海洋環(huán)境水下抗凍融混凝土配合比設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

李 強(qiáng)，田國選，高 陽，王立新，宮義偉，張艷寧

(北京建工新型建材有限責(zé)任公司，北京 100015)

0 引言

水工(運(yùn))工程特點(diǎn)是規(guī)模大、施工條件差、受海洋環(huán)境影響大。海水中富含多種鹽類離子，其中氯離子與水泥發(fā)生鋁酸鹽反應(yīng)，破壞鈍化膜、腐蝕、催化、導(dǎo)電是海工混凝土破壞的主要原因[1]?？?jié)B性、抗氯離子滲透性和抗凍性一直是影響沿海地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵因素。在混凝土中摻入高效減水劑、引氣劑可降低水灰比，改善混凝土耐久性。引氣劑對混凝土強(qiáng)度的影響較大，均勻分布的小氣泡可降低混凝土彈性模量，減小冰凍壓力，隔斷滲水通道，縮短水在凍結(jié)過程中的遷移距離[2]，進(jìn)而提高混凝土抗凍性。摻入礦粉、粉煤灰等礦物摻合料，可發(fā)揮材料粒徑效應(yīng)、微集料效應(yīng)和強(qiáng)度效應(yīng)，進(jìn)一步改善混凝土和易性、易密性和孔隙結(jié)構(gòu)，提高混凝土耐久性。

1 工程概況

首鋼京唐二期通用散雜貨泊位工程位于曹妃甸規(guī)劃挖入式內(nèi)港池東岸線，鋼鐵廠西側(cè)，是京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略重點(diǎn)工程。碼頭采用新型深水遮簾樁式板樁結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本工程處于四面環(huán)海環(huán)境中，周邊空氣中富含氯離子，環(huán)境類別為Ⅲ[3]，環(huán)境作用等級為E。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)示意

2 施工重難點(diǎn)

1)曹妃甸港區(qū)按氣候分區(qū)屬寒冷地區(qū)，水位變動區(qū)為-0.470～1.910m[4]，地下連續(xù)墻頂高程為0.400m，墻頂部分混凝土在水位變動區(qū)內(nèi)，少部分混凝土處在微凍區(qū)，需考慮抗凍，故設(shè)計(jì)規(guī)定高程為-1.000～0.400m地下連續(xù)墻混凝土等級為C35F300。水下區(qū)溫度和濕度相對穩(wěn)定，但海水中的硫酸鹽和鎂離子會對混凝土造成化學(xué)侵蝕[5]。本工程水下混凝土耐久性要求高，耐久性指數(shù)≥70%，氯離子擴(kuò)散系數(shù)<6×10-12m2/s。

2)水下施工難度大，混凝土拌合物下落時(shí)易受環(huán)境水沖洗、稀釋，造成混凝土各組分分離，水泥漿流失，混凝土強(qiáng)度降低。因連續(xù)施工，需避免斷樁、堵管。對混凝土抗水沖分離能力、黏聚性、初凝時(shí)間的要求較普通混凝土高。

3 混凝土原材料

鑒于本工程所處的海洋環(huán)境，-1.000m標(biāo)高以上部分及胸墻結(jié)構(gòu)混凝土需考慮防腐阻銹功能及其在水中的抗凍性，混凝土中水溶性氯離子含量不應(yīng)超過膠凝材料質(zhì)量的0.1%[6]，施工配制強(qiáng)度較設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值提高40%～50%，減小水下強(qiáng)度損失[7]。大量摻加優(yōu)質(zhì)活性礦物摻合料，改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高抗化學(xué)侵蝕能力，增加混凝土后期強(qiáng)度。在混凝土中摻加阻銹劑，穩(wěn)定混凝土中鋼筋的鈍化膜，延緩鋼筋銹蝕。摻加引氣劑，提高混凝土抗凍性。

3.1 水泥

根據(jù)CCES 01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》規(guī)定，配制耐久性混凝土?xí)r應(yīng)選用質(zhì)量穩(wěn)定、低水化熱和低堿含量的水泥。本工程采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，鋁酸三鈣含量6%～10%，堿含量0.55%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.6%，初凝時(shí)間243min，終凝時(shí)間325min，3d水化熱287kJ/m3，7d水化熱339kJ/m3，3d抗折強(qiáng)度4.6MPa，28d抗折強(qiáng)度7.1MPa，3d抗壓強(qiáng)度24.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度50.6MPa。

3.2 礦物摻合料

1)高爐礦渣粉 本工程選用S95級高爐礦渣粉，比表面積424m2/kg，流動度比99%，7d活性指數(shù)82%，28d活性指數(shù)100%。

2)粉煤灰 本工程選用F類Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度9.0%，燒失量2.4%，需水量比95%。

3.3 骨料

1)細(xì)骨料 本工程選用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6，含泥量為1.5%，泥塊含量為0.2%，堆積密度為1 530kg/m3，表觀密度為2 590kg/m3，級配情況如表1所示。

表1 河砂級配

2)粗骨料 本工程選用5～25mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標(biāo)4.3%，針片狀含量1.0%。

3.4 外加劑

NST防腐阻銹型高性能混凝土防水劑同時(shí)具有減水、引氣、保塑及防腐蝕功能，適合于海洋凍融環(huán)境工程中，對混凝土結(jié)構(gòu)自防水和阻銹具有顯著功效。本工程選用的防水劑減水率為28%，pH值為8.2，含固量為35.0%，對鋼筋無銹蝕作用。引氣劑含氣量為5.5%，pH值為6.3，氯離子含量為0.086%，含固量為33.7%，對鋼筋無銹蝕作用。

4 混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及JTS 202—2011《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》的規(guī)定，綜合考慮水下混凝土工作性能、力學(xué)性能等要求，計(jì)算得到C35F300水下混凝土基準(zhǔn)配合比。通過優(yōu)化原材料、調(diào)整膠凝材料用量及砂率等，經(jīng)過反復(fù)試配驗(yàn)證，最終得到C35F300水下混凝土配合比為：水泥∶礦粉∶粉煤灰∶砂∶石∶防水劑∶引氣劑∶水=340∶73∶95∶681∶954∶20.32∶0.06∶157(kg/m3)。

表2 C35F300水下混凝土性能

5 混凝土關(guān)鍵性能試驗(yàn)

本工程基樁、地下連續(xù)墻長期處于海水環(huán)境中，氯離子易滲入混凝土，水位變動區(qū)結(jié)構(gòu)易受凍融、溫濕度梯度變化影響導(dǎo)致破壞[8]。因此采用氯離子測定儀、動彈性模量測定儀、凍融機(jī)對混凝土抗凍性、抗氯離子滲透性等進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

6 混凝土生產(chǎn)、施工質(zhì)量控制

1)水下混凝土配制強(qiáng)度高、水膠比低，抗凍融要求高，引氣劑對混凝土強(qiáng)度的影響較大，需精確計(jì)量引氣劑。由于曹妃甸地區(qū)早晚溫差大，需及時(shí)調(diào)整減水劑摻量、用水量和砂率，以保證混凝土初凝時(shí)間穩(wěn)定。水下混凝土對原材料質(zhì)量的要求較高，需增加對進(jìn)場原材料的檢測頻次。由于水下混凝土膠凝材料用量相對較高，混凝土黏度較大，需適當(dāng)延長混凝土攪拌時(shí)間(≥90s)。

2)水下混凝土需連續(xù)澆筑，防止由于混凝土初凝引起的斷樁。同時(shí)，混凝土澆筑速度不宜過快，否則導(dǎo)管易被埋在混凝土里，進(jìn)而產(chǎn)生鋼筋上浮等現(xiàn)象[9]。

3)混凝土拌合物運(yùn)至施工現(xiàn)場后應(yīng)盡快澆筑，水下混凝土需保證初凝時(shí)間不早于全部混凝土灌注完成時(shí)間[10]?；炷翑嚢枵景才偶夹g(shù)人員隨車到達(dá)現(xiàn)場，隨時(shí)關(guān)注到場混凝土質(zhì)量，保證混凝土連續(xù)澆筑，如出現(xiàn)離析或坍落度損失過快的情況，應(yīng)禁止?jié)仓?，避免堵管?/p>

7 工程應(yīng)用

將按本研究配合比配制的C35F300水下混凝土應(yīng)用于首鋼京唐二期通用散雜貨泊位工程中，達(dá)到良好的應(yīng)用效果，其中混凝土坍落度為220mm，擴(kuò)展度為650mm，1h后坍落度為200mm，含氣量為5.6%，28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)為2.37×10-12m2/s，28d抗壓強(qiáng)度為44.1MPa，凍融循環(huán)300次后質(zhì)量損失率為4.1%，可知混凝土工作性能優(yōu)異，相關(guān)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

8 結(jié)語

1)對C35F300水下混凝土原材料進(jìn)行優(yōu)選，選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥提高富余系數(shù)，保證品質(zhì)穩(wěn)定性。選用優(yōu)質(zhì)河砂、碎石，利用優(yōu)質(zhì)骨料粒型提高混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。將混凝土試配強(qiáng)度提高56%，減少水下施工時(shí)的強(qiáng)度損失，實(shí)際施工后(標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d)的強(qiáng)度保證率可達(dá)126%。

2)通過摻加防腐阻銹型高性能防水劑、復(fù)配適量引氣劑，提高混凝土拌合物和易性，改善混凝土抗凍性。同時(shí)，利用摻入的優(yōu)質(zhì)粉煤灰等活性礦物材料粒徑效應(yīng)、微集料效應(yīng)，進(jìn)一步改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)、密實(shí)度、強(qiáng)度、耐久性等。

3)精心組織施工，重點(diǎn)控制混凝土澆筑速度，保證連續(xù)施工，以有效預(yù)防由于混凝土初凝引起的斷樁、鋼筋上浮、埋管等現(xiàn)象。