。但水灰比的變化又影響混凝土坍落度及工作性能，從試驗中可以看出，含氣量隨著混凝土坍落度增大而增加，含氣量達到峰值后，坍落度若繼續增大，引氣效果反而下降。這是因為混凝土流動度太大時分子間范德華力變弱，致使拌和物黏度下降，氣泡容易逸出。

圖5 不同水灰比混凝土重量損失率與凍融次數關系

d.根據多次試配調整和凍融循環檢測，在確保原材料各項指標滿足抗凍混凝土要求的前提下，優選出適合工藝特點及抗凍能力最佳的配合比作為施工配合比，優選后的配合比塌落度為30～50mm，含氣量為0.45%～0.55%，水灰比為0.37。

3.2.2 異型模板構件模板設計

護面塊體多為異型構件，模板采用組裝式鋼模板，鋼模的面板采用5mm加厚板材，模板的肋板、翼緣加固段采用6mm厚鋼板組裝加固，扭王體模板示意見圖6（扭工體類似），整體模板構件共分7片面板，分別為底模板、分離式腰桿立板、開口式上緣板，采用預留螺栓孔及高強度螺栓加固連接，板與板間安放高強度止漿帶防止混凝土漏漿，減小表面缺陷，底模設滑輪和調節桿，可自由調整、組裝、拆除模板。成套組合鋼模的應用，解決了沿海施工現場對場地、生產的限制，適宜混凝土塊體工廠化生產，提高混凝土的生產效率。

3.2.3 優化振搗方案

圖6 扭王體模板設計示意圖

改善傳統的混凝土入模方式，控制模內混凝土厚度，計算規定層厚（40cm）所需的混凝土量，按照規定層厚折算，每方混凝土均勻的布設到5塊護面塊體，模內布料厚度約為40cm，提高混凝土卸料入模效率；混凝土振搗由單一插入式振搗改進為插入式、附著式組合振搗，提高了混凝土內部密實度，增強了構件抗凍能力。

扭工體（扭王體）懸出的橫臂和中軸接近90°，導致懸臂頂部混凝土的水泡和氣泡無法排出，造成懸臂頂部不平整，外觀質量差。經過多次試驗，在頂部混凝土達到初凝之后、終凝之前，將頂部模板拆除，進行混凝土原漿抹面1～3遍，既能保證混凝土的強度質量，又能達到護面塊體混凝土的外觀質量要求。

3.2.4 改善養護方式

護面塊體養護由原來的漏天噴淋養護改進為隔陽網覆蓋噴淋養護，養護效果得到有效改善，節約了用水量又增加了現場養護濕度，大大提高了扭工體內在質量，同時也改善了其外觀效果。

3.2.5 透水模板布工藝

在組合鋼模板組配完成后，在模板內側粘貼鋪設一層透水模板布，透水模板布要鋪設平整、接縫嚴密、粘貼牢固。澆筑混凝土后，在混凝土內部壓力、混凝土透水模板布的毛細作用及振搗等共同作用下，混凝土中的氣泡以及部分游離的水分由混凝土內部向表面遷移，并通過混凝土透水模板布中間層排出，使表層與內部水灰比達到一致或基本接近狀態，降低由于施工原因造成的構件表層與內部水灰比差值，提高構件內外部密實性，改善了混凝土抗凍能力及耐久性。

3.2.6 硅烷浸漬處理工藝

在混凝土構件養護2～4周后，涂刷硅烷浸漬。硅烷可穿透膠結性表面，滲透到混凝土內部與暴露在酸性或堿性環境中的空氣及基底中的水分子發生化學反應，形成斥水處理層，從而抑制水分進入內部，可有效防止因滲水、日照、酸雨和海水侵蝕而引起的混凝土及內部鋼筋結構的腐蝕、疏松、剝落、霉變等，如同給混凝土構件穿上了一件防水透氣的隱形防彈衣，能持久有效地抑制各種有害環境因素引起的腐蝕破壞，從而達到進一步提高混凝土結構耐久性的目的。

4 技術創新點及應用案例

透水模板布可有效減低施工原因造成的構件表層與內側水灰比差，提高構件內外密實性，改善混凝土抗凍能力。

噴涂過硅烷浸漬劑的混凝土塊體，能持久有效地抑制各種有害環境因素引起的腐蝕破壞，提高混凝土塊體耐久性。

本施工工藝在勝利油田樁古46海堤隱患治理工程和孤東東大堤隱患治理工程中均取得較好應用，見圖7～圖9。2015年施工的樁古46海堤隱患治理工程扭工體護面經過近5年的凍融循環及海水風浪洗禮，表面基本無損壞，該工程于2018年被評為中石化優質工程；2016年施工的孤東東大堤隱患治理工程扭王體護面也取得了良好效果。

圖7 扭王體應用案例

圖8 扭工體應用案例

圖9 樁古46海堤隱患治理工程鳥瞰圖

5 結 語

本文以勝利油田樁古46海堤隱患治理工程和孤東東大堤隱患治理工程項目為依托，研究異型混凝土預制構件生產、施工、使用各個環節，分析了渤海灣海洋環境下混凝土表層破壞規律、破壞機理、關鍵影響因素及影響規律，解決了渤海灣海洋環境下混凝土預制構件表層脫皮掉皮的難題。其中透水模板布在異型構件中的應用，起到了很好的技術效果，但透水模板布及硅烷浸漬劑處理工藝，使混凝土塊體生產成本偏高，應用推廣有一定的局限性和特殊性，今后將繼續進行深入研究，尋求更佳的施工工藝，徹底解決混凝土耐久性在實際應用中的局限性，為廣泛推廣應用創造條件。