覃艺杰

（广东交科检测有限公司，广东 广州 510550）

0 引言

与普通混凝土相比，海工高性能混凝土的特点是水胶比低以及大掺量优质掺合料，以期满足海工高性能混凝土结构耐久性要求。要达到耐久性的要求，首先，设计过程中要突出耐久性要求，其次，要严格控制原材料质量，最重要的是配合比的设计及优化，而配合比的设计及优化，主要是通过双掺技术来实现的，即在保证强度的前提下，减少胶凝材料中硅酸盐水泥用量，增加粉煤灰、矿渣粉的掺量，增强混凝土的密实性以期达到耐久性设计指标电通量或氯离子扩散系数要求以及满足工程施工需求。

该文通过工程实例，对同一胶凝材料用量，不同掺量的粉煤灰、矿渣粉，进行海工高性能混凝土的设计及优化，以RCM法检测混凝土氯离子扩散系数为主要检测指标兼顾工作性（坍落度扩展度等）及强度指标来定量判定海工高性能混凝土优化后的性能能否满足工程设计要求。

1 工程概况

珠海市鹤洲至高栏港高速公路一期工程主线全长18.054km，全线设特大桥15038.456m/8座（含主线高架桥），大桥2423.25m/3座，设鹤洲北（枢纽）、鹤洲南（枢纽）、白藤、红旗、大林（枢纽）互通立交共5处。该项目于2017年11月1日开工，分别于2020年12月4日、2021年9月22日通过交工验收，质量等级为合格。该工程大部分结构物处于近海或海洋氯化物环境，海上及近海范围（涨潮岸线以外100m~300m范围内的陆上环境）环境作用影响程度Ⅲ-D及以上，根据《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》（JTG/T 3310-2019）混凝土耐久性补充设计指标为电通量或抗氯离子扩散系数。为保证各结构水泥混凝土具有优秀的抵抗氯离子渗透的能力，该工程设计明确环境作用影响程度Ⅲ-D及以上各结构混凝土氯离子渗透性能要求及配合比设计要求，见表1。

表1 海上桥梁混凝土配合比要求对照表

2 试验概述

2.1 试验方案

基准配合比为水泥∶粉煤灰∶矿渣粉∶砂∶小石(5mm~10mm碎石)∶大石（10mm~25mm碎石）∶水∶减水剂=201∶125∶94∶741∶222∶890∶147∶5.040。胶凝材料用量为420kg/m，水胶比为0.35，砂率为40%，碎石掺配比例为小石（5mm~10mm碎石）∶大石（10mm~25mm碎石）=20%∶80%，减水剂掺量为1.2%。设计坍落度为180±20mm，设计坍落扩展度为≥450mm。

以上述HGTJ1标C40墩柱高性能混凝土配合比为基准，运用控制变量法，在同一胶凝材料用量、同一水胶比、同一砂率、同一碎石掺配比例、同一外加剂掺量的前提下，只改变粉煤灰、矿渣粉用量，即每方混凝土中粉煤灰依次减少10kg，相应的矿渣粉增加10kg，确保不改变胶凝材料总用量，各组配合比见表2。

表2 各组配合比中各材料用量

各配合比分别试拌混凝土，观察混凝土的工作性，检测坍落度及坍落扩展度，同时各配合比成型试件6组，其中2组检测28d抗压强度，另取2组检测28d氯离子扩散系数，最后2组检测56d氯离子扩散系数。为尽量避免试验误差，减少成型的混凝土试件的不均匀性，该试验成型的试件均为150mm×150mm×150mm立方体试件，检测氯离子扩散系数前需钻芯、切割、磨平为标准RCM法氯离子扩散系数试件。

2.2 试验材料

水泥采用英德海螺P·Ⅱ42.5水泥，标准稠度为26.8%，比表面积为346m/kg，28d抗压强度为51.1MPa；粉煤灰采用国电谏壁F类Ⅰ级粉煤灰，细度为8.4%，烧失量为1.47%，须水量比为96%；矿渣粉采用唐山曹妃甸S95级矿渣粉，比表面积为437m/kg，流动度比为103%，28d活性指数为97%；减水剂采用江苏苏博特PCA-Ⅰ型高性能减水剂（缓凝型），减水率为28%，28天抗压强度比为132%；水为饮用水；细集料为广东北江河砂，细度模数为2.77，级配满足JTG/T 3650-2020中2区中砂技术要求；粗集料为开平锦兴石场5~25mm级配碎石，含泥量为0.6%，针、片状颗粒含量为3.9%，压碎值为14.6%（试验方法为JTG E42-2005中T 0316-2005）。

2.3 试验方法

采用SJD-60L型强制式混凝土拌合机，按JTG 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中T 0521-2005试验方法拌制水泥混凝土拌合物，以T 0522-2005方法检测水泥混凝土拌合物坍落度，并目测评定水泥混凝土拌合物工作性；以T 0532-2020方法检测水泥混凝土拌合物坍落度扩展度。最后以该水泥混凝土拌合物成型6组150mm×150mm×150mm立方体试件，其中2组检测28d抗压强度，另取2组检测28d氯离子扩散系数，最后2组检测56d氯离子扩散系数。其中氯离子扩散系数按T 0579-2020方法（即RCM法）测定，所用仪器为RCM-NTB型混凝土氯离子扩散系数快速测定仪及HEL-VJH型混凝土智能真空饱水机，所测得的是水泥混凝土的非稳态氯离子迁移系数，俗称氯离子扩散系数。

RCM法基本原理是外加电场作用下氯离子在混凝土中的迁移速率变快，利用AgNO溶液显色指示剂检测混凝土中氯离子的渗透深度，再基于Nernst-Planck方程计算氯离子非稳态扩散系数。该方法的试验步骤如下。1）成型150mm×150mm×150mm立方体试件，钻芯、切割、磨平为直径100mm、高50mm的圆柱体混凝土试件，并养护至试验龄期；2）将试件在饱和面干状态下置于真空容器中进行真空处理3h，将饱和氢氧化钙溶液注入浸没1h后恢复常压，并继续浸泡（18±2）h；3）将试件装入有机硅橡胶套并用环箍箍紧；4）将试件上下面分别浸没于0.3mol/L氢氧化钠及10%质量分数的氯化钠的溶液中置于支架上，并连接阴阳电极；5）试验温度控制在20℃~25℃，给试件两端施加30V±2V的直流电压，记录初始电流；6）按初始电流确定试验电压，以施加试验电压产生的新初始电流确定试验持续时间，记录电流变化情况及阳极溶液初始温度、最终温度；7）取出混凝土试件并将其劈成两半，喷涂0.1mol/L的AgNO溶液显色指示剂测氯离子渗透深度。

2.4 试验结果

按试验编号为S1至S5的配合比掺量依次拌制水泥混凝土拌合物，同一个配合比拌制两次，每次拌制37L，每次均检测坍落度及坍落扩展度，目测评定其工作性，每次分别成型3组试件，同一配合比共成型6组试件，同一锅水泥混凝土拌合物成型的3组试件分别检测28d抗压强度、28d氯离子扩散系数及56d氯离子扩散系数，试验结果见表3。

对同一配合比两组试验结果取平均值作为该配合比评定结果，并对该评定结果进行数据分析，数据分析结果如图1所示。

3 试验结果分析

3.1 总体分析

根据表3及图1（a）可知，在基准配合比的基础上，随着粉煤灰掺量的减少、矿渣粉掺量的增加，坍落度及坍落扩展度基本稳定，均满足设计要求，且水泥混凝土拌合物黏聚性均良好，不泌水，保水性好。这说明水泥混凝土拌合物的工作性并没有发生较大的改变，仍然满足设计及施工要求，也间接说明了在一定范围内只增加粉煤灰及矿渣粉含量，且未改变胶凝材料总用量的前提下，水泥混凝土拌合物工作性能不会发生较大改变。

表3 不同掺合料掺量的试验结果

由图1（b）可知，在基准配合比的基础上，随着矿渣粉掺量的增加，28d抗压强度有所增长，基本呈现小幅度向上增长趋势。众所周知，粉煤灰能够进行二次水化，二次水化的产物强度较高，混凝土中掺入一定量的粉煤灰前期强度普遍比纯水泥混凝土强度低，但后期强度增长较快强度较高；而矿渣粉活性比粉煤灰高，前期水化反应较粉煤灰快，所以其早期强度相对于粉煤灰增长较快。所以，在粉煤灰、矿渣粉的相互协调效应作用下，随着矿渣粉掺量的增加，混凝土的28d抗压强度有所增长，但增长幅度不大。因此，适当调整粉煤灰及矿渣粉的掺量并未使混凝土的28d抗压强度发生较大改变，仍然满足设计强度要求。

图1 不同掺量掺合料各检测指标试验结果数据分析图

分析图1（c）变化趋势可知，在试验所选取的掺量范围内，随着矿渣粉掺量的增加，28d氯离子扩散系数呈现小幅度下降趋势，掺量至试验编号为S4（粉煤灰掺量95kg，矿渣粉掺量124kg）时，再提高矿渣粉掺量，28d氯离子扩散系数基本不在下降，趋于稳定。由图1（d）可知，56d氯离子扩散系数变化趋势基本与28d氯离子扩散系数变化趋势一致，不同点在于随着矿渣粉掺量的增加，56d氯离子扩散系数较28d氯离子扩散系数较为敏感，刚开始下降幅度较大，之后也基本趋于稳定。有研究表明，粉煤灰和矿渣粉双掺时，由于粒径不同会相互填充，从而产生超叠加效应，使混凝土的密实性进一步提升。而从试验数据上也反映出，随着矿渣粉掺量的增加，这两者的超叠加效应逐步达到最优状态，混凝土的密实性提升到一定程度后并不能再次提升，所以，氯离子扩散系数最终都会趋于稳定。

3.2 粉煤灰的影响

粉煤灰密度小，较水泥细，掺入粉煤灰可增大混凝土浆体，使大量浆体填充骨料的空隙，提高了混凝土的密实性；再者，掺入粉煤灰可以补充细集料中的细粒不足部分，优化细集料的级配，阻碍混凝土的泌水性能，从而大大改善了混凝土的密实性。研究表明，水泥混凝土越密实，氯离子扩散系数越低。所以掺入一定量的粉煤灰可以有效的改善混凝土的密实性，提高其耐久性，降低氯离子扩散系数。

再者，掺入一定量的粉煤灰可以替代一部分水泥，从而降低了水化热，提高了混凝土的耐久性，降低了氯离子扩散系数。

所以，掺入适量粉煤灰有助于提高混凝土的耐久性，降低氯离子扩散系数，由于粉煤灰易变性及二次水化作用，不能保证早期的混凝土密实性，过多的掺入粉煤灰还会增大氯离子扩散系数，掺量过少也不能充分发挥粉煤灰的特性提高混凝土的耐久性，因此，粉煤灰的掺量应适当，具体掺量应根据各地的原材料特性试配确定。

3.3 矿渣粉的影响

矿渣粉其特点是颗粒超细，活性较大。也正因为其颗粒超细特点，矿渣粉在水泥混凝土水泥浆中起微集料效应，能细化孔径。因此，矿渣粉的微集料效应，改善了混凝土内部空隙结构，降低了空隙率，使混凝土更加密实，从而有效地改善混凝土的耐久性，降低了混凝土的氯离子扩散系数。

最后，矿渣粉是一种具有潜在活性的矿物掺合料。潜在活性是指本身不具有或只有很弱胶凝性质的硅质或铝硅质材料，在水存在的情况下与CaO反应形成水硬性固体的能力。矿渣粉主要化学成分与水泥熟料相似，只是CaO含量略低，也易与水发生水化反应，较粉煤灰而言，早期水化反应强烈，混凝土早期强度较高；而其又具有很高的潜在活性，水化时能产生较多的水化硅酸钙，吸附混凝土中的氯离子，从而降低氯离子向混凝土中的渗透作用，因而能提高混凝土的耐久性，大大降低氯离子扩散系数。

因此，在矿渣粉出色的微集料效应、胶凝效应，矿渣粉较粉煤灰在改善混凝土耐久性降低氯离子扩散系数方面有着更优异的性能。因此，在一定范围内，可适当降低粉煤灰掺量，提高矿渣粉掺量，从而提高混凝土的耐久性，进而严格管控混凝土的耐久性关键指标氯离子扩散系数的影响，达到优化配合比满足设计及工程需求的目的。

4 结论

在同一胶凝材料用量、同一水胶比、同一砂率、同一碎石掺配比例、同一外加剂掺量的前提下，一定范围内，矿渣粉对于降低氯离子扩散系数作用更优于粉煤灰的作用。因此，在满足强度及工作性的前提下，在一定范围内可以适当降低粉煤灰掺量、提高矿渣粉掺量来优化配合比，寻求矿渣粉与粉煤灰的最优组合，充分发挥它们的超叠加效应，以期满足更加恶劣的海洋氯化物环境要求。

该文充分考虑了各种材料的优异性，发挥粉煤灰和矿渣粉超叠加效应的最大作用，根据项目原材料实际情况，精益求精，通过试验检测数据指导工程施工。