廈門(mén)新陽(yáng)大橋耐久性混凝土配合比設(shè)計(jì)與生產(chǎn)

周東奎

(廈門(mén)華岳混凝土工程開(kāi)發(fā)有限公司，廈門(mén) 361026)

摘要：該文以廈門(mén)新陽(yáng)大橋馬鑾灣海堤開(kāi)口改造為例，闡述了耐久性混凝土的配合比設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝，為改善工程質(zhì)量提高混凝土耐久性、抗腐蝕性提供了參考。

關(guān)鍵詞：耐久性混凝土；配合比設(shè)計(jì)；生產(chǎn)

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.006

Abstract:Taking Maluan Bay Seawall Opening in Xiamen New Yang Bridge as an example，this article introduced mix proportion design and production of durable concrete，and gave some advice for improving engineering quality and concrete durability.

收稿日期：2015-05-26.

作者簡(jiǎn)介：周東奎(1971-)，工程師.E-mail:2850163731@qq.com

Mix Proportion Design and Production of Durable Concrete

in Xiamen New Yang Bridge

ZHOUDong-kui

(Xiamen Huayue Concrete Engineering Development Co,Ltd，Xiamen 361026，China)

Key words:durable concrete；mix proportion design；production

隨著我國(guó)各項(xiàng)工程建筑的加速發(fā)展，對(duì)混凝土工程質(zhì)量要求越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)混凝土耐久性提出更高的要求。尤其是鐵路橋、跨江橋、交通橋、堤壩、船閘等水下混凝土建筑，經(jīng)常受到流動(dòng)水或海水的沖擊，海水環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性。這就需要在這類工程建筑中加大對(duì)耐久性混凝土的配合比設(shè)計(jì)與研究，提高工程質(zhì)量、加強(qiáng)抗腐蝕性，使配制的混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步保證結(jié)構(gòu)安全性、耐久性和使用功能滿足使用年限。

廈門(mén)新陽(yáng)大橋于1996年12月建成投入使用，大橋位于馬鑾灣海堤內(nèi)側(cè)，是連接集美、杏林和海滄三個(gè)國(guó)家級(jí)臺(tái)商投資區(qū)的最重要公路橋梁樞紐，全長(zhǎng)3.72 km。馬鑾灣海堤開(kāi)口改造工程主要是在新陽(yáng)大橋橋墩部新建擋潮閘、通航船閘、交通橋工程以及海堤加固改造工程。其改造重點(diǎn)是提高新陽(yáng)大橋橋墩以及新建工程水下區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)混凝土耐久性，因?yàn)樵搮^(qū)域常年受海水高強(qiáng)度地腐蝕和沖擊，需要在改造工程中重視水下區(qū)及水位變動(dòng)區(qū)的耐久性混凝土配合比設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，以增加混凝土耐久性，提高改造工程質(zhì)量。

1新陽(yáng)大橋馬鑾灣海堤開(kāi)口改造工程概況

馬鑾灣海堤開(kāi)口改造工程位于新陽(yáng)大橋東側(cè)，主要建設(shè)內(nèi)容包括在海堤中間開(kāi)口新建凈寬216 m的擋潮閘(9孔)、單線雙向1孔凈寬12 m的通航船閘(該船閘按一次設(shè)計(jì)，分期實(shí)施安排)、海堤加固改造、419.46 m交通橋等。

新建開(kāi)敞式擋潮閘，擋潮閘采用閘橋合一的形式，共10孔閘室(預(yù)留1孔船閘閘室)，其中9孔閘室為擋潮閘，各閘墩均對(duì)應(yīng)于新陽(yáng)大橋橋墩布置(橋墩間距27.0 m)。交通橋位于橋墩上部，橋面寬15.5 m，采用雙箱梁布置形式。閘室總凈寬228 m(其中擋潮閘的閘室總凈寬為216 m)。擋潮閘閘室底坎頂面高程-5.24 m，閘墩頂高程8.85 m，交通橋車行道中心線頂高程11.24 m。閘室底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30P8，處于水下區(qū)，閘室混凝土分10塊進(jìn)行施工，閘室混凝土平面尺寸為14 m×7 m，局部厚度達(dá)3.5 m，屬于大體積混凝土。每閘墩身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35P8，分別處于水下區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)和浪濺區(qū)。閘墩墩身平面尺寸為3.5 m×14 m，高度為8.4 m，分三層施工，每層施工高度為2.5～3 m，均采用泵送混凝土施工，混凝土的粗集料最大粒徑31.5 mm，混凝土入泵坍落度為(120±30)mm。閘室底板混凝土和閘墩身混凝土均屬于大體積混凝土。

2新陽(yáng)大橋馬鑾灣海堤口改造工程對(duì)混凝土設(shè)計(jì)要求

2.1　混凝土要具有優(yōu)良的工作性能

主要是在堤壩、閘室、擋潮閘、交通橋、橋墩施工過(guò)程中混凝土具有合適的流動(dòng)性、可泵性，在正常施工環(huán)境和條件下能滿足混凝土成型的條件，澆筑后混凝土的構(gòu)件能保證足夠的密實(shí)性、均勻性，以便減少振搗帶來(lái)的公害及能源消耗。

2.2　混凝土要具有高強(qiáng)度性

廈門(mén)新陽(yáng)大橋位于馬鑾灣海堤內(nèi)側(cè)，橋墩及馬鑾灣海改造所涉及的各種閘門(mén)閘室、堤壩、大橋橋墩常年受到海水的沖擊，必須保證混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度，防止海水常年的沖擊而變形，使大橋、閘門(mén)、堤壩、閘室都混凝土構(gòu)件安全穩(wěn)定。

2.3　混凝土要具有高耐久性

改造工程所涉及的工程項(xiàng)目均是海上工程建筑，任何的一個(gè)海上工程維修、工程改造都具有一定的難度和危險(xiǎn)度，每一次工程改造和維修都影響著整個(gè)建筑物地正常使用。所以，新陽(yáng)大橋馬鑾灣海堤改造工程混凝土構(gòu)件盡量達(dá)到預(yù)期壽命。

2.4　混凝土要具有抗氯離子滲透性

眾所周知，海水的咸的，由于海水中含有大量的氯離子，氯離子滲入混凝土構(gòu)件中，和二氧化碳極易導(dǎo)致鋼筋氧化銹蝕，進(jìn)而使混凝土表層脹裂，最終使鋼筋有效預(yù)應(yīng)力減小、承載力降低，久而久之會(huì)引起建筑物結(jié)構(gòu)破環(huán)。新陽(yáng)大橋橋墩及堤壩、閘室、閘門(mén)水下區(qū)及水位變動(dòng)區(qū)的混凝土常年受海水侵蝕，均處于強(qiáng)腐蝕的環(huán)境中，而一般設(shè)計(jì)使用年限較長(zhǎng)，所以，建筑物構(gòu)件必須抗氯離子侵蝕。

2.5　混凝土要具有防腐蝕性

海上建筑物除了重視抗氯離子滲透性腐蝕外，還要注意大氣腐蝕和土壤腐蝕。

大氣腐蝕是指由于空氣中水分、氧氣和腐蝕介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用而產(chǎn)生的金屬腐蝕現(xiàn)象。太陽(yáng)光、紫外線、熱輻射的影響和空氣溫度和濕度作用都容易使非金屬材料分子發(fā)生裂解、分解，引起力學(xué)性能分化的現(xiàn)象，進(jìn)一步引起金屬腐蝕，對(duì)于新陽(yáng)大橋的改造工程必須要認(rèn)真考慮大氣腐蝕問(wèn)題。

土壤腐蝕主要考慮金屬的土壤腐蝕，混凝土的土壤腐蝕對(duì)橋梁的樁基、橋墩、閘門(mén)、閘室的使用壽命都有影響，而一旦侵蝕造成破環(huán)，難以直接觀測(cè)和修補(bǔ)，更要認(rèn)真對(duì)待。

2.6　混凝土要具有抗裂性

混凝土不同程度裂縫是一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，由于新陽(yáng)大橋及相關(guān)海上建筑均涉及混凝土構(gòu)件，在從設(shè)計(jì)上、施工工藝控制上以及混凝土配比和性能上都提出了較高的要求，以此來(lái)避免混凝土出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，增強(qiáng)混凝土的抗裂性。

3耐久性混凝土特性

耐久性混凝土是高性能混凝土的一種，對(duì)混凝土的強(qiáng)度性、穩(wěn)定性、工作性都具有較高的要求，是傳統(tǒng)混凝土的重大突破，在提高水下區(qū)混凝土強(qiáng)度和抗腐蝕性具有重要意義。

主要特點(diǎn)表現(xiàn)在兩個(gè)方面：1)耐久性混凝土具有良好的流動(dòng)性、黏聚性和可澆筑性，低水化熱、低干縮率、低溫升、高抗?jié)B性和足夠的強(qiáng)度。2)耐久性混凝土具有抗裂性、耐蝕性、耐磨性、護(hù)筋性、抗凍性、抗氯離子滲透性及抗堿骨料反應(yīng)等，具有低水膠比。

由于耐久性混凝土的特性，非常適合新陽(yáng)大橋以及馬鑾灣海堤開(kāi)口改造工程的需要，在施工設(shè)計(jì)及施工工藝中使用耐久性混凝土無(wú)疑是恰當(dāng)?shù)谋匾倪x擇。

4新陽(yáng)大橋耐久性混凝土配合比設(shè)計(jì)理念

耐久性混凝土設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)混凝土不同，耐久性混凝土不但在設(shè)計(jì)中引入了使用年限和環(huán)境作用等級(jí)的概念，而且對(duì)混凝土原材料提出了更嚴(yán)格的要求，耐久性混凝土配合比在設(shè)計(jì)中要符合“兩高三低”原則，即高礦物摻量、高工作性、低用水量、低水膠比、低外加劑摻量。新陽(yáng)大橋改造設(shè)計(jì)時(shí)要明確所選配合比的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、設(shè)計(jì)使用年限和海水環(huán)境作用等級(jí)，明確最大水膠比和最小膠凝材料用量。根據(jù)實(shí)際作用情況，優(yōu)選各種原材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

4.1　水泥選用要求

在水泥選用上不能認(rèn)為高強(qiáng)度的水泥就一定好，不能以強(qiáng)度作為唯一指標(biāo)。在海上改造工程中配制混凝土宜采用硅酸鹽水泥或者普通硅酸鹽水泥，水泥的混合材料為粉煤灰和礦渣，不宜選用早強(qiáng)水泥。該工程選用海螺P.O 42.5水泥，此水泥品質(zhì)穩(wěn)定、水化熱低，適合大體積海工混凝土使用。

4.2　細(xì)骨料選用要求

細(xì)骨料要選用質(zhì)地均勻堅(jiān)固、級(jí)配合理、吸水率低、空隙率小的天然粗河砂為主，也可以選用人工砂。該工程采用河砂和人工砂搭配使用，細(xì)度模數(shù)在2.6~2.8之間，含泥量小于1%。

4.3　粗骨料選用要求

細(xì)骨料要粒形良好、級(jí)配合理、質(zhì)地均勻堅(jiān)固、膨脹系數(shù)小的碎石，在生產(chǎn)中控制碎石含泥量和泥塊含量。此改造工程采用符合設(shè)計(jì)要求的碎石為粗骨料，配合使用5~16 mm和16~31.5 mm二級(jí)級(jí)配，松散堆積密度，緊密空隙率，以達(dá)到連續(xù)級(jí)配，不能選用砂巖碎石。

4.4　外加劑選用要求

在混凝土中摻入外加劑，可大幅度減少混凝土單方用水量、新拌混凝土坍落度損失小，并可適量引氣，提高混凝土耐久性。此工程外加劑選用聚羧酸鹽高效減水劑，減水率可達(dá)到30%以上。

4.5　摻合料選擇要求

大體積海工混凝土摻合料不宜小于膠凝材料總量20%，可選用粉煤灰和磨細(xì)礦渣粉，選用粉煤灰具有膠凝、改密、減水、降低混凝土早期升溫、抵抗化學(xué)侵蝕、抑制骨料病害、降低氯離子滲透、提高混凝土護(hù)筋性等作用。礦渣粉和粉煤灰雙摻對(duì)于提高混凝土密實(shí)性和提高混凝土的耐腐蝕性都有積極的作用。

5新陽(yáng)大橋耐久性混凝土配合比設(shè)計(jì)

5.1　混凝土圖紙?jiān)O(shè)計(jì)達(dá)到要求

由于地下水對(duì)砼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，海水環(huán)境水對(duì)砼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性，設(shè)計(jì)圖紙要求采用普通硅酸鹽水泥。

但需對(duì)水下區(qū)(底板、消力池、灌注樁)和水位變動(dòng)區(qū)(閘墩、翼墻胸墻和錨錠墻、防護(hù)墩墻體)的砼采取以下措施：1)控制最大水灰比，要求水下區(qū)最大水灰比為0.50、水位變動(dòng)區(qū)及浪濺區(qū)最大水灰比為0.40。2)水泥最小用量：水下區(qū)325 kg、水位變動(dòng)區(qū)及浪濺區(qū)400 kg(摻加摻合料或外加劑時(shí)，應(yīng)遵循相關(guān)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定)。3)根據(jù)《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范》所測(cè)定的抗氯離子滲透性不應(yīng)大于2 000 C。4)砼抗?jié)B等級(jí)采用P8。

5.2　混凝土性能符合要求

閘室底板大體積混凝土選用摻有33%粉煤灰或復(fù)合摻20%粉煤灰以及20%礦渣粉、水膠比為0.47的C30混凝土。閘墩墩身選用摻有33%粉煤灰或復(fù)合摻20%粉煤灰以及20%礦渣粉、水膠比為0.40的C35混凝土。經(jīng)28 d抗壓強(qiáng)度適中，混凝土抗?jié)B性能可以達(dá)到要求。電通量技術(shù)指標(biāo)均小于2000 C，符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求?？杀眯阅?、56 d電通量性能均明顯優(yōu)于普通混凝土或低摻量粉煤灰混凝土的相關(guān)性能。

5.3　混凝土配合比控制參數(shù)達(dá)標(biāo)

閘室底板混凝土的水膠比為0.47, 膠凝材料總質(zhì)量為360 kg/m3，粉煤灰或粉煤灰、礦渣粉的摻量可保證混凝土強(qiáng)度，并可優(yōu)化新拌混凝土可泵性，降低56 d電通量和水化熱。閘墩墩身混凝土的水膠比為0.40，膠凝材料總質(zhì)量為430 kg/m3，粉煤灰、礦渣粉的摻量可保證混凝土強(qiáng)度。

6在耐久性混凝土生產(chǎn)過(guò)程中提高耐久性的措施

6.1　增強(qiáng)耐久性混凝土防腐蝕措施

配置使用高密實(shí)度的混凝土，優(yōu)化混凝土配合比，提高混凝土耐腐蝕性。主要通過(guò)以下技術(shù)措施來(lái)提高混凝土耐久性目的：

1)降低水膠比，研究表明水膠比不但對(duì)混凝土強(qiáng)度起到至關(guān)重要的作用，還對(duì)混凝土耐久性起到?jīng)Q定性作用。該工程中對(duì)于閘室底板大體積混凝土選用水膠比為0.48，閘墩大體積混凝土水膠比選用0.40。以混凝土耐久性指標(biāo)來(lái)確定混凝土水膠比。

2)雙摻粉煤灰和磨細(xì)礦渣粉，粉煤灰和礦渣粉能改善混凝土拌合物性能，提高混凝土可泵性，并使硬化混凝土密實(shí)度提高。由于粉煤灰和磨細(xì)礦渣粉的二次水化，使得混凝土的長(zhǎng)期性能大幅度提高且能減少混凝土的早期水化，使混凝土早期水化熱大幅降低有利于大體積混凝土的溫升控制。

3)優(yōu)質(zhì)砂石原材料以及聚羧酸鹽高效減水劑等的使用，減少了混凝土單方用水量，從而使得混凝土密實(shí)性得到提高。

4)合理使用優(yōu)質(zhì)引氣劑優(yōu)化混凝土孔結(jié)構(gòu)。研究表明摻加混凝土引氣劑能使混凝土中有害大的氣孔減少并改善混凝土的孔道連通性，混凝土泌水通道的減少必然使得混凝土的耐腐蝕性增強(qiáng)。

6.2　加強(qiáng)施工過(guò)程中管理

在整個(gè)馬鑾灣海堤口改造工程要嚴(yán)格控制施工配合比，施工中攪拌混凝土必須均勻，振搗必須到位，要遵守養(yǎng)護(hù)制度，使用混凝土養(yǎng)護(hù)劑涂刷立面混凝土表面。對(duì)于閘室底板大體積混凝土做混凝土保溫，并蓄水養(yǎng)護(hù)保持表面濕潤(rùn)，以利于混凝土的水化。海上混凝土構(gòu)件的侵蝕一般都是從表面上開(kāi)始的，在混凝土構(gòu)件終凝前要做原漿抹面壓光，增強(qiáng)混凝土建筑的表面密實(shí)度，或者采用表面浸漬和表面涂覆的手段來(lái)降低混凝土表面滲透性。

6.3　加強(qiáng)混凝土生產(chǎn)的管理

加強(qiáng)混凝土生產(chǎn)的管理，制定以下質(zhì)量管理控制點(diǎn)：

1)控制進(jìn)廠原材料的質(zhì)量。砂石材料重點(diǎn)檢查其含泥量和級(jí)配。水泥重點(diǎn)檢查其進(jìn)廠溫度、安定性和強(qiáng)度等。摻合料重點(diǎn)控制其活性指標(biāo)、細(xì)度、燒失量等指標(biāo)。減水劑重點(diǎn)檢查減水率以及對(duì)水泥的適應(yīng)性。做到進(jìn)廠原材料檢測(cè)合格后才能使用。

2)在生產(chǎn)過(guò)程中，確保計(jì)量的準(zhǔn)確性，定期對(duì)攪拌站的計(jì)量電子秤校準(zhǔn)，并在生產(chǎn)過(guò)程中觀察計(jì)量誤差情況，出現(xiàn)異常情況及時(shí)查找原因。

3)砂石含水率每臺(tái)班進(jìn)行至少兩次測(cè)定，調(diào)整混凝土下料配合比，確保混凝土的水膠比符合設(shè)定要求。

4)按照標(biāo)準(zhǔn)要求做好混凝土的出廠檢測(cè)，坍落度以及和易性不合格不得出廠。

5)大體積混凝土澆筑要注意混凝土的連續(xù)作業(yè)，做好混凝土的生產(chǎn)調(diào)度，調(diào)度員時(shí)刻關(guān)注車輛GPS定位，做到現(xiàn)場(chǎng)混凝土的連續(xù)澆筑，避免出現(xiàn)施工縫。

7結(jié)語(yǔ)

混凝土耐久性對(duì)于新陽(yáng)大橋及馬鑾灣海堤開(kāi)口改造具有重要意義，是整個(gè)工程的重點(diǎn)控制內(nèi)容，也是技術(shù)難點(diǎn)。如何提高混凝土耐久性，取決于各種原材料的選用要求和配合比。

在大體積海工混凝土工程施工過(guò)程中，配合比設(shè)計(jì)方案必須科學(xué)合理，要建立以和易性和耐久性為目標(biāo)的設(shè)計(jì)理念，充分體現(xiàn)現(xiàn)代高性能混凝土工作中所發(fā)揮的作用，在保證原材料質(zhì)量、準(zhǔn)確計(jì)量、精心組織施工的條件下可以達(dá)到工程質(zhì)量的控制要求，進(jìn)一步保證了新陽(yáng)大橋及馬鑾灣海堤開(kāi)口改造的工程質(zhì)量。目前，該工程已基本竣工，經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土構(gòu)件實(shí)體鉆芯抽樣檢測(cè)，其強(qiáng)度和耐久性指標(biāo)都滿足了設(shè)計(jì)要求。

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