海工高性能混凝土配合比设计

林宏璋

广东交通集团检测中心 广东广州 510550

摘要：海洋工程处于恶劣的海洋环境，具有气温高、湿度大、海水含鹽度高的特点，受海水、海风、盐雾、潮汐、干湿循环等众多因素影响，工程主体的钢筋混凝土构件容易因氯离子侵蚀、化学介质侵蚀破坏等产生锈蚀，导致结构性能退化，危及结构的安全使用。为保证结构耐久性，使工程达到120年设计使用年限的要求，海工高性能混凝土使用常规材料、常规工艺，以较低水胶比、适当掺量活性掺合料和较严格的质量控制措施制作的具有高的抗氯离子渗透性、满足结构要求的较高强度、良好的工作性以及较高体积稳定性。

关键词：跨海大桥；高性能混凝土；配合比

1 高性能混凝土基本要求

1.1 耐久性

处于氯盐腐蚀环境的混凝土必须具有高的抗氯离子渗透性，高性能混凝土的重要特点是具有高抗氯离子渗透性和高抗渗性。

1.2 高工作性能

高性能混凝土具有良好的流变学性能，高流动性，不泌水，不离析，能在正常施工条件下保证混凝土结构的密实性和均匀性，对于钢筋密集的高大结构中能自留成型，从而保证该结构的密实性。

1.3 低热低收缩、抗裂性

混凝土构件尺寸越大，发生温度应力裂缝的可能性也越大。减少混凝土的水泥用量和降低混凝土的初始温度及使用低热水泥、减少混凝土温差等措施，很大程度可避免或减少混凝土的开裂，大大提高了混凝土的耐久性能。

1.4 强度

混凝土（抗压）强度是混凝土力学性能的考核指标和工程验收标准。

2 高性能混凝土对原材料的选择

高性能混凝土原材料主要采用常规的原材料，因此不能对配制高性能混凝土用原材料提出太多的苛刻的要求，而应根据实际情况，对原材料提出关键性的技术要求，才具有实际意义。

2.1 水泥

水泥；配制高性能海工耐久混凝土不得使用立窑水泥，应避免使用早强、水化热较高和高C3A含量的水泥；水泥中C3A含量宜控制在8%以内，水泥细度不宜超过380m2 /kg，游离氧化钙不宜超过1.5%。

海洋工程宜采用强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥质量应符合国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的规定，不宜采用矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和粉煤灰硅酸盐水泥。

水泥的氯离子含量应低于0.03%，碱含量应不大于0.60%。

水泥运到工地后应尽快使用，但温度高于50℃的水泥不宜直接拌和混凝土，宜冷却至50℃以下使用。水泥由于受潮或其它原因而发生质量变化时，应从场内运走，不得使用。

2.2 水

（1）一般要求

拌合用水易采用饮用水，当采用其它水源时，应符合《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）的要求，不得采用海水。

（2）水的化学方面要求

①水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质及油脂、糖类、游离酸类、碱、盐、有机物或其他有害物质。②不得采用污水、pH值小于5的酸性水；硫酸盐含量（按SO42-计）超过500mg/L的水和氯化物含量大于500mg/L水不得使用于本工程混凝土中。③混凝土结构不得用海水拌制混凝土。

2.3 骨料

骨料在混凝土中约占70%，是混凝土的主要组成部分。集料与掺合料 集料的选择应考虑其碱活性，防止碱集料反应造成的危害，集料的耐蚀性和吸水性，同时选择合理的级配，改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土密实度。

粗集料宜采用反击破工艺生产的坚硬碎石。需要采用粗石、细石混合使用的混合级配其紧密堆积空隙率不宜大于40%。

粗集料最大粒径应不超过结构物最小尺寸的1/4、钢筋最小净距的3/4和保护层厚度的2/3；当设置两层或多层钢筋时，不得超过钢筋最小净距的1/2；泵送混凝土的粗集料最大粒径不应超过输送管内径的1/3；水下灌注混凝土的粗集料最大粒径不得大于导管内径的1/6和钢筋最小净距的1/4。海工混凝土粗集料采用碎石，最大粒径不应超过25mm。

粗集料进场时控制级配、针片状颗粒含量、吸水率和密度，包括堆积密度和表观密度、含泥量、坚固性、压碎值指标、碱集料反应，有害物质含量等。

细集料应选用颗粒坚硬、强度高、耐风化的天然河砂，不得使用海砂、山砂、人工砂或风化严重的多孔砂。

泵送混凝土用砂宜选用细度模数为3.0～2.6的中粗砂，2.36mm筛孔的累计筛余宜不大于15%，0.3mm筛孔的累计筛余量宜在85～93%。

粗集料进场时控制细度模数、颗粒级配、含泥量、泥块含量、坚固性、氯离子含量、有害杂质含量和碱活性等。

2.4 外加剂

所采用的化学外加剂，必须是经过有关部门检验并附有检验合格证的产品，其质量应符合《混凝土外加剂》（GB/T 8076-1997）、《混凝土外加剂应用技术规范》（GB50119-2003）以及《聚羧酸系高性能减水剂》（JG/T223-2007）的规定，使用前应复验其效果，使用时应符合产品说明、及本规范关于混凝土配合比、拌制、浇筑等各项规定。

2.5 矿物质掺合料

粉煤灰质量应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）和《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T 18736-2002）的I级粉煤灰规定。同时海工混凝土应控制粉煤灰的氯离子含量不宜大于0.02%

磨细高炉粒化矿渣粉（矿粉）进场检验，应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046-2008）中的S95以上规定。大体积海工混凝土宜采用比表面积控制在400～440 m2/kg范围S95级矿粉，氯离子含量不宜大于0.02%，烧失量不大于1%。

3 海工高性能混凝土配合比

3.1 配合比设计基本规定

3.1.1 在满足混凝土单位体积胶凝材料最低用量要求的前提下，尽可能降低硅酸盐水泥用量，使用大掺量优质粉煤灰、磨细矿粉等矿物掺合料，以降低混凝土水化热温升和提高混凝土抗氯离子渗透性。

3.1.2 配制海工高性能混凝土，宜采用混掺矿物掺合料的胶凝材料体系，混掺矿物掺合料的总量不宜低于胶凝材料总量的45%，不宜超过胶凝材料总量的70%。混掺矿物掺合料的胶凝材料体系掺合料的适宜掺量如下表1所示。

表1 混掺矿物掺合料体系掺合料的适宜掺量

矿物掺合料种类 磨细粒化高炉矿渣 粉煤灰 硅灰

占胶凝材料质量百分比/% ≤45 ≤30 ≤5

3.1.3 在满足混凝土强度、工作性、耐久性要求的前提下，最大限度地减少胶凝材料用量及浆体率，提高混凝土体积稳定性。

3.1.4 对于大体积混凝土宜选用具有缓凝效果的高效减水剂，以推迟和削减水化热温峰。

3.1.5 通过使用级配、粒形良好的集料来降低混凝土中浆体比率、提高混凝土的体积稳定性，通过掺入大量矿物掺合料来降低混凝土水化热温升、提高混凝土的抗渗性能，通过掺入与胶凝材料匹配的优质高效减水剂来降低混凝土升温速率及混凝土中的拌合用水量，通过适量的引气来提高混凝土的体积稳定性、降低混凝土的粘性，提高混凝土的施工性。

3.1.6 混凝土抗氯离子渗透性采用非稳态氯离子快速迁移法（NT Build492）来评定。分别检测28d、56d及混凝土抗氯离子渗透性，掌握抗氯离子渗透性的发展规律，便于现场施工控制使用，其中以28d抗氯离子渗透性指标作为质量控制标准，以56d抗氯离子渗透性指标作为质量评定依据，预制混凝土构件宜以56d抗氯离子渗透性指标作为评定依据。

3.2 海工高性能混凝土常用标号及主要设计指标表2

表2 海工高性能混凝土常用标号及主要设计指标

序号 混凝土标号 最大

水胶比 施 工 和 易 性（mm） Cl-扩散系数m2/s 抗渗等级 试配强度

塌落度 扩展度 28d 56d

1 C35 0.42 200±20 500±50 7.0×10-12 5.0×10-12 / 43.2

2 C40 0.40 200±20 500±50 7.0×10-12 4.5×10-12 / 48.2

3 C45 0.38 200±20 / 6.5×10-12 4.5×10-12 P12 54.0

4 C50 0.36 180±20 / 6.5×10-12 4.5×10-12 / 60.0

5 C55 0.36 180±20 / 6.0×10-12 4.0×10-12 / 69.9

66 C60 0.36 180±20 / 6.0×10-12 4.0×10-12 / 69.9

3.3 海工高性能施工配合比試验研究

3.3.1 原材料选择简述

（1）水泥：华润水泥华润水泥（平南）有限公司生产P·Ⅱ 42.5水泥，比表面积360m2/kg，28d抗压强度49.6MPa，CaO含量62.41%，MgO含量2.2 %，三氧化硫SO3含量2.4 %。

（2）粉煤灰：江苏镇江谏壁电厂生产的苏源牌Ⅰ级粉煤灰，细度 8.0%，烧失量 1.5%，需水量比94%，三氧化硫（SO3）含量 0.6%。

（3）矿粉：唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司生产S95级矿渣粉，比表面积430m2/kg，流动度比104，烧失量0.11%，三氧化硫含量0.03%，28d活性指数104%。

（4）碎石：新会白水带石场，5～10mm，10～20mm（或10～25mm）碎石两种粒径进行掺配，配制成5～20mm（或5～25mm）的连续级配，表观密度2.69g/cm3，压碎指标4%，含泥量0.2%，针片状颗粒含量2%，坚固性2%，硫化物及硫酸盐含量0.2%，无潜在碱-硅酸反应危害，C35桩基配合比可采用5～25mm连续级配碎石，承台、墩、箱梁、沉管可采用5～20mm连续级配碎石。

（5）砂：产地西江，2区中砂，细度模数3.0，表观密度2.61 g/cm3，堆积密度1.57 g/cm3，含泥量0.8%，2.36mm筛孔的累计筛余15%，0.3mm筛孔的累计筛余93%。

（6）外加剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA-I聚羧酸高性能减水剂（缓凝型），减水率31%，28d抗压强度134%。

（7）水：饮用自来水。

3.3.2各强度等级混凝土配合比设计见表3

表3 混凝土配合比设计

试验

编号 水胶比 砂率 试 配 混 凝 土 材 料 用 量（kg/m3） 坍落度（mm） 拌合料工作性能描述

水 水泥 粉煤灰 矿渣粉 胶材 碎石 砂 外加剂

T35 0.35 44 145 207 124 83 414 1000 786 4.14 210 保水性、粘聚性良好，流动性适中

T40 0.35 45 150 210 132 88 420 1020 805 4.40 220 保水性、粘聚性良好，流动性适中

T45 0.34 43 143 189 105 126 420 1024 780 4.20 180 保水性、粘聚性良好，流动性适中

T50 0.32 41 141 220 110 110 440 1065 771 4.40 185 保水性、粘聚性良好，流动性适中

T55 0.30 41 141 282 70 118 470 1076 748 4.70 220 保水性、粘聚性良好，流动性适中

T60 0.30 40 146 326 88 73 487 1063 709 5.36 220 保水性、粘聚性良好，流动性适中

3.3.3混凝土各项性能试验结果汇总见表4

表4 配合比性能试验结果

试验编号 水胶比 7d抗压强度（MPa） 28d抗压强度（MPa） 抗渗等级 塌落度 （mm） 扩展度（mm） 含气量（%） 28dCl-扩散系数（m2/s） 56dCl-扩散系数（m2/s） 粘聚性 保水性

T35 0.35 36.0 45.4 >P12 210 505 2.7 5.9×10-12 3.2×10-12 良好 良好

T40 0.35 36.0 51.9 >P12 220 500 2.8 6.0×10-12 3.0×10-12 良好 良好

T45 0.34 44.5 54.2 >P12 180 490 2.9 4.1×10-12 2.9×10-12 良好 良好

T50 0.32 44.6 60.7 >P12 185 490 2.8 3.4×10-12 2.2×10-12 良好 良好

T55 0.30 56.9 65.3 >P12 220 505 2.8 2.6×10-12 1.9×10-12 良好 良好

T60 0.30 60.9 72.6 >P12 220 510 3.0 4.9×10-12 2.9×10-12 良好 良好

4 海工混凝土配合比在工程施工上的應用

各配合比在港珠澳大桥主体工程桥梁工程CB05标和岛隧工程桩基、沉管、箱梁、桥面板等部分构件施工使用。在混凝土施工过程中，混凝土的和易性好，施工快捷，而且混凝土的凝聚性和流动性特别好。在控制好混凝土的入模温度，严格按照施工技术规范要求进行施工，做好夏季施工温控措施，混凝土养护及时到位，降低了大体积混凝土开裂的几率，使混凝土外观美观平整，色泽均匀一致。

在海工混凝土各工程实体浇筑过程中，按规定现场取样、成型和养护，并按规范要求，完成了海工混凝土抗压强度和氯离子渗透性试验，以质量评定标准的要求，进行海工混凝土质量评定，海工混凝土的强度和氯离子渗透指标均高标准地满足了港珠澳大桥混凝土耐久性质量技术规程及验收标准的要求。其技术指标统计见表5

表5 混凝土技术指标汇总表

指标

使用部位 设计强度等级 28d抗压强度/MPa 56dCl-扩散系数（m2/s） 抗渗等级 评定

试验

组数 平均值 标准差 试验

组数 平均值 设计值 试验

组数 平均值

桩基 C35 12 45.1 2.6 8 3.1×10-12 5.0×10-12 / / 良好

桩基 C40 10 52.8 3.1 5 2.6×10-12 4.5×10-12 / / 良好

沉管 C45 10 56.9 2.9 10 2.8×10-12 4.5×10-12 3 >P12 良好

墩 C50 12 63.5 2.6 8 2.6×10-12 4.5×10-12 / / 良好

箱梁 C55 10 67.1 2.5 8 2.0×10-12 4.0×10-12 / / 良好

桥面板 C60 24 71.9 2.3 13 2.5×10-12 4.0×10-12 / / 良好

5 结束语

5.1 对相同的混凝土配合比，不同的原材料及其参量对混凝土的强度、工作性能等有较大的影响，外加剂的影响尤为突出。

5.2 高性能混凝土的设计应遵循选用高效减水剂、掺入活性掺和料、优化配合比参数等基本原则。通过降低水胶比、强化水泥石与集料的界面、改善水泥水化产物、降低孔隙比、提高密实度来实现高耐久、高强度、高性能。

5.3 高性能混凝土的配合比设计，应根据不同的应用环境和工艺来设计并优化得到。

参考文献：

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[4]李书惠，林江辉.高性能外加剂在海工混凝土中的应用与研究[J].建筑材料，2006