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摘要：普通混凝土主要是依据立方体抗压强度进行配制，碎石起骨架作用，砂填充碎石的空隙，水泥浆填充骨料空隙并将骨料结合在一起。而没有充分考虑结构物所接触的大气﹑土体和水体对混凝土结构材料性能的劣化作用，尤其是海水中氯离子对混凝土结构物的侵蚀作用。本文探讨了海工混凝土配合比的设计及海工耐久性混凝土配制时原材料的选择。
关键词：耐久性混凝土；原材料选择；配合比设计
Abstract：Ordinary concrete is mainly based on the cubic compressive strength are prepared, gravel framework, sand filling macadam cement slurry filling aggregate voids voids, and the aggregate together. Without fully considering the structure of the atmosphere, soil and water contact material on concrete structure performance deterioration, especially seawater chloride ion in concrete structure erosion. This paper discusses the marine concrete mix ratio design and marine durability of concrete raw material selection.
Key words: durability of concrete; material selection; mix design
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
我国水泥混凝土工程建设发展日益迅速，对混凝土的质量要求越来越高。混凝土作为目前建筑领域主要的结构材料，其耐久性的重要性已不亚于力学强度和其它性能。以往，普通混凝土主要以立方体抗压强度为设计依据的配制方式，已经远远满足不了当今建筑工程对混凝土的要求。不少混凝土建筑因材质劣化引起开裂甚至崩塌，海港工程与桥梁尤为多见，它们的破坏原因往往不是强度不足，而是耐久性不够。
一、海工混凝土设计背景
众所周知，影响混凝土耐久性的因素很多。结构物所接触的大气、土体和水体都是影响混凝土结构材料性能的重要因素，其中海洋环境中的氯离子渗透是主要因素。除此之外，冻融循环是水工、海工混凝土又一破坏因素，而碱骨料反应导致结构物膨胀开裂，会加速氯离子渗透和钢筋锈蚀。因此，应从多方面考虑，对耐久性混凝土进行综合分析。
海工混凝土不仅要满足传统混凝土的力学性能，还要切实提高混凝土的抗渗透性能，降低混凝土收缩开裂趋势。提高混凝土结构的抗渗性，需要使用高性能混凝土。为了降低混凝土材料的开裂，应当优选原材料，合理配合比。
二、原材料的选择
随着公路工程对水泥混凝土材料质量要求的逐步提高，混凝土中越来越多地使用“双掺技术”，即在混凝土中掺用化学外加剂与矿物掺合料来改善拌合物的工作性能，提高混凝土物理力学性能和耐久性，保障工程质量。“双掺技术”已经成为国际公认的制备高性能混凝土的必备手段。
外加剂
对于海工耐久性混凝土的配制，应优先选用减水率较高的聚羧酸系减水剂。聚羧酸系减水剂具有强力分散作用，减水率可高达40%，极大的降低了单方混凝土的用水量，在一定时间内混凝土保坍性好。而且聚羧酸系减水剂碱含量和氯离子含量低。但是聚羧酸系减水剂气泡过大，大气泡对混凝土的抗冻性不利，且这种减水剂对掺量极为敏感，混凝土配合比不合适时极易导致混凝土出现离析泌水现象。最主要的是聚羧酸系减水剂与水泥及掺合料之间存在相容性问题，因此在选定外加剂时，必须首先进行外加剂与水泥以及掺合料的适应性检验，不适应的外加剂不得使用。对选用的外加剂要求如下：
表1. 外加剂指标要求
2.掺合料
混凝土矿物掺合料具有一定的细度和水硬活性，可以改善混凝土拌合物和硬化混凝土性能，特别是耐久性能。常用的掺合料有很多种，如磨细矿渣粉、粉煤灰、硅灰等。根据工程需要，可以选用S75级高炉磨细矿渣粉和I级粉煤灰。
磨细矿渣粉可以改善混凝土内部孔隙结构，适用于海水等环境中的混凝土结构物。用于配制高性能混凝土，以降低水泥用量，减少水化热温升，提高混凝土结构物抗裂性以及抗氯离子渗透能力。
粉煤灰的水化热低，有利于混凝土表面温度裂缝的控制。I级粉煤灰适用于有抗冻、防腐蚀等要求的钢筋混凝土结构和构件。磨细矿渣粉和I级粉煤灰两种掺合料同时使用后能够有效增强混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力，有利于改善混凝土的耐久性能。
1）对S75级高炉磨细矿渣粉的质量要求
S75级高炉磨细矿渣粉烧失量不应大于3%，比表面积宜在360-440㎡/kg之间，流动度比应不小于95%。对于海工混凝土而言，S75级矿渣粉的28d活性指数宜不小于90%，水溶性氯离子含量不宜大于0.02%。其它质量指标应符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046－2008）的要求。
表2.矿粉指标要求
2）对I级粉煤灰的质量要求
I级粉煤灰细度适中、烧失量小、流动度大。烧失量不应大于5%，需水量比不应大于95%。其它质量指标应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596－2005）的规定，如下表。
表3.粉煤灰指标要求
3.水泥
在以往混凝土工程中，水泥的抗折、抗压强度满足相关要求可能是首先要考虑的条件。但是，对于海工混凝土而言，强度不是主要的，也不是首要的，首要的是水泥的匀质性。
配制海工耐久性混凝土不得使用立窑水泥，应避免使用早强、水化热较高和高C3A含量的水泥。为保证混凝土的耐久性要求水泥具有低的开裂敏感性（比表面积宜控制在350㎡/kg左右），良好的匀质性以及尽可能低的需水量，较低的需水量对混凝土的抗冻性能也有利。
在水泥比表面积﹑凝结时间﹑安定性﹑抗折抗压强度等满足现行《通用硅酸盐水泥》(GB175－2007)规范要求的基础上，还应重点考查其碱含量﹑SO3含量﹑水溶性氯离子含量等影响混凝土耐久性能的指标。具体要求见下表。
表4.水泥指标要求
4.骨料
配制耐久性混凝土必須充分重视骨料的质量，骨料质量的好坏，首先要看级配和粒形。要想得到耐久性好的混凝土就要用最大量的骨料和足够包裹骨料的最少量的浆体拌制出具有良好工作性能的拌合物。对海工混凝土而言，在选择料源时，必须对集料潜在活性进行检测，不得使用可能发生碱-集料反应的活性集料。
1）细集料
细骨料应选用颗粒坚硬、强度高、耐风化的天然河砂。级配合理，宜选用中砂，细度模数以2.6-2.9为宜，含泥量不应大于2.0%，泥块含量不应大于0.5%。其它质量指标应符合《建筑用砂》(GB/T14684－2001)标准要求。具体指标见表5。
表5.砂指标要求
2）粗集料
粗集料应选用坚固性好﹑级配合理﹑粒形良好的洁净骨料。其中，针片状含量不宜大于8.0%，含泥量不应大于0.5%，泥块含量不应大于0.25%，压碎值不宜大于14%。其它质量指标应符合现行《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685－2001)的规定。
表6.碎石指标要求
三、海工耐久性混凝土配合比设计
混凝土耐久性设计的常用方法是规定最低强度和最大水胶比的限值。过分强调混凝土的强度或为了保证足够强度而提高水泥用量，会对耐久性带来不良后果。在满足混凝土单方体积胶凝材料最低用量要求的前提下，尽可能降低水泥用量，并提倡适当加大矿物掺合料的用量，以降低混凝土水化热温升和提高混凝土抗氯离子渗透性能。
1.耐久性配合比设计的特殊要求
本设计的海工耐久混凝土，其胶体组份按质量百分比为：
水泥：15-40%
矿粉：35-60%
粉煤灰：10-25%
此外，砂率宜控制在35-45%之间，水胶比宜在0.50以下，胶凝材料总量不宜少于320kg/ m³。
2. 配合比具体实施方式
表7.各配合比的具体实施方式
3.各设计方式的混凝土性能指標
表8. 混凝土性能指标
海工耐久性混凝土的抗冻性
混凝土的抗冻性能一般采用混凝土（抗冻）耐久性指数DF来反映，即按标准试验方法，混凝土标准试件经规定次数快速冻融循环试验后的动弹性模量与初始弹性模量的比值。
针对冻融破坏，采用降低水胶比，掺加引气剂，构建气泡间距小于0.25mm的微孔群，容纳结冰引起的迁移水分，确保冻融循环次数满足要求。针对潜在的碱骨料反应，使用非活性集料，并同时控制水泥和混凝土中的碱含量，使用大掺量矿物掺合料等，有效抑制长期浸泡在海水环境中的混凝土碱骨料反应。而且，掺加引气剂还能提供混凝土坍落度、流动性和可塑性，减少混凝土泌水和离析。
冻融环境中，混凝土的最低强度等级﹑最大水胶比﹑最大氯离子含量应满足混凝土耐久性基本要求。混凝土构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值满足规范要求。
本设计对有抗冻性要求的结构部位的混凝土，掺加的是松香热聚物引气剂，其掺量为胶凝材料总量的0.01%-0.04%，混凝土中含气量控制在4%-6%之间。
海工耐久性混凝土的早期防裂
海工混凝土掺有大量掺合料，且胶结料用量较多，水胶比较小。因此，混凝土处理不妥易出现早期开裂现象。混凝土一旦开裂，其耐久性就无从谈起。所以，在早期就应该及时采取控制裂缝措施。采用聚羧酸系列缓凝高效减水剂，限制混凝土的最大水胶比，在保证混凝土拌合物所需的流动性的同时，尽量降低用水量，推迟混凝土中水泥水化热的时间，减小结构物的裂缝宽度，降低混凝土的总空隙，特别是毛细空隙。
本设计在混凝土配置初期都做了混凝土平板抗裂试验，抗裂等级为1级，符合相关规范要求。
结论
总之，要想保证混凝土的耐久性能，就要做到以下几点：
1.优选混凝土所用的原材料，并加大进场原材料的控制，把好混凝土质量控制第一关。
2.采用混凝土外加剂和矿物掺合料的“双掺技术”，并保证适当的掺量，以大幅提高混凝土内部结构的致密性和降低混凝土水胶比。
3.对于容易产生温差裂缝的大体积混凝土，应适当降低单方混凝土胶凝材料，特别是水泥的用量。
4.对于有抗冻要求的混凝土，建议在混凝土中掺加引气剂或含有引气效果的复合型外加剂，以控制新拌混凝土的含气量指标。
参考文献：
[1] 混凝土结构耐久性设计与施工指南CCES 01-2004
[2] 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTG/T B07-01-2006
[3] 水运工程混凝土试验规程JTJ 270-1998
[4] 公路桥涵施工技术规范JTG/T F50-2011
[5] 混凝土外加剂GB 8076-2008
关键词：耐久性混凝土；原材料选择；配合比设计
Abstract：Ordinary concrete is mainly based on the cubic compressive strength are prepared, gravel framework, sand filling macadam cement slurry filling aggregate voids voids, and the aggregate together. Without fully considering the structure of the atmosphere, soil and water contact material on concrete structure performance deterioration, especially seawater chloride ion in concrete structure erosion. This paper discusses the marine concrete mix ratio design and marine durability of concrete raw material selection.
Key words: durability of concrete; material selection; mix design
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
我国水泥混凝土工程建设发展日益迅速，对混凝土的质量要求越来越高。混凝土作为目前建筑领域主要的结构材料，其耐久性的重要性已不亚于力学强度和其它性能。以往，普通混凝土主要以立方体抗压强度为设计依据的配制方式，已经远远满足不了当今建筑工程对混凝土的要求。不少混凝土建筑因材质劣化引起开裂甚至崩塌，海港工程与桥梁尤为多见，它们的破坏原因往往不是强度不足，而是耐久性不够。
一、海工混凝土设计背景
众所周知，影响混凝土耐久性的因素很多。结构物所接触的大气、土体和水体都是影响混凝土结构材料性能的重要因素，其中海洋环境中的氯离子渗透是主要因素。除此之外，冻融循环是水工、海工混凝土又一破坏因素，而碱骨料反应导致结构物膨胀开裂，会加速氯离子渗透和钢筋锈蚀。因此，应从多方面考虑，对耐久性混凝土进行综合分析。
海工混凝土不仅要满足传统混凝土的力学性能，还要切实提高混凝土的抗渗透性能，降低混凝土收缩开裂趋势。提高混凝土结构的抗渗性，需要使用高性能混凝土。为了降低混凝土材料的开裂，应当优选原材料，合理配合比。
二、原材料的选择
随着公路工程对水泥混凝土材料质量要求的逐步提高，混凝土中越来越多地使用“双掺技术”，即在混凝土中掺用化学外加剂与矿物掺合料来改善拌合物的工作性能，提高混凝土物理力学性能和耐久性，保障工程质量。“双掺技术”已经成为国际公认的制备高性能混凝土的必备手段。
外加剂
对于海工耐久性混凝土的配制，应优先选用减水率较高的聚羧酸系减水剂。聚羧酸系减水剂具有强力分散作用，减水率可高达40%，极大的降低了单方混凝土的用水量，在一定时间内混凝土保坍性好。而且聚羧酸系减水剂碱含量和氯离子含量低。但是聚羧酸系减水剂气泡过大，大气泡对混凝土的抗冻性不利，且这种减水剂对掺量极为敏感，混凝土配合比不合适时极易导致混凝土出现离析泌水现象。最主要的是聚羧酸系减水剂与水泥及掺合料之间存在相容性问题，因此在选定外加剂时，必须首先进行外加剂与水泥以及掺合料的适应性检验，不适应的外加剂不得使用。对选用的外加剂要求如下：
表1. 外加剂指标要求
2.掺合料
混凝土矿物掺合料具有一定的细度和水硬活性，可以改善混凝土拌合物和硬化混凝土性能，特别是耐久性能。常用的掺合料有很多种，如磨细矿渣粉、粉煤灰、硅灰等。根据工程需要，可以选用S75级高炉磨细矿渣粉和I级粉煤灰。
磨细矿渣粉可以改善混凝土内部孔隙结构，适用于海水等环境中的混凝土结构物。用于配制高性能混凝土，以降低水泥用量，减少水化热温升，提高混凝土结构物抗裂性以及抗氯离子渗透能力。
粉煤灰的水化热低，有利于混凝土表面温度裂缝的控制。I级粉煤灰适用于有抗冻、防腐蚀等要求的钢筋混凝土结构和构件。磨细矿渣粉和I级粉煤灰两种掺合料同时使用后能够有效增强混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力，有利于改善混凝土的耐久性能。
1）对S75级高炉磨细矿渣粉的质量要求
S75级高炉磨细矿渣粉烧失量不应大于3%，比表面积宜在360-440㎡/kg之间，流动度比应不小于95%。对于海工混凝土而言，S75级矿渣粉的28d活性指数宜不小于90%，水溶性氯离子含量不宜大于0.02%。其它质量指标应符合《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T18046－2008）的要求。
表2.矿粉指标要求
2）对I级粉煤灰的质量要求
I级粉煤灰细度适中、烧失量小、流动度大。烧失量不应大于5%，需水量比不应大于95%。其它质量指标应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596－2005）的规定，如下表。
表3.粉煤灰指标要求
3.水泥
在以往混凝土工程中，水泥的抗折、抗压强度满足相关要求可能是首先要考虑的条件。但是，对于海工混凝土而言，强度不是主要的，也不是首要的，首要的是水泥的匀质性。
配制海工耐久性混凝土不得使用立窑水泥，应避免使用早强、水化热较高和高C3A含量的水泥。为保证混凝土的耐久性要求水泥具有低的开裂敏感性（比表面积宜控制在350㎡/kg左右），良好的匀质性以及尽可能低的需水量，较低的需水量对混凝土的抗冻性能也有利。
在水泥比表面积﹑凝结时间﹑安定性﹑抗折抗压强度等满足现行《通用硅酸盐水泥》(GB175－2007)规范要求的基础上，还应重点考查其碱含量﹑SO3含量﹑水溶性氯离子含量等影响混凝土耐久性能的指标。具体要求见下表。
表4.水泥指标要求
4.骨料
配制耐久性混凝土必須充分重视骨料的质量，骨料质量的好坏，首先要看级配和粒形。要想得到耐久性好的混凝土就要用最大量的骨料和足够包裹骨料的最少量的浆体拌制出具有良好工作性能的拌合物。对海工混凝土而言，在选择料源时，必须对集料潜在活性进行检测，不得使用可能发生碱-集料反应的活性集料。
1）细集料
细骨料应选用颗粒坚硬、强度高、耐风化的天然河砂。级配合理，宜选用中砂，细度模数以2.6-2.9为宜，含泥量不应大于2.0%，泥块含量不应大于0.5%。其它质量指标应符合《建筑用砂》(GB/T14684－2001)标准要求。具体指标见表5。
表5.砂指标要求
2）粗集料
粗集料应选用坚固性好﹑级配合理﹑粒形良好的洁净骨料。其中，针片状含量不宜大于8.0%，含泥量不应大于0.5%，泥块含量不应大于0.25%，压碎值不宜大于14%。其它质量指标应符合现行《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685－2001)的规定。
表6.碎石指标要求
三、海工耐久性混凝土配合比设计
混凝土耐久性设计的常用方法是规定最低强度和最大水胶比的限值。过分强调混凝土的强度或为了保证足够强度而提高水泥用量，会对耐久性带来不良后果。在满足混凝土单方体积胶凝材料最低用量要求的前提下，尽可能降低水泥用量，并提倡适当加大矿物掺合料的用量，以降低混凝土水化热温升和提高混凝土抗氯离子渗透性能。
1.耐久性配合比设计的特殊要求
本设计的海工耐久混凝土，其胶体组份按质量百分比为：
水泥：15-40%
矿粉：35-60%
粉煤灰：10-25%
此外，砂率宜控制在35-45%之间，水胶比宜在0.50以下，胶凝材料总量不宜少于320kg/ m³。
2. 配合比具体实施方式
表7.各配合比的具体实施方式
3.各设计方式的混凝土性能指標
表8. 混凝土性能指标
海工耐久性混凝土的抗冻性
混凝土的抗冻性能一般采用混凝土（抗冻）耐久性指数DF来反映，即按标准试验方法，混凝土标准试件经规定次数快速冻融循环试验后的动弹性模量与初始弹性模量的比值。
针对冻融破坏，采用降低水胶比，掺加引气剂，构建气泡间距小于0.25mm的微孔群，容纳结冰引起的迁移水分，确保冻融循环次数满足要求。针对潜在的碱骨料反应，使用非活性集料，并同时控制水泥和混凝土中的碱含量，使用大掺量矿物掺合料等，有效抑制长期浸泡在海水环境中的混凝土碱骨料反应。而且，掺加引气剂还能提供混凝土坍落度、流动性和可塑性，减少混凝土泌水和离析。
冻融环境中，混凝土的最低强度等级﹑最大水胶比﹑最大氯离子含量应满足混凝土耐久性基本要求。混凝土构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值满足规范要求。
本设计对有抗冻性要求的结构部位的混凝土，掺加的是松香热聚物引气剂，其掺量为胶凝材料总量的0.01%-0.04%，混凝土中含气量控制在4%-6%之间。
海工耐久性混凝土的早期防裂
海工混凝土掺有大量掺合料，且胶结料用量较多，水胶比较小。因此，混凝土处理不妥易出现早期开裂现象。混凝土一旦开裂，其耐久性就无从谈起。所以，在早期就应该及时采取控制裂缝措施。采用聚羧酸系列缓凝高效减水剂，限制混凝土的最大水胶比，在保证混凝土拌合物所需的流动性的同时，尽量降低用水量，推迟混凝土中水泥水化热的时间，减小结构物的裂缝宽度，降低混凝土的总空隙，特别是毛细空隙。
本设计在混凝土配置初期都做了混凝土平板抗裂试验，抗裂等级为1级，符合相关规范要求。
结论
总之，要想保证混凝土的耐久性能，就要做到以下几点：
1.优选混凝土所用的原材料，并加大进场原材料的控制，把好混凝土质量控制第一关。
2.采用混凝土外加剂和矿物掺合料的“双掺技术”，并保证适当的掺量，以大幅提高混凝土内部结构的致密性和降低混凝土水胶比。
3.对于容易产生温差裂缝的大体积混凝土，应适当降低单方混凝土胶凝材料，特别是水泥的用量。
4.对于有抗冻要求的混凝土，建议在混凝土中掺加引气剂或含有引气效果的复合型外加剂，以控制新拌混凝土的含气量指标。
参考文献：
[1] 混凝土结构耐久性设计与施工指南CCES 01-2004
[2] 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTG/T B07-01-2006
[3] 水运工程混凝土试验规程JTJ 270-1998
[4] 公路桥涵施工技术规范JTG/T F50-2011
[5] 混凝土外加剂GB 8076-2008