氯盐环境下高性能混凝土配合比设计方法的探讨

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1、氯盐环境下高性能混凝土配合 比设计方法的探讨氯盐环境下高性能混凝土配合比设计方法的探讨张天亮I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：氯盐环境下的高性能混凝土是一种以抗氯离子渗透为主要耐久 性指标的高性能混凝土。普通混凝土配合比设计规程不适用于高性能 混凝土配合比的设计。在本篇文章中，作者以青岛海湾大桥工程中的 高性能混凝土为例，阐述氯盐环境下高性能混凝土配合比的设计方 法。关键词：高性能混凝土耐久性配合比 方法Discussi on on the method of mix proporti on desig n for highperforma nee con crete

2、in chloride en vir onmentZhan g-tia nlia ngCon sulta nts office cen tral laboratory of Qin gdao Bay bridgeengin eeri ngYongping road Qin gdao Shandong provinceAbstract:The high performa nee con crete used in chloride en vir onment is a kind of concrete which has a good durability in anti-chloride ir

3、on diffusi on. The specificati ons for mix proporti on desig n of com mon con crete dose not agree with that of high performa nee con crete. In this paper, you are reported the method of mix proportion design of high performa nee con crete based on Qin gdao Bay Bridge engin eeri ng.Keywords:high per

4、forma nee con cretedurability mixproporti on method一、引言海洋环境是典型的氯盐环境，是混凝土结构所处的最恶劣的外部 环境之一：海水中的化学成分能够引起混凝土的溶蚀破坏和碱-骨料 反应；寒冷的季节还可能出现冻融破坏；海浪、海水中的悬浮物会对混凝土结构造成磨损和冲击；海风、海水中的氯离子能引起混凝土中 钢筋的锈蚀如此种种破坏严重地危及着混凝土结构的使用寿命。而在这些诸多侵蚀破坏中，氯离子的侵入，在混凝土内部结构中引起钢 筋的锈蚀是导致混凝土结构耐久性失效的重要原因之一。提高混凝土 自身的密实性和抗渗性，避免钢筋的锈蚀是保证混凝土结构耐久性的 有效

5、途径。目前，提高混凝土结构耐久性的途径主要是使用掺入矿物 掺合料、高效减水剂来降低水胶比、提高混凝土的密实性和抗渗性的 高性能混凝土。青岛海湾大桥是我国北方寒冷、冰冻海域第一座特大型桥梁集群。 既是青岛市交通规划中的“一桥”， 又是青兰高速公路的起点段。工 程概预算投资90.4亿元人民币，是我国目前企业投资建设的最大规 模的交通基础设施项目，全桥共钻孔桩5177根，承台1302个、墩柱 1792个、索塔7个、辅助墩过度墩20个、现浇梁457孔、60m预制 梁528片、50m移动模架306孔。共计混凝土 2073994rn，全部为高 性能混凝土。合格的原材料是配制高性能混凝土的前提。青岛海湾大桥

6、工程混 凝土所用的原材料主要有：淄博市山铝水泥厂、青岛山东水泥厂、日 照大宇水泥厂生产的P.I52.5水泥；小沽河、大沽河、五龙河河砂； 沂水、上马、店集、宝山的碎石；山东华伟银凯建材有限公司、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 夫外加剂厂生产的聚羧酸高效减水剂；家梁、宏远和鲁碧三家的矿渣 粉；潍坊杰祥和日照华能两家的粉煤灰； 青岛地区的饮用水。所有原 材料经检验，符合现行规范的要求。二、氯盐环境下高性能混凝土的配合比设计高性能混凝土与普通混凝土在原材料、配合比以及生产工艺方面 尽管在大范围上是相同的，但在具体某些地方仍有重要区别。 现行的 普通混凝土配合比设计

7、规程(JGJ55 2000)具有不适合高性能混凝土的地方。照搬照抄普通混凝土配合比设计规程(JGJ55 2000)不利于高性能混凝土的推广和应用在我们国家由于对高性能混凝土的研究起步较晚，至今还没有一 个与高性能混凝土配合比设计相适应的国家规程。在高性能混凝土应用技术规范(CECS207 2006)中虽然将高性能混凝土配合比的 设计方法作了一个介绍，但过于简略，可操作性不大。所给出的胶凝 材料用量、用水量以及砂率仍然是一个范围。例如：用水量不大于175 kg/m3、胶凝材料用量在 450 kg/m3600 kg/m3、砂率 37%- 44%等。没有一个具体的计算步骤。在碳化耐久性中给出一个水胶

8、比公式：其中，3:钢筋保护层厚度cm, a：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、抗硫酸盐环境以及抗 氯离子侵蚀等环境下的混凝土配合比设计，却言之不详。一些施工单位和监理单位、乃至一些监测单位仍然把 普通混凝土配合比设计规 程(JGJ55-2000)作为高性能混凝土配合比的设计规范，这并不合 适。首先，普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2000)设计混凝 土配合比的依据是混凝土的抗压强度，是以混凝土的水灰比为基础； 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的设计计算。高性能混凝土不仅要满 足抗压

9、强度，而且要满足工作性和耐久性。因此，高性能混凝土配合比的设计不能完全照搬照抄普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2000)。其次，普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2000)中的水灰比公式是前些年由全国近3000多个配合比的试验结果统计回归得来的， 所用的是32.552.5级水泥、河砂和碎石或卵石，水泥用量为280kg/m3550kg/m3,水灰比为0.40. 7，砂率为25%45% 坍落度 在0100mm之间。而高性能混凝土的水灰比大都在 0.4以下，用水 量不超过175kg/m3，胶凝材料用量在450600 kg/m3,砂率为37% 44%并掺有大量的活性掺合料和咼效减水剂。显然，

10、在配合比设计时，也不能完全照搬照抄普通混凝土配合比设计规程(JGJ55-2000)。最后，普通混凝土可在控制水灰比的基础上调节砂率和用水量来控制 稠度，而高性能混凝土的水胶比一般都很小，水泥浆本身比较干稠， 采用增大用水量的方法来改善混凝土的稠度是不经济也是不可能的。 高性能混凝土的配合比特点是：水胶比低、粉体量大、粗集料量小。 高性能混凝土的配合比设计首先要遵循的四个基本原则即：灰水比原 则、混凝土密实体积原则、最小单位用水量原则以及最小水泥用量原 则。在灰水比固定、原材料一定的前提下，使用满足工作性的最小的 水泥用量，可以达到降低混凝土的温升，提高抵抗环境侵蚀的目的。 不同的使用环境，高性

11、能混凝土的侧重指标也不一样，氯盐环境下的高性能混凝土以抗氯离子渗透系数为主要控制指标，其配合比的设计 可按以下步骤进行:1、确定胶凝材料的组成和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比例时，我们本着在满足强度的前提下，尽可能地减少水泥用量；为防止粉煤灰组分带来的混凝土碳化等负面影 响，适当地减少粉煤灰在胶凝材料中的比例。 我们设计胶凝材料的组 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：强度是混凝土必须满足的指标，决定混凝土强度的是混凝土的水胶比。关于高性能混凝土水胶比的确定， 廉慧

12、珍教授在按耐久性设计 高性能混凝土的原则和方法【建筑技术 2001 （1） 81）】一 文中给出了按耐久性确疋咼性能混凝土水胶比的技术指标如下：氯离子扩散系数/10 -12cm2/s饱盐电导率-4/10 4s/m渗透评价参考混凝土类型水胶比28d强度/MR 1000 2000很高 0.6V 30500100010002000高0.45 0.630 401005002001000中0.4 0.45406050 100100200低0.35 0.460 805 5010 100很低0.3 0.3580 100V 5V 10可忽略V 0.3 100而在混凝土结构耐久性设计与施工指南 CCES01-2

13、004标准中给出28d龄期的普通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的掺量。计算时，假定掺矿粉、粉煤灰混凝土 28天龄期的氯离子扩散系数与 不掺的相同，但是掺入后会使 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100年；耐久性指标：84天电通量小于1000库伦，氯离子渗 透系数小于3X 10- 12m2/s。(1) 满足碳化耐久性的最大水胶比为：即只要水胶比不大于0.42就满足碳化耐久性的要求。(2) 满足强度要求的最大水胶比为：(3) 满足氯离子扩散系数的最大水胶比将矿粉掺量50%粉煤灰掺

14、量15%、84天氯离子扩散系数D=3X 10 12m7s代入得到28d混凝土氯离子扩散系数 D0= 5.836 X 10-宥/s ,从 而得到满足氯离子扩散系数的最大水胶比 W/B=0.344。综上所述，则满足设计要求的最大水胶比选为0.34。3、确定最佳砂率（沂水碎石、大沽河砂）将砂、石按不同的砂率混合，测定其表观密度和堆积密度，计算其空 隙率如下表所示：砂率3637383940414243444546振实密度kg/m319501953197219751988199820801980197819651960表观密度kg/m32639263626352631264026372638263726

15、4126372634空隙率26.125.925.224.924.724.621.124.925.125.525.4由上表试验数据可得空隙率与砂率的关系如下图：由上图可知：空隙率最小为21.1 %，此时的砂率为最佳砂率为42%4、确定混凝土各组分的用量 1）确定胶凝材料的用量 取混凝土拌合物浆体富裕量为9%,拌合物的含气量为2%,则im 混凝土中浆体的体积为：1L浆体中有胶凝材料的量为：则imi混凝土需要胶凝材料的总量为：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= 464X 0.34 = 158 (kg)减水剂的用量：以掺量为0.9 %的

16、山东华伟银凯外加剂厂生产的聚羧 酸减水剂为例，减水剂的用量为：A= 464X0.9 %= 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kg1622327074710311584.25、试拌状态：(如图)和易性较好，无泌水离析现象，初始坍落度 195mm 1h后坍落度 180mm3d 强度 34.8Mpa; 7d 强度 49.1 Mpa 28 天强度 60.3 Mpa84d强度70.1 Mpa84d电通量761库伦。84d氯离子扩散系数2.8 X 1012m2/s，满足设计和施工要求同样，我们得

17、到桩基、承台和墩柱的配合比如下:材料部位桩基C35承台C35墩柱C40水泥156146160矿粉224208229粉煤灰676369砂子785756686碎石100010441073外加剂4.23.84.1 + 0.18引气剂水158156163坍落度mm220180190状态良良良28d强度58.951.350.728d电诵量(C)10851121102184d强度66.763.261.484d电诵量(C)78387269184d氯离子渗透系数X 10 12m7s3.143.322.81备注：墩柱由于处于浪溅区，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

18、大桥的 施工设计要求。四、结束语青岛海湾大桥是我国北方第一座海上大桥。它的开工建设标志着 我国北方海工高性能混凝土应用的开始，对高性能海工混凝土的推广 起着实践上的作用，有着重要的实践意义。我们国家对高性能混凝土的研究起步较晚，虽然目前国内在高性 能混凝土设计上已取得很大进步，但是高性能混凝土配合比的设计还 没有形成一个大家普遍认可、遵守的设计规程或规范。高性能混凝土 的推广普及还有一段很长的路要走，高性能混凝土配合比的设计还处 在仁者见仁、智者见智的阶段。文中观点仅为作者一家之言，不当之处敬请批评指正。参考文献：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/T223-20074、 混凝土结构耐久性设计与施工指南CCES01-2004作者简介：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。联系电话：1865311586