氯盐环境下高性能混凝土参考配合比设计方法的探讨.docx

氯盐环境下高性能混凝土配合比设计方法探讨
张天亮
青岛海湾大桥工程监理处中心试验室
青岛市永平路19号
摘要：
   氯盐环境下高性能混凝土是一个以抗氯离子渗透为关键耐久性指标高性能混凝土。一般混凝土配合比设计规程不适适用于高性能混凝土配合比设计。在本篇文章中，作者以青岛海湾大桥工程中高性能混凝土为例，叙述氯盐环境下高性能混凝土配合比设计方法。
关键词：
      高性能混凝土     耐久性     配合比   方法
Discussion on the method of mix proportion design for high performance concrete in chloride environment
Zhang-tianliang
Consultants office central laboratory of Qingdao Bay bridge engineering
Yongping road Qingdao Shandong province
Abstract:
The high performance concrete used in chloride environment is a kind of concrete which has a good durability in anti-chloride iron diffusion. The specifications for mix proportion design of common concrete dose not agree with that of high performance concrete. In this paper, you are reported the method of mix proportion design of high performance concrete based on Qingdao Bay Bridge engineering.
Keywords: high performance concrete   durability  mix proportion method
一、           引言
海洋环境是经典氯盐环境，是混凝土结构所处最恶劣外部环境之一：海水中化学成份能够引发混凝土溶蚀破坏和碱－骨料反应；严寒季节还可能出现冻融破坏；海浪、海水中悬浮物会对混凝土结结组成磨损和冲击；海风、海水中氯离子能引发混凝土中钢筋锈蚀…如此种种破坏严重地危及着混凝土结构使用寿命。而在这些很多侵蚀破坏中，氯离子侵入，在混凝土内部结构中引发钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性失效关键原因之一。提升混凝土本身密实性和抗渗性，避免钢筋锈蚀是确保混凝土结构耐久性有效路径。现在，提升混凝土结构耐久性路径关键是使用掺入矿物掺合料、高效减水剂来降低水胶比、提升混凝土密实性和抗渗性高性能混凝土。
青岛海湾大桥是中国北方严寒、冰冻海域第一座特大型桥梁集群。既是青岛市交通计划中“一桥”，又是青兰高速公路起点段。工程概预算投资90.4亿元人民币，是中国现在企业投资建设最大规模交通基础设施项目，全桥共钻孔桩5177根，承台1302个、墩柱1792个、索塔7个、辅助墩过分墩20个、现浇梁457孔、60m预制梁528片、50m移动模架306孔。累计混凝土2073994m3，全部为高性能混凝土。
合格原材料是配制高性能混凝土前提。青岛海湾大桥工程混凝土所用原材料关键有：淄博市山铝水泥厂、青岛山东水泥厂、日照大宇水泥厂生产P.I52.5水泥；小沽河、大沽河、五龙河河砂；沂水、上马、店集、宝山碎石；山东华伟银凯建材、济南建科院外加剂厂、天津西卡外加剂厂、江苏博特外加剂厂、上海巴斯夫外加剂厂生产聚羧酸高效减水剂；家梁、宏远和鲁碧三家矿渣粉；潍坊杰祥和日照华能两家粉煤灰；青岛地域饮用水。全部原材料经检验，符合现行规范要求。
二、氯盐环境下高性能混凝土配合比设计
高性能混凝土和一般混凝土在原材料、配合比和生产工艺方面尽管在大范围上是相同，但在具体一些地方仍相关键区分。现行《一般混凝土配合比设计规程》（JGJ55－）含有不适合高性能混凝土地方。照搬照抄《一般混凝土配合比设计规程》（JGJ55－）不利于高性能混凝土推广和应用。
在我们国家因为对高性能混凝土研究起步较晚，至今还没有一个和高性能混凝土配合比设计相适应国家规程。在《高性能混凝土应用技术规范》（CECS207：）中即使将高性能混凝土配合比设计方法作了一个介绍，但过于简略，可操作性不大。所给出胶凝材料用量、用水量和砂率仍然是一个范围。比如：用水量小于175 kg/m3 、胶凝材料用量在450 kg/m3～600 kg/m3、砂率37%～44％等。没有一个具体计算步骤。在碳化耐久性中给出一个水胶比公式：
其中，δ：钢筋保护层厚度cm，α：碳化区系数，室内为1.7，室外1.0；T：设计使用年限（年）对于抗冻害环境、抗硫酸盐环境和抗氯离子侵蚀等环境下混凝土配合比设计，却言之不详。部分施工单位和监理单位、乃至部分监测单位仍然把《一般混凝土配合比设计规程》（JGJ55-）作为高性能混凝土配合比设计规范，这并不适宜。
首先，《一般混凝土配合比设计规程》（JGJ55-）设计混凝土配合比依据是混凝土抗压强度，是以混凝土水灰比为基础；以 确定试配强度；以 确定水胶比；再依据重量法或体积法确定砂、石用量，从而完成混凝土配合比设计计算。高性能混凝土不仅要满足抗压强度，而且要满足工作性和耐久性。所以，高性能混凝土配合比设计不能完全照搬照抄《一般混凝土配合比设计规程》（JGJ55-）。
其次，《一般混凝土配合比设计规程》（JGJ55-）中水灰比公式是前些年由全国近3000多个配合比试验结果统计回归得来，所用是32.5～52.5级水泥、河砂和碎石或卵石，水泥用量为280 kg/m3～550kg/m3，水灰比为0.4 ～0. 7，砂率为25%～45%，坍落度在0～100mm之间。而高性能混凝土水灰比大全部在0.4以下，用水量不超出175kg/m3，胶凝材料用量在450～600 kg/m3，砂率为37%～44%并掺有大量活性掺合料和高效减水剂。显然，在配合比设计时，也不能完全照搬照抄《一般混凝土配合比设计规程》（JGJ55-）。
最终，一般混凝土可在控制水灰比基础上调整砂率和用水量来控制稠度，而高性能混凝土水胶比通常全部很小，水泥浆本身比较干稠，采取增大用水量方法来改善混凝土稠度是不经济也是不可能。
高性能混凝土配合比特点是：水胶比低、粉体量大、粗集料量小。高性能混凝土配合比设计首先要遵照四个基础标准即：灰水比标准、混凝土密实体积标准、最小单位用水量标准和最小水泥用量标准。在灰水比固定、原材料一定前提下，使用满足工作性最小水泥用量，能够达成降低混凝土温升，提升抵御环境侵蚀目标。不一样使用环境，高性能混凝土侧重指标也不一样，氯盐环境下高性能混凝土以抗氯离子渗透系数为关键控制指标，其配合比设计可按以下步骤进行：
1、  确定胶凝材料组成和28天强度（山水水泥、潍坊粉煤灰和家梁矿粉）：
在确定胶凝材料各组分百分比时，我们本着在满足强度前提下，尽可能地降低水泥用量；为预防粉煤灰组分带来混凝土碳化等负面影响，合适地降低粉煤灰在胶凝材料中百分比。我们设计胶凝材料组分为：水泥占35％，矿粉占50％，粉煤灰占15％。其28d抗压强度为45.5Mpa，抗折强度为9.7 Mpa。
2、确定水胶比：
强度是混凝土必需满足指标，决定混凝土强度是混凝土水胶比。相关高性能混凝土水胶比确实定，廉慧珍教授在《按耐久性设计高性能混凝土标准和方法》【《建筑技术》（1）8－1）】一文中给出了按耐久性确定高性能混凝土水胶比技术指标以下：
氯离子扩散系数
/10－12cm2/s
饱盐电导率/10-4s/m
渗透评价
参考混凝土类型
水胶比
28d强度/MPa
＞1000
＞
很高
＞0.6
＜30
500～1000
1000～
高
0.45～0.6
30～40
100～500
200～1000
中
0.4～0.45
40～60
50～100
100～200
低
0.35～0.4
60～80
5～50
10～100
很低
0.3～0.35
80～100
＜5
＜10
可忽略
＜0.3
＞100
而在《混凝土结构耐久性设计和施工指南》CCES01-标准中给出28d龄期一般硅酸盐水泥混凝土氯离子扩散系数为： ；混凝土氯离子扩散系数随时间降低为：
其中， ，F、S分别为粉煤灰和矿粉掺量。
计算时，假定掺矿粉、粉煤灰混凝土28天龄期氯离子扩散系数和不掺相同，不过掺入后会使 增加。
以C50预制箱梁为例。技术要求为：泵送施工；保护层厚度6cm；使用年限1；耐久性指标：84天电通量小于1000库伦，氯离子渗透系数小于3×10－12m2/s。
（1）满足碳化耐久性最大水胶比为：
即只要水胶比小于0.42就满足碳化耐久性要求。
（2）满足强度要求最大水胶比为：
（3）满足氯离子扩散系数最大水胶比
将矿粉掺量50％粉煤灰掺量15％、84天氯离子扩散系数D=3×10－12m2/s代入得到28d混凝土氯离子扩散系数D0＝5.836×10－12m2/s，从而得到满足氯离子扩散系数最大水胶比W/B=0.344 。
总而言之，则满足设计要求最大水胶比选为0.34。
3、  确定最好砂率（沂水碎石、大沽河砂）
将砂、石按不一样砂率混合，测定其表观密度和堆积密度，计算其空隙率以下表所表示：
砂率％
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
振实密度kg/m3
1950
1953
1972
1975
1988
1998
2080
1980
1978
1965
1960
表观密度kg/m3
2639
2636
2635
2631
2640
2637
2638
2637
2641
2637
2634
空隙率％
26.1
25.9
25.2
24.9
24.7
24.6
21.1
24.9
25.1
25.5
25.4
由上表试验数据可得空隙率和砂率关系以下图：
由上图可知：空隙率最小为21.1％，此时砂率为最好砂率为42％。
4、确定混凝土各组分用量
1）确定胶凝材料用量
取混凝土拌合物浆体富裕量为9％，拌合物含气量为2％，则1m3混凝土中浆体体积为：
1L 浆体中有胶凝材料量为：
则1m3混凝土需要胶凝材料总量为： 464 kg
其中：水泥162kg；矿粉232kg；粉煤灰70kg。
2)确定用水量和减水剂用量：
W＝464×0.34＝158（kg）
减水剂用量：以掺量为0.9％山东华伟银凯外加剂厂生产聚羧酸减水剂为例，减水剂用量为：
A＝464×0.9％＝4.2（kg）
3）确定砂、石用量：
设容重为2400kg/m3，则砂、石子用量：
所以，C50箱梁配合比为：
材料
水泥
矿粉
粉煤灰
砂子
碎石
水
外加剂
用量kg
162
232
70
747
1031
158
4.2
5、  试拌状态：
（图）和易性很好，无泌水离析现象，初始坍落度195mm。1h后坍落度180mm。3d强度34.8Mpa；7d强度49.1 Mpa；28天强度60.3 Mpa；84d强度70.1 Mpa。84d电通量761库伦。84d氯离子扩散系数2.8×10－12m2/s，满足设计和施工要求。
一样，我们得到桩基、承台和墩柱配合比以下：
部位
材料
桩基C35
承台C35
墩柱C40
水泥
156
146
160
矿粉
224
208
229
粉煤灰
67
63
69
砂子
785
756
686
碎石
1000
1044
1073
外加剂
4.2
3.8
4.1＋0.18引气剂
水
158
156
163
坍落度mm
220
180
190
状态
良
良
良
28d强度
58.9
51.3
50.7
28d电通量(C)
1085
1121
1021
84d 强度
66.7
63.2
61.4
84d电通量(C)
783
872
691
84d氯离子渗透系数×10－12m2/s
3.14
3.32
2.81
备注：墩柱因为处于浪溅区，有防冻要求。故掺入引气剂。
由施工现场混凝土实体情况可知，上述配合比均满足青岛海湾大桥施工设计要求。

四、结束语
青岛海湾大桥是中国北方第一座海上大桥。它开工建设标志着中国北方海工高性能混凝土应用开始，对高性能海工混凝土推广起着实践上作用，有着关键实践意义。
我们国家对高性能混凝土研究起步较晚，即使现在中国在高性能混凝土设计上已取得很大进步，不过高性能混凝土配合比设计还没有形成一个大家普遍认可、遵守设计规程或规范。高性能混凝土推广普及还有一段很长路要走，高性能混凝土配合比设计还处于仁者见仁、智者见智阶段。
文中见解仅为作者一家之言，不妥之处敬请批评指正。
参考文件：
1、《高性能混凝土》吴中伟  廉慧珍 著北京：中国铁道出版社，1999。
2、《近代混凝土技术》黄士元、蒋家奋等编
3、《聚羧酸高效减水剂》JG/T223-
4、《混凝土结构耐久性设计和施工指南》CCES01-

作者介绍：
张天亮，男。公路试验材料、桥梁检测工程师。现从事混凝土技术工作。
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