C40海工大體積混凝土配合比研究

摘要：文章結合龍門大橋東錨碇基礎大體積混凝土施工，研究建立在混凝土強度、氯離子擴散系數、齡期衰減系數與水膠比、礦物摻合料種類和摻量等因素之間的量化關系，綜合考慮混凝土強度、耐久性、水化熱、溫控等性能指標要求，通過科學選取水膠比、礦物摻合料種類和摻量，研發跨海大橋抗腐蝕高性能混凝土的配合比設計技術，提出原材料優選標準與控制指標、混凝土施工質量控制方案以及混凝土耐久性質量檢驗技術，形成跨海大橋抗腐蝕高性能混凝土配合比設計與質量控制成套技術，解決傳統技術所存在的缺陷。

關鍵詞：錨碇；大體積；配合比；海工混凝土；雙摻；溫控

0引言

錨碇頂板采用C40大體積混凝土，對于近海的大體積混凝土而言，需增強混凝土抗氯鹽侵入能力。因此，本次錨碇混凝土采用高性能抗氯鹽海工混凝土，采用粉煤灰及礦粉雙摻來提高混凝土的高耐久性［1］。本文就高氯鹽條件下C40大體積海工混凝土進行了配合比研究，從混凝土的工作性、力學性和耐久性、氯離子擴散系數、溫度控制等方面進行了試驗研究。

1 工程概況

國道G228丹東至東興廣西濱海公路龍門大橋位于欽州市欽南區龍門港鎮，為廣西規劃建設的最長跨海大橋，是廣西首座單跨超千米的特大橋，總長度為7.756 km，其中主橋為單跨雙鉸懸索橋。龍門大橋東岸錨碇頂板大體積混凝土采用C40等級混凝土，頂板是高為6～8 m、直徑為84.5 m的圓柱，下部與填芯混凝土接觸，側面與一期樁及二期槽接觸。本項目橋址位于沿海地區，錨碇位于島上，地表水和地下水氯離子濃度較高，年平均氣溫約為24.6 ℃。

2 混凝土原材料組成與選擇

2.1 水泥

采用的水泥為華潤水泥（上思）有限公司生產的P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥，其密度為3.20 g/cm3、比表面積為334 m2/kg、3 d抗壓強度為31.4 MPa、28 d抗壓強度為53.6 MPa、3 d抗折強度為6.3 MPa、28 d抗折強度為8.0 MPa、初凝為159 min、終凝為214 min、三氧化硫含量為2.62%、燒失量為2.34%、氯離子含量為0.35%、氯化鎂含量為1.30%。

2.2 粉煤灰

采用的粉煤灰為廣西欽州藍島環保材料有限公司的F類Ⅰ級粉煤灰，其細度為11.0%、需水比為93%、燒失量為1.73%、含水率為0.1%、密度為2.46 g/cm3、活性指數為75.5%。

2.3 礦粉

采用的?；郀t礦渣粉為廣西源盛礦渣綜合利用有限公司的S95級礦渣粉，其密度為2.88 g/cm3、比表面積為408 m2/kg、7 d活性指數為72%、28 d活性指數為100%、燒失量為0.92%。

2.4 防腐劑（CPA）

采用的防腐劑為廣東巨三實業有限公司生產的JS-HGCPA防腐劑，其氯化鎂含量為3.59%、氯離子含量為0.013%、堿含量為0.34%、比表面積為330 m2/kg、初凝時間為97 min、終凝時間為2.83 h、抗蝕系數為1.01、膨脹系數為0.92。

2.5 細集料

采用的細集料為崇左南方水泥有限公司生產的石灰巖精品機制砂，其云母含量為1.3%、石粉含量為8.8%、泥塊含量為0.0%、機制砂單級最大壓碎指標為15%、表觀密度為2 710 kg/m3、空隙率為40.6%。

2.6 粗集料

采用的粗集料為扶綏縣平姜石場生產的（5～25）mm連續級配石灰巖碎石，其碎石壓碎指標為10%、堅固性為1%、吸水率為0.42%、針片狀顆?？偤繛?.2%、含泥量為0.6%、泥塊含量為0.0%、表觀密度為2 734 kg/m3、堿集料反應為0.03%。

2.7 水

采用的拌和用水為龍門大橋東岸拌和站地下水，其pH值為7.2、不溶物為132 mg/L、可溶物為164 mg/L、氯離子含量為14 mg/L。

2.8 減水劑

采用的減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑（緩凝型），其減水率為28%、泌水率比為23%、含氣量為3.5%、凝結時間差為+185 min。

3 配合比設計

根據設計文件要求，該錨碇大體積混凝土設計強度為C40，氯離子擴散系數（RCM28 d）：<4.0×10-12 m2/s，總游離氯離子含量小于單方混凝土用膠材總量的0.1%，總含堿量≤2.1 kg/m3。配合比設計參數嚴格按照《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T 3650-2020）要求執行［2］。

由于錨碇所處位置容易受海鹽侵蝕，必須研究出符合該地區的混凝土配合比，同時也要遵循混凝土需具備良好的工作性能及經濟性原則，根據原材料情況和經驗，共設計了6個不同的配合比。采用純水泥、單摻粉煤灰或礦粉、雙摻作比較，來確定最佳配合比，如表1所示。

表1中共有6組配合比，A組為純水泥，不加任何礦物摻合料；B組摻29%的粉煤灰，不摻礦粉；C組不摻粉煤灰，摻40%的礦粉；D組摻30%粉煤灰、22%的礦粉；E組摻36%粉煤灰，24%礦粉；F組摻45%粉煤灰、19%礦粉。

4 混凝土性能評價及分析

為了更準確直觀地得出粉煤灰及礦粉對混凝土性能的影響，采用純水泥、單摻粉煤灰或礦粉、復摻的方式，從混凝土的工作性、力學性、抗氯離子滲透性能、物理熱學性能進行研究。

4.1 工作性

根據表1配合比得出該6組配合比混凝土的工作性能如表2所示。

混凝土的工作性能由表2可知，當使用純水泥時，混凝土的流動性較差，容易泌水；隨著粉煤灰的摻入，其需水量跟減水劑減小，混凝土流動性增加；單摻礦粉時，混凝土的黏度較高，很容易造成混凝土抓底，不利于泵送；當同時摻入粉煤灰、礦粉時，粉煤灰的摻入彌補了礦粉摻入對混凝土和易性的不利影響。且隨著粉煤灰摻量（30%、36%、45%）的增加，混凝土的和易性及流動性得到了改善。本次采用F組進行工程實踐證明，混凝土現場泵送性較好，很少因為混凝土和易性不好造成堵泵、堵管、爆管現象［3］。

4.2 力學性（見表3）

從表3中可以看出，A組為純水泥，齡期為7 d時候其抗壓強度已經達到50.5 MPa，由于該工程位于海上且為大體積混凝土，單獨使用純水泥不僅難以抵抗海中氯離子的侵入，更容易造成混凝土內部溫度迅速上升，出現溫度裂縫。從經濟環保方面來看，使用純水泥會增加混凝土的成本，造成原材料浪費，因此排除該組配合比。

當摻入粉煤灰及礦粉后，混凝土7 d抗壓強度相對于純水泥組出現明顯下降趨勢，隨著時間增加到28 d、60 d時，混凝土強度逐漸上升達到持平甚至超過純水泥組，且都能滿足C40混凝土強度要求。

當粉煤灰摻量逐步增加（30%、36%、45%）時，混凝土的抗壓強度先增加后降低，其中F36對比F45抗壓強度下降14.8%。摻入礦粉時，可以明顯改善混凝土的泌水性，還可以彌補單摻粉煤灰使混凝土早期強度偏低的問題，實現優勢互補。粉煤灰與礦粉互摻，當兩者摻量接近時，工作性能好的混凝土，其力學性能也相對較好。

F組混凝土試塊在標準養護條件下的強度較好，其28 d齡期抗壓強度均＞45.3 MPa，60 d強度最小值為50.5 MPa，遠大于C40設計強度，符合設計強度。

4.3 抗氯離子滲透性

純水泥、單摻粉煤灰及礦粉、雙摻時混凝土28 d、60 d時的電通量值如圖1所示。

由圖1可知，隨著粉煤灰摻量的增加（30%、36%、45%），混凝土電通量值呈現逐漸下降的趨勢，其中F29混凝土電通量值最低。單摻礦粉時，混凝土的電通量隨著時間增加逐漸減小，隨著礦粉摻量的增加（22%、24%），電通量呈現下降趨勢。與純水泥C相比，采用單摻或復摻粉煤灰及礦粉能有效減少混凝土的28 d、60 d電通量，其中跟F45K19差距較大的分別下降42.8%、55.1%。所以，粉煤灰及礦粉的復摻有助于提高混凝土的抗氯離子滲透性能。在實際工程應用中，混凝土試塊的60 d齡期電通量平均值為823 C，滿足60 d電通量＜1 000 C的設計要求。

5 混凝土各項性能指標

5.1 混凝土物理熱學參數

計算混凝土物理熱學參數，線膨脹系數按照經驗取值，結果如表4所示。

混凝土特定齡期劈裂抗拉強度參考值見表5。

在Midas FEA軟件仿真計算中，對于普通硅酸鹽水泥，a取4.5，b取0.95，d取1.11。

通過以上計算所求得的各齡期抗拉強度值，根據混凝土配合比及抗壓強度數據進行修正得到C40海工大體積混凝土劈裂抗拉強度。

5.2 錨碇頂板大體積混凝土仿真計算

構件尺寸：錨碇頂板平面為直徑85～86 m的圓形，厚6.0～8.0 m。

約束條件：頂板混凝土下部受C20填芯混凝土約束，側面受冠梁及樁基約束。

分層分塊：頂板采用“十”字后澆，后澆帶寬為2.0 m，塊Ⅰ分4次澆筑成型，第2～4層澆筑厚度為2.0 m；塊Ⅱ分4次澆筑成型，澆筑厚度為2.0 m×4。根據結構對稱性原理，取頂板混凝土1/2進行溫度應力計算。

5.3 邊界條件

錨碇頂板大體積混凝土澆筑邊界條件如表6所示。

澆筑溫度：錨碇頂板均為低溫期施工，澆筑溫度按照施工期氣溫上限進行估算，針對模板和保溫層的影響，可使用放熱系數βs來等效對流換熱系數。混凝土通過保溫層對空氣進行散熱的等效散熱系數依據式（5）進行計算：

本工程的計算取風速為4 m/s，粗糙面放熱系數β=82.2 kJ/（m2·h·℃）。頂板側面為樁基、冠梁混凝土，不考慮散熱；后澆帶部位采用收口網模板施工，導熱系數λ=163.29 kJ/（m·h·℃），收口網模板外采用保溫層+防雨布，導熱系數為油毛氈導熱系數λ=0.167 kJ/（m·h·℃），求得模板系統βs=75 kJ/（m2·h·℃）。

5.4 溫控仿真模擬結果分析

5.4.1 溫度計算結果

在上述條件下，錨碇頂板大體積混凝土內部最高溫度及最大內表溫差計算結果見表7。

頂板混凝土內部最高溫度包絡圖見圖2。由圖2可知，混凝土中間位置溫度最高，表面溫度較低，溫度控制的核心為“外保內散”，即內部加強通水降溫、外部進行保溫養護。

5.4.2 應力計算結果

根據上述條件，錨碇頂板大體積混凝土特定齡期溫度應力計算結果見表8。由表8可以看出，錨碇頂板各齡期最小抗裂安全系數為1.47（≥1.4），頂板Ⅱ各齡期最小抗裂安全系數為1.64（≥1.4），均符合安全系數設計要求。

頂板Ⅰ與頂板Ⅱ各齡期應力場分布基本類似。從頂板Ⅱ大體積混凝土各齡期應力場分布可以看出，各澆筑層混凝土前期膨脹，集中于錨體上表層及側面，由內表溫差引起后期混凝土收縮，部分應力向構件內部轉移逐漸發展至穩定水平。

6 結語

（1）對于錨碇頂板C40海工大體積混凝土，采用“雙摻”配合比能有效提高混凝土的工作性、耐久性、力學性及混凝土的物理熱學參數。

（2）礦粉和粉煤灰的使用能減弱混凝土的電通量，可以改善單摻礦粉造成混凝土黏度過大及抓底現象，降低流動性大情況下的泌水率，提高混凝土的工作性能。用礦物摻合料置換部分水泥，減少水泥用量，降低混凝土水化熱量，能有效減少大體積混凝土開裂現象，同時也降低混凝土的成本。

（3）采用多組配合比進行對比試驗，選用不同礦物質摻合料，單摻及復摻得到最優配合比。因此，利用礦物摻合料成為本次大體積混凝土配合比研究的關鍵。

參考文獻：

［1］JTG/T 3310-2019，公路工程混凝土結構耐久性設計規范［S］.

［2］JTG/T 3650-2020，公路橋涵施工技術規范［S］.

［3］姚楚康，余青山，謝祥明.基于功效系數法的抗氯鹽泵送混凝土配合比優選［J］.人民珠江，2018，39（12）：97-102.

作者簡介：付發壯（1983—），工程師，研究方向：公路橋梁工程試驗檢測及質量管理。