C35桩基海工高性能混凝土配合比设计研究

王 猛

（广东交科检测有限公司，广东 广州 510426）

1 引言

在桥梁结构中，钢筋混凝土是其主要的组成部分，但其在实际建造时容易有损害出现［1～2］。混凝土结构若在有害介质的环境服役，会使其设计使用寿命受到较大影响。在我国沿海地区和内陆地区分布的混凝土有着不一样的破坏形式。对于沿海和内陆地区而言，其各自的主要破坏形式分别为氯盐侵蚀和钢筋锈蚀。沿海地区的桥梁混凝土因长期处于恶劣环境中，对其耐久性能而言，容易因不断受到氯盐的侵蚀作用而有所降低［3～6］。故对于沿海桥梁而言，混凝土的耐久性是其重点研究对象。

2 工程概况

牛田洋特大桥共分北岸公轨共建段、牛田洋大桥北引桥、牛田洋大桥主桥及牛田洋大桥南引桥26#～44#墩四部分，牛田洋特大桥0#～30#墩直线距离3908.2m，其中主桥为公轨两用钢桁梁斜拉桥，跨径布置为77.5m+166.1m+468m+166.1m+77.5m。全桥所用体系为采用半漂浮式。主塔以钻孔灌注桩作为桩基础。

3 配合比设计

3.1 设计要求

牛田洋大桥桩基配合比为C35海工混凝土，水泥采用硅酸盐Ⅱ型水泥，河砂采用MX为2.6-3.0符合Ⅱ区颗粒级配，碎石粒径为5-20mm且级配良好，矿渣粉采用S95矿渣粉，粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰，外加剂应该用品质稳定且与胶凝材料具有良好相容性的产品，基于工程经验，推荐采用聚羧酸类混凝土高效减水剂，最大水胶比为0.40，砼28d龄期氯离子扩散系数＜7.0（10-12m2s-1），28d龄期氯离子扩散系数＜3.0（10-12m2s-1），56d电通量＜1000C。

3.2 正交设计法

在混凝土的配合比设计过程中，正交设计相比于传统试验方法，其所需进行的试验次数较少，并能够取得性能较优的混凝土配合比。正交设计是通过正交表取得多因素的设计方法，能够从较多的试验组中选取出性能搭配最均衡和整齐的因素组合进行试验研究。正交试验设计仅需较少的试验次数，能够较大程度的减少人力物力水平的投入，并且能够以极差分析的方式取得试验结果与各个影响因素之间的主次关系，能够较大程度的提高试验准确性。

基于海工高性能混凝土水胶比较低以及耐久性要求较高的特点，结合牛田洋特大桥所处环境，本次试验采用改变其水胶比以及矿物掺合量的方式，通过正交设计方法，对C35海工高性能混凝土的性能进行分析，以确定其配合比。试验采用华润封开P.Ⅱ52.5水泥、厦门益材F类Ⅰ级粉煤灰、广东国鑫S95级矿渣粉、韩江砂场Ⅱ区河砂以、潮州汇富连续极配5-20mm粒径的碎石及江苏苏博特PCA-Ⅰ型聚羧酸高性能减水剂，43%的砂率、减水剂掺量为1.0%。通过配合比试验，取得C35海工高性能混凝土在不同影响因素下的初始坍落度以及耐久性能等。所得结果如表1所示。

表1 C35海工高性能混凝土性能试验结果

3.3 C35海工高性能混凝土坍落度分析

新拌混凝土流动性的优劣对其工作性能有较大影响。基于上表所得坍落度结果，对其开展正交极差分析，所得结果如图1所示。

图1 坍落度极差分析结果

从图中可以看出：坍落度极差分析结果为，粉煤灰掺量最小，而水胶比最大。即对于坍落度而言，水胶布为主要的影响因素。随着水胶比增加，C35海工高性能混凝土的坍落度也随之增加。相比于水胶比从0.36到0.39的变化，当水胶比从0.33变化到0.36时，其坍落度有着较大的上升幅度。粉煤灰掺量对其影响较小，但对于其坍落度而言，随着不断提高的粉煤灰掺量有随之上升的表现。矿渣粉的掺量与坍落度呈正比例关系，但两者的联系性较差，具体表现在矿渣粉的掺量在20%上升到25%时，坍落度的增加量仅表现出1mm。综上分析，确定出3号试验组的配合比有较好的混凝土坍落度。

4 C35海工高性能混凝土耐久性研究

4.1 氯离子扩散系数研究

图2 C35海工高性能混凝土28d氯离子扩散系数试验结果

图3 C35海工高性能混凝土84d氯离子扩散系数试验结果

由图2、图3可知，在28d氯离子扩散系数试验结果中，三种因素的极差大小均相同。在84d氯离子扩散系数试验结果中，三种因素的极差大小排序为：因素A＞因素C=因素B。即水胶比是主要的影响因素。

28d和84d的C35海工高性能混凝土的扩散系数均随着不断增加的水胶比而表现出先下降后上升的趋势。相比之下，当水胶比相同时，随着不断增加的养护龄期，C35海工高性能混凝土在84d时的氯离子扩散系数均有所减少。C35海工高性能混凝土在28d时的氯离子扩散系数随着不断增加的粉煤灰掺量而有线性降低的趋势，相比之下，84d氯离子扩散系数降低趋势更明显。28d氯离子扩散系数在15%的矿渣粉增加到25%时表现出先减少后趋于稳定的规律；而此时84d氯离子扩散系数则表现出整体下降的趋势。

从28d氯离子扩散系数试验结果可知，配合比较好的是A2B3C3；从84d氯离子扩散系数试验结果可知，配合比较好的是A2B3C3。

4.2 电通量试验

图4 28d电通量的因素水平变化趋势图

图5 84d电通量的因素水平变化趋势图

由图4、图5中可知，A因素有着最大的28d电通量极差，B因素最小，表明影响28d电通量的主要因素为水胶比，粉煤灰掺量的影响较小；A因素有着最大的84d电通量极差，C因素最小。表明水胶比是84d电通量的主要影响因素，综上可知，水胶比对于C35海工高性能混凝土的电通量有着最大的影响。

C35海工高性能混凝土的28d电通量随着不断增加的水胶比表现出先上升后降低的趋势；而84d电通量在0.33的水胶比上升到0.39之后，表现出先降低后上升的趋势。混凝土的28d电通量在20%粉煤灰掺量上升到30%时表现出整体降低的趋势，相对减少了19c和33c；与28d相比，当粉煤灰掺量一定时，提高养护龄期能够使其84d电通量有所减小；当矿渣粉掺量从15%上升到25%时，其28d电通量有所降低；随着矿渣粉掺量的不断提高，84d电通量表现出先减小后升高的规律，其电通量减少了22%，24.5%以及16%。

从28d电通量试验结果可知，其配合比较好的是A2B3C3；从84d电通量试验结果可知，其配合比较好的是A2B3C2。综上所述，A2B3C3是C35海工高性能混凝土中较好的配合比。但实际操作中，对于C35海工混凝土的使用性能而言，粉煤灰掺量对其影响较小，并且矿渣粉经济性较差，故在确保其强度以及耐久性的前提下，选择A2B2C3作为其配合比。如表2所示。

表2 C35海工高性能混凝土配合比

5 实际工程应用

依据表2所得混凝土配合比施工，所成型桩基试件28d、84d氯离子扩散系数及电通量符合设计要求，可在实体工程中指导施工，如下表所示。

表3 实际工程试验数据

6 结语

通过上述正交设计实验，可得出以下结论：

（1）C35海工高性能混凝土的坍落度随着三种影响因素掺量的增加而呈现出不断增加的趋势；

（2）C35海工高性能混凝土的氯离子扩散系数随着不断增加的水胶比而呈现先降低后上升的趋势；但其氯离子扩散系数在提高粉煤灰以及矿渣粉掺量时表现出不断降低的趋势。

（3）C35海工高性能混凝土的电通量随着不断增加的水胶比而呈现出现降低后上升的趋势；电通量在粉煤灰掺量提高时表现出不断减小的规律；在矿渣粉掺量上升时，C35海工高性能混凝土在28d时的电通量表现出有所降低的趋势，而在84d时的电通量则表现出先降低后上升的趋势。

（4）通过上述的分析可知，水胶比对C35高性能混凝土的电通量和氯离子扩散系数有着较大的影响。从钢筋混凝土结构被腐蚀的过程进行分析可知：当钢筋处于碱性环境下时，会有一层钝化膜出现在其表面，从而对其起到保护作用，但氯离子的存在使得该层氧化膜受到破坏，导致钢筋锈蚀反应加速。因此在确保强度以及耐久性均符合要求的前提下，应优选水胶比较好的A2B2C3作为配合比，并能确保经济合理性。