江苏四通路桥工程有限公司 江苏省 215200
摘要：本文根据海洋氯化物环境中综合管廊工程对混凝土的特殊要求，通过一个高性能耐久性混凝土的配合比设计方案及优化实例，讲解了这种高性能混凝土的设计方案和优化思路。
关键词：高耐久性砼；裂缝宽度控制；氯离子扩散系数
温州瓯江口新区一期市政工程PPP项目，其中含五条综合管廊，长约12km，高性能耐久性混凝土方量约为12万m3。本项目管廊工程处于沿海的浅滩围涂区域，属于海洋氯化物环境，综合管廊工程的结构设计使用年限实际是永久性设计，因此设计使用年限和环境类别应进行耐久性设计。
本工程所采用的高性能耐久性砼为常规原材料经配比优化设计和特殊工艺制作而成的，在沿海环境中具有高耐久性、高稳定和良好工作性，混凝土所用的水泥、辅助胶凝材料、粗集料、外加剂等原材料和混凝土配合比、拌合、浇筑、养护等均不同于普通混凝土施工。因其独特的性能要求和特殊的使用环境，对其各方面的性能提出了更高的要求。结合特有的使用环境，综合各项标准要求，我们对该项目的高耐久性砼配比按以下方式进行了设计和优化。
1.依据国家标准与规范
（1）《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）
（2）《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008
（3）《高性能混凝土应用技术规程》（CECS 207：2006）
（4）《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000）
（5）《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》
（6）《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T 10-2011）
（7）《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T 193-2009）
（8）《混凝土强度检验评定标准》（GB/T 50107-2010）
（9）《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）
（10）《防腐阻锈剂》（GB/T 31296-2014）
2. 高耐久性混凝土配合比设计与优化
2.1 设计要求
设计使用年限：120年；
? 综合管廊及其附属工程结构混凝土强度等级：为C40防水混凝土，
? 抗渗标号P8；
结构裂缝控制等级为三级，结构构件的最大裂缝宽度限值不应大于0.2mm，且不得贯通；
? 结构安全等级为一级；
? 腐蚀环境：根据勘察报告，场地环境类型为Ⅱ类环境，地下水对混凝土及钢筋具有微腐蚀性，为增加管廊结构的抗侵蚀与抗渗性，建议在水泥中添加RMA海水耐蚀剂。
? 2.2 混凝土结构的环境作用等级与腐蚀分析
瓯江口综合管廊工程处于近海或海洋环境，属于地下结构中外侧接触地下水面内侧接触空气的混凝土结构，环境作用等级属于重度盐雾区离平均水位15m以内的海上大气区，离涨潮岸线100m内的陆上室外环境，属于腐蚀环境。管廊箱体属直接接触冰盐的构件水平表面与含有高浓度氯盐8的土体或水体接触的构件。
根据《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）相关规定可知，该结构处于地下水中，且为近海区域，所处环境类别可判定为Ⅳ-E或III-E. 混凝土结构设计使用年限为120年，环境作用等级按C级别考虑其混凝土强度等级不应低于C40。如果环境作用等级按E级别考虑，其混凝土强度等级不应低于C50。
当环境作用等级为C 或C 级以上时，构件所需的混凝土强度等级常取决于耐久性的要求（尤其是受弯构件），应首先进行耐久性设计而后作荷载作用下的构件承载力与变形验算，即混凝土配合比设计时，必须首先满足耐久性指标的设计要求，再此基础上，混凝土实际强度不低于设计强度。
表6 混凝土抗氯离子侵入性指标
2.3.1.2 粗骨料
粗骨料应选用粒形良好、级配合理、质地均匀、材质坚固、线胀系数小的洁净碎石，可采用碎卵石，不宜采用砂岩碎石，应符合《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）相关规定，紧密堆积空隙率应不大于40%。
2.3.1.3 细骨料
细骨料应选用材质均匀坚固、级配合理、含泥量低、空隙率小、吸水率低的洁净天然中粗河砂，也可选用专门机组生产的人工砂。不宜使用山砂，不得用海砂，应符合《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）相关规定。
2.3.1.4 粉煤灰
混凝土宜使用干排法原状粉煤灰，应符合《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）相关规定。
2.3.1.5 矿渣粉
混凝土宜使用S95矿渣粉，应符合《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）相关规定，且比表面积不宜大于500m2/kg。
2.3.1.6 水
混凝土拌合用水宜采用饮用水，不得使用影响水泥正常凝结、硬化和促使钢筋锈蚀的拌合水，应符合《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）相关规定。
2.3.1.7 减水剂
减水剂应采用减水率高、适量引气、坍损小、能显著提高混凝土的耐久性，且质量稳定的产品。外加剂与水泥之间应保持良好的相容性，符合《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）相关规定。
2.3.1.8 防腐阻锈剂
防腐阻锈剂各项技术指标应符合《防腐阻锈剂》（GB/T 31296-2014）相关规定。
2.3.2 高耐久性混凝土配合比设计原则
根据《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）要求，综合管廊混凝土使用寿命为100年，要求28d氯离子扩散系数小于7.0×10-12m2/s；设计强度等级为不低于C40，抗渗性为不低于P8。其中28天氯离子扩散系数的要求是针对大掺量矿物掺合料混凝土，对于胶凝材料主要成分为硅酸盐的混凝土，应采取更加严格的要求。
据此确定高耐久性混凝土的水胶比应不大于0.40，胶凝材料总量为440 kg/m3和470 kg/m3，宜采用P.O 42.5水泥，水胶比在0.35~0.38之间；
此外，试验时材料粉煤灰掺量为20%和25%，矿粉选用30%和35%两个掺量；矿物掺合料总量为胶凝材料的50%~60%范围；
为保证硬化混凝土的力学性能和耐久性，兼顾施工要求，混凝土拌合物坍落度控制在180±20mm；
混凝土砂率采用42%，大小石子比例经试验优化，以获得最小空隙率为原则；
阻锈剂掺量为胶凝材料总用量的6%；采用聚羧酸系高性能减水剂，以减少硬化混凝土的干燥收缩和开裂风险。
2.3.3 高耐久性混凝土配合比试验优化
根据施工现场原材料和大量的混凝土试验结果，考虑现场气候条件，优化得到2个高耐久性混凝土配合比，分别用于不同季节施工。11月份-4月份气温相对较低，为保证混凝土拆模时间和早期强度，采用较高胶凝材料用量的配合比，参数如下：胶凝材料（B）总量470kg/m3，水胶比（W/B）控制在0.360.01，矿粉（SG）为胶材用量25%，粉煤灰（FA）用量为胶材用量的25%，砂率（Sp）采用42%，大小石子比例为1：1；5月份-10月份气温相对较高，高耐久性混凝土配合比参数如下：水胶比（W/B）控制在0.360.01，胶凝材料（B）总量470kg/m3，矿粉（SG）为胶凝材料总量35%，粉煤灰（FA）用量为胶凝材料总量的25%，砂率采用42%，大小石子比例为1：1，详见下表。
图1 温州市自然年气温走势图
2.3.4 高耐久性混凝土配合比先进性和经济性
本高耐久性混凝土配合比优化依据国家规范和行业标准对海工环境混凝土结构耐久性的规定和设计要求，充分考虑了设计单位对管廊工程的使用年限100年和力学性能设计要求。同时，在必须满足设计要求的前提下做到了经济合理。具体体现在如下几个方面：
（1）采用量大面广的P.O. 42.5水泥作为胶凝材料之一，容易采购且质量稳定，没有采用PII 52.5硅酸盐水泥，且采用了较大掺量的矿物掺合料。矿物掺合料中粉煤灰采用II级粉煤灰，经济性好。矿渣使用S95矿渣粉，都符合《海港工程高性能混凝土质量控制标准》（JTS 257-2-2012）和《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T 50476-2008）相关规定。
（2）为保证混凝土工作性和耐久性要求，对水泥（≥300 m2/kg且≤350 m2/kg）和矿渣粉（且≤500 m2/kg）的比表面积提出了限制性要求，这样在不增加成本的前提下，保证了混凝土拌合物的工作性稳定，改善了减水剂适应性，降低了材料成本和管理成本。
（3）通过系列试验优化大小石子的比例，获得骨料最密集堆积，减小胶凝材料的用量，改善了混凝土的体积稳定性。具有很好的技术和经济意义。
（4）配制成混凝土的28天抗压强度在55~60MPa，氯离子扩散系数（3.9~5.7）×10-12m2/s，满足混凝土高耐久性设计规范规定和设计要求。
3. 高耐久性混凝土应用效果
本项目综合管廊高耐久性混凝土配合比在实际应用过程中效果良好，主要表现在：
1、砼的粘性特别大，有很强的抓地性。导致砼在下料过程中要辅以振捣棒振捣下料；
2、砼有很好的延展性。砼入模后自动向四面扩展，有较好的自密实性能；
3、本项目的管廊标准分节长度为30m，现场检测发现，砼表面没有出现明显的、有规则的收缩裂纹和裂缝。仅在结构变化，应力集中的部位（如洞口附近）出现少量的结构性裂缝。中国建筑材料联合会、中国混凝土与水泥制品协会标准《城市综合管廊结构混凝土应用技术规程》编制组第二次工作会议于 2018年 09 月 14 日在本项目工地召开，与会的专家代表充分肯定了这次高耐久性混凝土对控制裂缝的积极意义。
论文作者:任日东
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第24期
论文发表时间:2019/6/24
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