海洋环境水下抗冻融混凝土配合比设计与应用*

李 强，田国选，高 阳，王立新，宫义伟，张艳宁

(北京建工新型建材有限责任公司，北京 100015)

0 引言

水工(运)工程特点是规模大、施工条件差、受海洋环境影响大。海水中富含多种盐类离子，其中氯离子与水泥发生铝酸盐反应，破坏钝化膜、腐蚀、催化、导电是海工混凝土破坏的主要原因[1]。抗渗性、抗氯离子渗透性和抗冻性一直是影响沿海地区混凝土结构耐久性的关键因素。在混凝土中掺入高效减水剂、引气剂可降低水灰比，改善混凝土耐久性。引气剂对混凝土强度的影响较大，均匀分布的小气泡可降低混凝土弹性模量，减小冰冻压力，隔断渗水通道，缩短水在冻结过程中的迁移距离[2]，进而提高混凝土抗冻性。掺入矿粉、粉煤灰等矿物掺合料，可发挥材料粒径效应、微集料效应和强度效应，进一步改善混凝土和易性、易密性和孔隙结构，提高混凝土耐久性。

1 工程概况

首钢京唐二期通用散杂货泊位工程位于曹妃甸规划挖入式内港池东岸线，钢铁厂西侧，是京津冀协同发展战略重点工程。码头采用新型深水遮帘桩式板桩结构，如图1所示。本工程处于四面环海环境中，周边空气中富含氯离子，环境类别为Ⅲ[3]，环境作用等级为E。

图1 码头结构示意

2 施工重难点

1)曹妃甸港区按气候分区属寒冷地区，水位变动区为-0.470～1.910m[4]，地下连续墙顶高程为0.400m，墙顶部分混凝土在水位变动区内，少部分混凝土处在微冻区，需考虑抗冻，故设计规定高程为-1.000～0.400m地下连续墙混凝土等级为C35F300。水下区温度和湿度相对稳定，但海水中的硫酸盐和镁离子会对混凝土造成化学侵蚀[5]。本工程水下混凝土耐久性要求高，耐久性指数≥70%，氯离子扩散系数<6×10-12m2/s。

2)水下施工难度大，混凝土拌合物下落时易受环境水冲洗、稀释，造成混凝土各组分分离，水泥浆流失，混凝土强度降低。因连续施工，需避免断桩、堵管。对混凝土抗水冲分离能力、黏聚性、初凝时间的要求较普通混凝土高。

3 混凝土原材料

鉴于本工程所处的海洋环境，-1.000m标高以上部分及胸墙结构混凝土需考虑防腐阻锈功能及其在水中的抗冻性，混凝土中水溶性氯离子含量不应超过胶凝材料质量的0.1%[6]，施工配制强度较设计强度标准值提高40%～50%，减小水下强度损失[7]。大量掺加优质活性矿物掺合料，改善混凝土内部结构，提高抗化学侵蚀能力，增加混凝土后期强度。在混凝土中掺加阻锈剂，稳定混凝土中钢筋的钝化膜，延缓钢筋锈蚀。掺加引气剂，提高混凝土抗冻性。

3.1 水泥

根据CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》规定，配制耐久性混凝土时应选用质量稳定、低水化热和低碱含量的水泥。本工程采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，铝酸三钙含量6%～10%，碱含量0.55%，标准稠度用水量27.6%，初凝时间243min，终凝时间325min，3d水化热287kJ/m3，7d水化热339kJ/m3，3d抗折强度4.6MPa，28d抗折强度7.1MPa，3d抗压强度24.5MPa，28d抗压强度50.6MPa。

3.2 矿物掺合料

1)高炉矿渣粉 本工程选用S95级高炉矿渣粉，比表面积424m2/kg，流动度比99%，7d活性指数82%，28d活性指数100%。

2)粉煤灰 本工程选用F类Ⅰ级粉煤灰，细度9.0%，烧失量2.4%，需水量比95%。

3.3 骨料

1)细骨料 本工程选用天然河砂，细度模数为2.6，含泥量为1.5%，泥块含量为0.2%，堆积密度为1 530kg/m3，表观密度为2 590kg/m3，级配情况如表1所示。

表1 河砂级配

2)粗骨料 本工程选用5～25mm连续级配碎石，压碎指标4.3%，针片状含量1.0%。

3.4 外加剂

NST防腐阻锈型高性能混凝土防水剂同时具有减水、引气、保塑及防腐蚀功能，适合于海洋冻融环境工程中，对混凝土结构自防水和阻锈具有显著功效。本工程选用的防水剂减水率为28%，pH值为8.2，含固量为35.0%，对钢筋无锈蚀作用。引气剂含气量为5.5%，pH值为6.3，氯离子含量为0.086%，含固量为33.7%，对钢筋无锈蚀作用。

4 混凝土配合比设计

根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》及JTS 202—2011《水运工程混凝土施工规范》的规定，综合考虑水下混凝土工作性能、力学性能等要求，计算得到C35F300水下混凝土基准配合比。通过优化原材料、调整胶凝材料用量及砂率等，经过反复试配验证，最终得到C35F300水下混凝土配合比为：水泥∶矿粉∶粉煤灰∶砂∶石∶防水剂∶引气剂∶水=340∶73∶95∶681∶954∶20.32∶0.06∶157(kg/m3)。

表2 C35F300水下混凝土性能

5 混凝土关键性能试验

本工程基桩、地下连续墙长期处于海水环境中，氯离子易渗入混凝土，水位变动区结构易受冻融、温湿度梯度变化影响导致破坏[8]。因此采用氯离子测定仪、动弹性模量测定仪、冻融机对混凝土抗冻性、抗氯离子渗透性等进行测试，结果如表2所示。

6 混凝土生产、施工质量控制

1)水下混凝土配制强度高、水胶比低，抗冻融要求高，引气剂对混凝土强度的影响较大，需精确计量引气剂。由于曹妃甸地区早晚温差大，需及时调整减水剂掺量、用水量和砂率，以保证混凝土初凝时间稳定。水下混凝土对原材料质量的要求较高，需增加对进场原材料的检测频次。由于水下混凝土胶凝材料用量相对较高，混凝土黏度较大，需适当延长混凝土搅拌时间(≥90s)。

2)水下混凝土需连续浇筑，防止由于混凝土初凝引起的断桩。同时，混凝土浇筑速度不宜过快，否则导管易被埋在混凝土里，进而产生钢筋上浮等现象[9]。

3)混凝土拌合物运至施工现场后应尽快浇筑，水下混凝土需保证初凝时间不早于全部混凝土灌注完成时间[10]。混凝土搅拌站安排技术人员随车到达现场，随时关注到场混凝土质量，保证混凝土连续浇筑，如出现离析或坍落度损失过快的情况，应禁止浇筑，避免堵管。

7 工程应用

将按本研究配合比配制的C35F300水下混凝土应用于首钢京唐二期通用散杂货泊位工程中，达到良好的应用效果，其中混凝土坍落度为220mm，扩展度为650mm，1h后坍落度为200mm，含气量为5.6%，28d氯离子扩散系数为2.37×10-12m2/s，28d抗压强度为44.1MPa，冻融循环300次后质量损失率为4.1%，可知混凝土工作性能优异，相关指标满足规范要求。

8 结语

1)对C35F300水下混凝土原材料进行优选，选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥提高富余系数，保证品质稳定性。选用优质河砂、碎石，利用优质骨料粒型提高混凝土内部界面过渡区结构强度。将混凝土试配强度提高56%，减少水下施工时的强度损失，实际施工后(标准养护28d)的强度保证率可达126%。

2)通过掺加防腐阻锈型高性能防水剂、复配适量引气剂，提高混凝土拌合物和易性，改善混凝土抗冻性。同时，利用掺入的优质粉煤灰等活性矿物材料粒径效应、微集料效应，进一步改善混凝土孔隙结构、密实度、强度、耐久性等。

3)精心组织施工，重点控制混凝土浇筑速度，保证连续施工，以有效预防由于混凝土初凝引起的断桩、钢筋上浮、埋管等现象。