高性能海工混凝土在冰冻海洋环境中的应用

高性能海工混凝土在冰冻海洋环境中的应用

摘要随着我国跨海大桥建设迅猛发展，对钢筋混凝土结构物的耐久性提出了越来越高的要求。通过对青岛海湾大桥混凝土结构物破坏机理的分析、原材料的选择以及实践应用中经验进行了阐述。

关键词高性能海工混凝土原材料选择应用启示

一、工程概述

青岛海湾大桥位于胶州湾北部，是“青（岛）－兰（州）”高速公路的起点段。大桥全长36.48km。大桥所处海域冰冻时间较长，海水含盐量高，为保证结构寿命，全桥结构物采用高性能海工混凝土。

二、影响混凝土耐久性的因素

在海洋环境下，混凝土结构物的破坏因素主要有：冻融循环、盐类的侵蚀、钢筋的锈蚀、以及冲击磨损的机械破坏作用等。最主要的破坏原因是海水中的氯离子引起的钢筋锈蚀破坏和冻融循环引起的混凝土裂化。

三、材料选择与试验分析

所谓的高性能海工混凝土是采用优质的矿物掺合料和高效减水剂复合，并与之相适应的水泥和级配良好的粗、细骨料形成低水胶比、低缺陷、高耐久的混凝土材料。要设计合格的高性能海工混凝土，首先各种原材必须达到相应指标的要求。

根据以往跨海大桥经验和青岛海湾大桥具体情况分析，在对混凝土原材料指标进行试验和筛选，最终确定了以下指标和要求：

1.集料

对精集料的要求为：粗集料抗冻性必须满足混凝土抗冻融循环的要求、连续级配，空隙率不大于45%、含泥量不大于0.5%，过大会影响减水剂的掺量，针片状含量低。

细集料砂子的细度模数基本都在2.75左右，且浮动比较小，含泥量不大于2%。

2.胶凝材料

⑴烧失量

烧失量指标的大小从另一个角度反映了燃烧完全的程度和含碳量的多少。含碳量高的粉煤灰烧失量大，需水量也大，对混凝土的工作性、强度、耐久性和外加剂等都有不利影响。为此，高性能海工混凝土把矿粉和粉煤灰烧失量严格控制在的5%和8%以内，减小了因烧失量过大对混凝土工作性、强度、耐久性的不利影响。

⑵需水量比

要减小混凝土干缩，就要降低水胶比。胶凝材料中矿粉和粉煤灰的需水量比越小，用水量就会越小，就能使干缩现象降到最低限度。为了减小干缩，掺合料中矿粉和粉煤灰的需水量比分别控制在 100%和95%以内。

⑶比表面积

试验发现矿粉和粉煤灰比表面积不仅与早期的水化放热有关，还与混凝土的保水性有很大关系。比表面积越大，需水量比就大，活性指数就越高，早期水化反应速度就快，放热亦快，导致混凝土水化热峰值就越高，不利于大体积结构物的温控，但保水效果好，不易泌水。比表面积越小，虽水化放热较慢，但保水效果不好，易泌水。由于规范对矿物掺合料只规定了比表面积下限值，为了避免这些不利因素，对矿物掺合料的比表面积上限也进行了控制：如矿粉比表面积控制在360-480m2/kg；粉煤灰控制在450-600 m2/kg。表1为胶凝材料中几项指标的实测值与控制值。

表1胶凝材料中几项指标的实测值与控制值

胶凝

材料 烧失量（%） 需水量比（%） 比表面积（m2/kg） 28d活性指数

实测值 控制值 实测值 控制值 实测值 控制值 实测值 控制值

水泥 2.3 ≤3.5 / / 390 350-450 / /

矿粉 1.2 ≤3.0 97 ≤100 450 360-480 ≥75

粉煤灰 2.9 ≤5.0 92 ≤95 550 450-600 78 ≥60

3.外加剂

⑴减水剂

选择具有高效减水和具有引气作用的减水剂，能有效降低水胶比，满足工作

性要求，更有利于提高混凝土强度和耐久性。减水率大于25%，引气量不大于4%，但应满足气泡间距系数要求。

⑵阻锈剂

阻锈剂能有效降低钢筋腐蚀损失，延长结构物使用寿命。选择能与减水剂相互溶，在保证一定掺量的情况下，选择混凝土的坍落度、扩展度、初、终凝时间及抗渗性均能满足设计要求的减水剂。

⑶引气剂

混凝土受冻融破坏的主要原因是混凝土内部的水结冰时要产生体积膨胀。为获的良好的耐久性，经多次试验发现混凝土含气量控制在5%时，能较好的满足混凝土抗冻与强度等指标要求。

4.水

对高性能海工混凝土拌和用水为吸用水，水中的氯离子含量不大于200mg/L；硫酸盐含量按SO42-计不大于500mg/L。

四、工程实践中的一些启示

在工程实践中我们发现：掺有粉煤灰的混凝土早期强度较低，且增长缓慢，掺有矿粉的次之，说明矿物掺合料对混凝土早期强度有一定的影响。但后期强度增长幅度却比没有掺和料的普通混凝土要大。现行规范28天的强度评定标准只适合普通混凝土，建议适当延长高性能海工混凝土的强度评定时间。

同时也发现复合掺量的混凝土电通量和氯离子抗渗性能都优于普通混凝土和单掺量混凝土，掺加矿粉的混凝土比没有掺加矿粉的混凝土氯离子抗渗系数小，但掺加矿粉过量，混凝土就会出现泌水，且比较粘，工作性差，甚至工后出现干缩和裂缝，这种现象在夏季较明显。这是因为矿粉的比表面积比水泥大，表面吸附的水量多，在搅拌、运输、振捣过程中容易析出多余水份。

单掺粉煤灰的混凝土工作性、保水性好，不易泌水，但掺加过量，在施工振捣后易出现浮浆，降低结构物表面强度。

粗集料的石质也很重要，通过试验和工程实践发现：在其他原材不变的情况下，28天的玄武岩石质电通量几乎都达到1500库仑以上，石灰岩石质28天的电通量基本都在1000库仑以内，明显小于玄武岩石质。通过对混凝土抗压强度检测过的破坏面进行观察发现，玄武岩混凝土破坏面几乎都发生在粗集料与胶凝材料的结合面，粗集料几乎没有被破坏，而石灰岩混凝土破坏面的粗集料几乎都受到破坏。虽然两种集料的混凝土都能达到设计需要的抗压强度，但反映出石灰岩比玄武岩更适合与胶凝材料相结合,提高了混凝土的抗渗性。

综上所述：矿粉的掺入有利于改善高性能海工混凝土的微结构，提高抗渗性能，但工作性不好。而粉煤灰虽对氯离子抗渗性能提高不大，但有利于混凝土的工作性，满足了远距离和高空混凝土的泵送要求，还提高了混凝土结构物的外观质量，同时石质也是提高混凝土耐久性能的关键。

五、高性能海工混凝土配合比的设计与应用

根据以上对组成高性能海工混凝土原材料的试验与分析，并对混凝土的配合比进行了设计。

表2各部位配合比设计(单位：Kg)

部位 标号 碎石 砂 水泥 矿粉 粉煤灰 减水剂 引气剂 水

桩基 C35 977 755 188 1 94 4.95 / 153

承台 C35 1000 755 1 159 103 4.96 0.0045 152

墩身 C40 1010 747 225 158 96 5.27 0.0048 156

塔柱 C50 1049 760 272 163 60 5.20 0.0247 150

各项试验数据显示，该配合比混凝土的胶凝材料用量、强度、电通量、抗氯离子渗透、冻融循环等各项指标完全满足规范的要求。通过施工过程抽检，混凝土的强度、电通量、氯离子抗渗系数、冻融循环都在设计的范围之内。但同时也发现，由于北方冬季低于0℃的天气较多，集料的温度也较低，为了保证混凝土质量，不影响施工进度，可以适当将水加热到一定温度，水温易控制在以混凝土入模7-11℃时的温度为宜。

六、结束语

高性能海工混凝土是一个不断探索、不断完善的过程。本文从选材出发，并对胶凝材料的重要性进行了论述，并结合我国北方自然环境和工程实践，对高性能海工混凝土的抗冻性、含气量、强度三者之间的关系进行了论述，不当之处，请同行们评批指正。

参考文献

[1]《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000人民交通出版社

[2]《青岛海湾大桥土建工程施工招标文件》 青岛海湾大桥指挥部 2007

[3]《高强高性能海工混凝土矿物外加剂》 GB/T18736-2002

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。