海工混凝土配比设计与经济分析
作者：尚肖琼---东盟营造工程有限公司
摘要：根据象山港大桥海洋滩涂条件下介绍对海工混凝土配合比的设计、选定施工配合比以及在符合施工条件下对各种试配配合比进行经济性分析，并选择最优的配合比用于施工
关键词：海工混凝土 ； 配合比 ； 设计 ；经济分析 1、概述
宁波象山港公路大桥是继杭州湾跨海大桥之后的第二座特大型跨海桥梁，该项目为双向四车道高速公路，路基宽度26m，行车道宽度15m，设计速度为100Km/h。宁波象山港大桥及接线工程施工第12合同段包括特大桥2座、大桥4座、互通立交桥1座和小桥1座。共计有桩基1173根，其中陆上桩基432根，海上桩基741根，C35桩基混凝土5.5万m3。
由于该桥位区地貌为主要滨海潮间带，地形较为平坦。地下水类型为第四系空隙潜水，水深受潮汐的影响较大，张潮时水深2～4m，局部深槽处达6m以上。根据水质分析报告，该桥位区地下水安ph值分类为中性水，按硬度属于及应税，按矿化度分类为盐水。地下水类型为Cl-Na。根据《公路工程地质勘察规范》版定位对砼有强结晶分解符合类腐蚀。氯离子含量高等恶劣的海洋环境中，使用普通混凝土很容易受到海洋环境的影响，严重缩短混凝土结构物的使用年限。因此为了保证混凝土结构物的质量和使用年限，本工程使用了海工混凝土。海工混凝土必须具有良好的工作性、较合适的力学强度和符合环境的高耐久性。本文就潮汐条件下水下C35海工耐久性混凝土进行了配合比设计，同时对其工作性、力学性和耐久性进行了试验研究。 2、原材料选用及混凝土配合比设计
2.1原材料选用
水泥：宁海强蛟海螺水泥有限公司产P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥，技术指标如表1所示。
表1 水泥性能
粉煤灰：宁波北仑电厂产粉煤灰Ⅱ级，技术指标如表2
所示。
表2 粉煤灰性能
矿渣物掺合料：宁波海德建材科技有限公司产矿渣粉，产品等级S95。技术指标如表3所示。
表3 矿渣粉性能
砂：福建漳州砂，堆积密度1.450g/cm3，含泥量0.9%，细度模数为2.7，属于中砂。
碎石：西周莲花碎石，针状含量3.7%，片状含量3.2%，压碎值9.0%，含泥量0.5%,采用5～16mm和10～
25mm两级配掺配而成的5～25连续级配碎石。
水：宁波象山山泉水。
外加剂:江苏特密斯混凝土外加剂有限公司产TMS-YJ型聚羧酸高效减水剂。技术指标如表4所示。
表4 减水剂性能
2.2混凝土配合比设计
由于海工混凝土所处的恶劣环境，它必须具备良好的工作性、适宜的力学强度、适应环境的高耐久性以及低水化热等特点。为了使配制的混凝土能具备这些特点，根据原材料情况和经验，按照潮汐条件下海洋环境本文设计了9个配合比，通过试配，得到3个配合比，见表5。
表5 混凝土配合比/kg/m3
2.3试验结果及讨论
表6 混凝土测试
注：括号中为现场取芯测得84d氯离子渗透系数
（1）混凝土工作性能
混凝土工作性能试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）进行。根据《宁波象山港公路大桥及接线工程土建施工招标文件》及桩基施工的特点，要求海工混凝土具有8h以上的初凝时间，满足施工运输需要，
终凝时间不能过长，满足施工进度的需要；含气量应控制在4.0%～6.0%之间，避免对混凝土强度产生过大影响；具有大坍落度，满足水下混凝土浇筑；具有1h坍落度损失小，满足施工运输需要。
由表6混凝土性能测试结果可知：所有配合比的混凝土初凝时间约为13h，终凝时间为15h，这既满足了施工运输需要，有满足了施工进度需要；含气量随粉煤灰用量的增多略有增大，但均在4.0%～4.5%之间，在这个范围内，含气量对混凝土强度影响较小，而且可以改善混凝土的工作性；3个配合比的出机坍落度均超过200mm，满足水下混凝土桩基浇筑需要，且混凝土的坍落度随着粉煤灰掺量的增加而增加，这是由于粉煤灰具有低需水比，且相比于矿粉，粉煤灰内的具有大量的玻璃体微珠，，可以更好的改善混凝土的流动性；混凝土的1h坍落度损失较小，并有随粉煤灰掺量增加而减小的趋势。综合以上分析，配置的水下C35海工耐久混凝土具有良好的工作性。
（2）混凝土力学性能
混凝土力学性能试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）进行。根据规范要求，混凝土配合比7d强度应达到设计强度的100%，保证混凝土在施工过程中7天强度能达到80%以上，混凝土配合比28d强度达到配制强度的100%。
由表6混凝土性能测试结果可知：混凝土7d抗压强度，随着粉煤灰掺量的增大、矿粉掺量的减少而降低，HG-1的7d抗压强度为设计强度的106.6%，HG-2的7d抗压强度为设计强度的101.4%，HG-3的7d抗压强度为设计强度的92.9%，混凝土28天抗压强度，也随着粉煤灰掺量的增加、矿粉掺量的减少而降低，但是降低幅度较小，HG-1的28d抗压强度为设计强度的137.7%，HG-2的28d抗压强度为设计强度的129.4%，HG-3的28d抗压强度为设计强度的127.4%，均满足规范要求。通过以上综合分析，配合比HG-1和HG-2在施工过程中能满足力学性能要求。由于经济以及对环境保护方面做考虑，选择HG-2作为施工配合比。
（3）混凝土耐久性能
钢筋锈蚀破坏已被确认为是导致混凝土结构过早破坏的主要原因，而氯离子的渗透是引起钢筋锈蚀的首要因素。海水环境中存在大量的盐分，其中以氯盐含量为最，海水中氯盐占其总量的80%以上。而本工程处于潮汐环境中，很大一部
分桩基将受到干湿循环作用，这进一步加剧了氯盐的侵蚀。因此，桩基海工混凝土必须进行氯离子渗透试验。
本文采用RCM法检测了混凝土氯离子渗透系数，试验结果如表6所示。由表的结果可知，配制的C35桩基海工混凝土氯离子渗透系数均在（1.3～1.4）10-12m2/s之间，约为招标文件规定的50%，具有良好的抗氯离子渗透性。抗氯离子渗透性显著提高的原因，除了使用高效减水剂降低了水灰比，使混凝土更加密实这一因素外，另一重要因素就是矿物掺合料可与水泥水化产生的CH发生反应，降低CH在界面过渡区的折优取向程度，提高混凝土体系中C-S-H含量，优化混凝土中孔隙结构及分布，提高混凝土的密实性，有效地阻断了氯离子在混凝土中的传输，从而降低了氯离子渗透系数。
3、海工混凝土施工经济性分析
以1m3的C35海工混凝土浇筑施工为例进行成本分析：
表7 C35海工混凝土成本分析
由表7可以看出，在拌制与运输海工混凝土的过程中，满足施工技术条件下，采用不同的填充材料掺量和掺加矿物掺合料，对于混凝土的成本影响还是比较明显的，尤其是胶凝材料全部为水泥的单价较高。
高性能海工混凝土与普通混凝土的组成材料没有区别，它是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的，是以耐久性作为设计主要指标的混凝土。混凝土氯离子渗透系数是耐久性的一个主要控制指标。而海工混凝土与普通混凝土的主要区别就是体现在氯离子渗透系数这个微观的技术指标上。
高性能海工混凝土配合比采用了双掺技术，其中加入了粉煤灰，粉煤灰对混
凝土工作性起了良好的作用，还有它的二次水化热能将混凝土的后期强度提升，矿粉比表面积较水泥更大一些，能给混凝土带来足够的密实度。但掺加过量的矿粉会使拌制的混凝土黏性较大，另外由于海工耐久性混凝土低水胶比的影响，会使海工混凝土泵送效果不是很好。尽可能地选择有利于泵送的高性能海工混凝土配比，在粉煤灰和矿粉的掺加比例上要做进一步研究，得到一个合理的平衡点。 普通混凝土的水灰比决定着强度，海工混凝土属于高性能混凝土，据有关试验研究表明，高性能混凝土的强度不仅与水胶比有关，还与砂率有关。在砂率一定时，海工混凝土水胶比越小强度越大；在同水胶比下，随着混凝土胶凝材料的增多，抗压强度也相应提高。海工混凝土随着矿粉掺量的减少，早期强度也随之减小，但28d强度却逐渐增大，这是掺加粉煤灰后改善了混凝土水化后的凝胶微结构，提高了它与混凝土结合面的胶结能力。
抗渗性能是海工混凝土区别普通混凝土最主要的指标，海工混凝土随着矿粉掺量的减少，氯离子渗透系数减小。水胶比却与氯离子渗透系数成正比，这是因为矿粉的比表面积较大，填充混凝土后能使它的结构更密实。
由于海工混凝土中掺加了优质的矿粉和粉煤灰，胶凝材料用量高，以及高效减水剂的使用，使得混凝土比较粘，泵送性能不够好。从试验得出，矿粉掺量越高，混凝土早期强度越高，混凝土就越容易开裂。
由于海工耐久性混凝土在耐久性方面有较为严格的要求，导致它对材料的要求相对较为高，和普通混凝土比起来有较高的敏感性。在配制的过程中也需要较高的精确度，
普通混凝土配合比在耐久性方面没有明确要求，在试配三配合比中经试验检测84天氯离子扩散系数为5.64*10
-122
m/s和掺入矿物掺合料的混凝土配合比相比较
有较为大的区别，说明普通混凝土配合比在耐久性方面完全不如海工耐久性混凝土性能好。
4、结束语
海工混凝土的配制与施工与普通混凝土有相当显著的差别，在它的高耐久性、高工作性、高体积稳定性，高减水、高强度、高掺量、低水胶比、低水化热、低的升温和降温速率这些特点上还需要继续在技术研究和经济性方面进行深入的分析和平衡。
海工混凝土配比设计与经济分析
作者：尚肖琼---东盟营造工程有限公司
摘要：根据象山港大桥海洋滩涂条件下介绍对海工混凝土配合比的设计、选定施工配合比以及在符合施工条件下对各种试配配合比进行经济性分析，并选择最优的配合比用于施工
关键词：海工混凝土 ； 配合比 ； 设计 ；经济分析 1、概述
宁波象山港公路大桥是继杭州湾跨海大桥之后的第二座特大型跨海桥梁，该项目为双向四车道高速公路，路基宽度26m，行车道宽度15m，设计速度为100Km/h。宁波象山港大桥及接线工程施工第12合同段包括特大桥2座、大桥4座、互通立交桥1座和小桥1座。共计有桩基1173根，其中陆上桩基432根，海上桩基741根，C35桩基混凝土5.5万m3。
由于该桥位区地貌为主要滨海潮间带，地形较为平坦。地下水类型为第四系空隙潜水，水深受潮汐的影响较大，张潮时水深2～4m，局部深槽处达6m以上。根据水质分析报告，该桥位区地下水安ph值分类为中性水，按硬度属于及应税，按矿化度分类为盐水。地下水类型为Cl-Na。根据《公路工程地质勘察规范》版定位对砼有强结晶分解符合类腐蚀。氯离子含量高等恶劣的海洋环境中，使用普通混凝土很容易受到海洋环境的影响，严重缩短混凝土结构物的使用年限。因此为了保证混凝土结构物的质量和使用年限，本工程使用了海工混凝土。海工混凝土必须具有良好的工作性、较合适的力学强度和符合环境的高耐久性。本文就潮汐条件下水下C35海工耐久性混凝土进行了配合比设计，同时对其工作性、力学性和耐久性进行了试验研究。 2、原材料选用及混凝土配合比设计
2.1原材料选用
水泥：宁海强蛟海螺水泥有限公司产P.Ⅱ42.5硅酸盐水泥，技术指标如表1所示。
表1 水泥性能
粉煤灰：宁波北仑电厂产粉煤灰Ⅱ级，技术指标如表2
所示。
表2 粉煤灰性能
矿渣物掺合料：宁波海德建材科技有限公司产矿渣粉，产品等级S95。技术指标如表3所示。
表3 矿渣粉性能
砂：福建漳州砂，堆积密度1.450g/cm3，含泥量0.9%，细度模数为2.7，属于中砂。
碎石：西周莲花碎石，针状含量3.7%，片状含量3.2%，压碎值9.0%，含泥量0.5%,采用5～16mm和10～
25mm两级配掺配而成的5～25连续级配碎石。
水：宁波象山山泉水。
外加剂:江苏特密斯混凝土外加剂有限公司产TMS-YJ型聚羧酸高效减水剂。技术指标如表4所示。
表4 减水剂性能
2.2混凝土配合比设计
由于海工混凝土所处的恶劣环境，它必须具备良好的工作性、适宜的力学强度、适应环境的高耐久性以及低水化热等特点。为了使配制的混凝土能具备这些特点，根据原材料情况和经验，按照潮汐条件下海洋环境本文设计了9个配合比，通过试配，得到3个配合比，见表5。
表5 混凝土配合比/kg/m3
2.3试验结果及讨论
表6 混凝土测试
注：括号中为现场取芯测得84d氯离子渗透系数
（1）混凝土工作性能
混凝土工作性能试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）进行。根据《宁波象山港公路大桥及接线工程土建施工招标文件》及桩基施工的特点，要求海工混凝土具有8h以上的初凝时间，满足施工运输需要，
终凝时间不能过长，满足施工进度的需要；含气量应控制在4.0%～6.0%之间，避免对混凝土强度产生过大影响；具有大坍落度，满足水下混凝土浇筑；具有1h坍落度损失小，满足施工运输需要。
由表6混凝土性能测试结果可知：所有配合比的混凝土初凝时间约为13h，终凝时间为15h，这既满足了施工运输需要，有满足了施工进度需要；含气量随粉煤灰用量的增多略有增大，但均在4.0%～4.5%之间，在这个范围内，含气量对混凝土强度影响较小，而且可以改善混凝土的工作性；3个配合比的出机坍落度均超过200mm，满足水下混凝土桩基浇筑需要，且混凝土的坍落度随着粉煤灰掺量的增加而增加，这是由于粉煤灰具有低需水比，且相比于矿粉，粉煤灰内的具有大量的玻璃体微珠，，可以更好的改善混凝土的流动性；混凝土的1h坍落度损失较小，并有随粉煤灰掺量增加而减小的趋势。综合以上分析，配置的水下C35海工耐久混凝土具有良好的工作性。
（2）混凝土力学性能
混凝土力学性能试验参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG E30-2005）进行。根据规范要求，混凝土配合比7d强度应达到设计强度的100%，保证混凝土在施工过程中7天强度能达到80%以上，混凝土配合比28d强度达到配制强度的100%。
由表6混凝土性能测试结果可知：混凝土7d抗压强度，随着粉煤灰掺量的增大、矿粉掺量的减少而降低，HG-1的7d抗压强度为设计强度的106.6%，HG-2的7d抗压强度为设计强度的101.4%，HG-3的7d抗压强度为设计强度的92.9%，混凝土28天抗压强度，也随着粉煤灰掺量的增加、矿粉掺量的减少而降低，但是降低幅度较小，HG-1的28d抗压强度为设计强度的137.7%，HG-2的28d抗压强度为设计强度的129.4%，HG-3的28d抗压强度为设计强度的127.4%，均满足规范要求。通过以上综合分析，配合比HG-1和HG-2在施工过程中能满足力学性能要求。由于经济以及对环境保护方面做考虑，选择HG-2作为施工配合比。
（3）混凝土耐久性能
钢筋锈蚀破坏已被确认为是导致混凝土结构过早破坏的主要原因，而氯离子的渗透是引起钢筋锈蚀的首要因素。海水环境中存在大量的盐分，其中以氯盐含量为最，海水中氯盐占其总量的80%以上。而本工程处于潮汐环境中，很大一部
分桩基将受到干湿循环作用，这进一步加剧了氯盐的侵蚀。因此，桩基海工混凝土必须进行氯离子渗透试验。
本文采用RCM法检测了混凝土氯离子渗透系数，试验结果如表6所示。由表的结果可知，配制的C35桩基海工混凝土氯离子渗透系数均在（1.3～1.4）10-12m2/s之间，约为招标文件规定的50%，具有良好的抗氯离子渗透性。抗氯离子渗透性显著提高的原因，除了使用高效减水剂降低了水灰比，使混凝土更加密实这一因素外，另一重要因素就是矿物掺合料可与水泥水化产生的CH发生反应，降低CH在界面过渡区的折优取向程度，提高混凝土体系中C-S-H含量，优化混凝土中孔隙结构及分布，提高混凝土的密实性，有效地阻断了氯离子在混凝土中的传输，从而降低了氯离子渗透系数。
3、海工混凝土施工经济性分析
以1m3的C35海工混凝土浇筑施工为例进行成本分析：
表7 C35海工混凝土成本分析
由表7可以看出，在拌制与运输海工混凝土的过程中，满足施工技术条件下，采用不同的填充材料掺量和掺加矿物掺合料，对于混凝土的成本影响还是比较明显的，尤其是胶凝材料全部为水泥的单价较高。
高性能海工混凝土与普通混凝土的组成材料没有区别，它是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的，是以耐久性作为设计主要指标的混凝土。混凝土氯离子渗透系数是耐久性的一个主要控制指标。而海工混凝土与普通混凝土的主要区别就是体现在氯离子渗透系数这个微观的技术指标上。
高性能海工混凝土配合比采用了双掺技术，其中加入了粉煤灰，粉煤灰对混
凝土工作性起了良好的作用，还有它的二次水化热能将混凝土的后期强度提升，矿粉比表面积较水泥更大一些，能给混凝土带来足够的密实度。但掺加过量的矿粉会使拌制的混凝土黏性较大，另外由于海工耐久性混凝土低水胶比的影响，会使海工混凝土泵送效果不是很好。尽可能地选择有利于泵送的高性能海工混凝土配比，在粉煤灰和矿粉的掺加比例上要做进一步研究，得到一个合理的平衡点。 普通混凝土的水灰比决定着强度，海工混凝土属于高性能混凝土，据有关试验研究表明，高性能混凝土的强度不仅与水胶比有关，还与砂率有关。在砂率一定时，海工混凝土水胶比越小强度越大；在同水胶比下，随着混凝土胶凝材料的增多，抗压强度也相应提高。海工混凝土随着矿粉掺量的减少，早期强度也随之减小，但28d强度却逐渐增大，这是掺加粉煤灰后改善了混凝土水化后的凝胶微结构，提高了它与混凝土结合面的胶结能力。
抗渗性能是海工混凝土区别普通混凝土最主要的指标，海工混凝土随着矿粉掺量的减少，氯离子渗透系数减小。水胶比却与氯离子渗透系数成正比，这是因为矿粉的比表面积较大，填充混凝土后能使它的结构更密实。
由于海工混凝土中掺加了优质的矿粉和粉煤灰，胶凝材料用量高，以及高效减水剂的使用，使得混凝土比较粘，泵送性能不够好。从试验得出，矿粉掺量越高，混凝土早期强度越高，混凝土就越容易开裂。
由于海工耐久性混凝土在耐久性方面有较为严格的要求，导致它对材料的要求相对较为高，和普通混凝土比起来有较高的敏感性。在配制的过程中也需要较高的精确度，
普通混凝土配合比在耐久性方面没有明确要求，在试配三配合比中经试验检测84天氯离子扩散系数为5.64*10
-122
m/s和掺入矿物掺合料的混凝土配合比相比较
有较为大的区别，说明普通混凝土配合比在耐久性方面完全不如海工耐久性混凝土性能好。
4、结束语
海工混凝土的配制与施工与普通混凝土有相当显著的差别，在它的高耐久性、高工作性、高体积稳定性，高减水、高强度、高掺量、低水胶比、低水化热、低的升温和降温速率这些特点上还需要继续在技术研究和经济性方面进行深入的分析和平衡。