大掺量粉煤灰海工混凝土的应用及经济成本分析

摘要：针对某跨海大桥所处环境的特点，通过大掺量粉煤灰配制海工混凝土。试验结果表明，大掺量粉煤灰海工混凝土的工作性、力学性能良好，所确定的配合比使混凝土能满足耐久性要求，又能满足低成本的要求，并在大桥钻孔灌注桩中得到比较成功的应用。

关键词：大掺量粉煤灰；海工混凝土；灌注桩；经济成本

中图分类号：F224.0文献标志码：A文章编号：1673-291X（2011）21-0324-03

一、概述

海工混凝土是指用混凝土常规原料、常规工艺加矿物掺合料及化学外加剂，经配比优化而制作的，在海洋环境中具有高耐久性、高尺寸稳定性和良好工作性的结构混凝土。随着沿海或跨海大跨桥梁的兴建，对结构混凝土耐久性要求越来越高，海工混凝土的配制与施工技术也得到了迅速发展[1]。

某跨海桥环境腐蚀类型为Ⅲ类海水氯化物引起钢筋锈蚀的近海或海洋环境，作用等级从中等程度（C级）至极端严重程度（F级）。本文针对桥梁所处腐蚀环境和海上施工的实际情况，采用大掺量矿物掺合料和聚羧酸减水剂配制的海工灌注桩混凝土，通过优化混凝土材料组成，研究混凝土的工作性、力学性能、抗氯离子渗透及其他性能，并对海工混凝土经济成本进行分析。

二、海工混凝土配合比设计思路

某跨海大桥灌注桩桩径200cm，桩长110m，混凝土等级为C35。为了保证灌注桩混凝土有足够的良好工作性能、强度和耐久性能，使其能承受上部结构的各种外力和不同因素的影响，混凝土应达到如下要求[2]：（1）混凝土拌和物必须具有良好的黏聚性能，不产生或少产生离析现象；（2）混凝土必须具有一定的流动性，由混凝土本身重量自动流平来完成混凝土的平整和密实；（3）由于灌注桩混凝土是在水下施工和凝结硬化，必须保证混凝土获得足够的强度；（4）混凝土在施工后凝结硬化，并长期承受各种荷载作用和其他因素的影响，因此除强度满足要求外，还必须考虑耐久性能，如抗氯离子渗透性、耐蚀性等。

三、试验原材料与方法

1.试验原材料。（1）水泥：P.II42.5水泥；（2）粉煤灰：I级粉煤灰；（3）矿粉：S95级矿粉（4）中砂：细度模数2.63，表观密度2.64g/cm3；（5）碎石：5mm～25mm连续级配，表观密度2.63g/cm3；（6）外加剂：聚羧酸减水剂，减水率≥25%；（7）拌和用水：自来水。

2.试验方法。（1）试验依据。依据《普通混凝土拌合物性能试验方法》GBJ80-85进行混凝土拌合物性能试验，依据《普通混凝土力学性能试验方法》GBJ80-85进行混凝土力学性能试验。（2）倒坍落筒流出时间法。海工混凝土由于黏性大，仅用坍落度和扩展值等难以表征其流动性，这时结合倒坍落筒流出时间显得尤为重要。方法是将坍落筒倒置，底部封盖装满混凝土并抹平（一般倒置坍落度筒，底部离地50cm为宜），迅速滑开底盖，用秒表记录下混凝土流空时间，时间越长代表混凝土黏度越大。（3）氯离子渗透试验。混凝土抗氯离子渗透试验参照的混凝土抗氯离子扩散系数快速测定的RCM法进行。按照该方法测得混凝土中氯离子非稳态快速迁移扩散系数。

四、试验结果与分析

试配灌注桩海工混凝土时，混凝土抗氯离子渗透是耐久性的关键因素，混凝土的工作性及经济性也是必须要考虑的问题。本工程设计混凝土要求84天的氯离子扩散系数≤2.5×10-12m2/s，因此在混凝土中掺入粉煤灰和矿粉，混凝土胶凝材料用量为430Kg~450Kg/m3，选择与水泥及掺合料相容的外加剂并调整外加剂的掺量，控制适宜的水胶比为0.33~0.35，并采用倒坍落度评价混凝土的工作性。五种不同比例胶凝材料的混凝土配合比（见下页表1）。

1.粉煤灰对混凝土工作性能影响。从下页表2中可以看出，在粉煤灰掺量为0%和15%时，由于矿粉掺量高，混凝土较黏，并且和易性较差；随着粉煤灰掺量的增大，混凝土的和易性有较大的改善，其中掺40%粉煤灰第4组配合比的新拌混凝土1.5h坍落度损失最小。

本试验采用倒置坍落度来评价混凝土的工作性，当矿粉掺量较大（40%）时，倒坍落度时间为34s，混凝土黏度最大，从而会降低混凝土泵送性能，影响混凝土施工，而掺40%粉煤灰混凝土倒坍落度时间仅为15s，这说明掺入粉煤灰可以降低混凝土黏度，改善混凝土的泵送性能。

图1混凝土7d和28d强度

2.粉煤灰对混凝土强度和抗氯离子渗透性能的影响。从图1的试验结果可以看出，所配制的几组混凝土的力学性能无明显差异，均超过设计的要求，其中掺40%矿粉配合比1的28天的抗压强度60.3MPa，而由于粉煤灰的减水作用，掺40%粉煤灰配合比4的水胶比降到0.33，28天强度达到57.1MPa。因此，力学试验结果表明，在混凝土中掺加40%的粉煤灰对抗压强度，无负面效应。

图2中五种配合比混凝土氯离子扩散系数随矿粉掺量的增大而增大，84d的氯离子扩散系数均小于2.5×10-12m2/s，其中掺40%矿粉混凝土配合比1的氯离子扩散系数最小，84天龄期的氯离子扩散系数为0.872×10-12m2/s，而掺40%粉煤灰配合比4混凝土氯离子扩散系数84天龄期氯离子扩散系数为1.13×10-12m2/s。抗氯离子渗透试验结果表明，仅掺入粉煤灰混凝土也具备优良的抗氯离子侵蚀能力，并且氯离子扩散系数随混凝土龄期的延长而减小。

图2混凝土氯离子扩散系数

五、混凝土经济性评价和配比的确定

目前的海工混凝土一般采用单掺或混掺粉煤灰和矿粉等矿物掺合料，根据市场上原材料的价格，对以上5组混凝土的成本进行分析。P.II42.5水泥：450元/吨、粉煤灰：220元/吨、矿粉：350元/吨、砂：62元/吨、石：50元/吨、减水剂：6 000元/吨。

1#：（430×0.55×450＋430×0.45×350＋752.5×62＋1 032×50＋5.16×6 000）÷1 000=303.36元

2#：（430×0.55×450＋430×0.15×220＋430×0.30×350＋743.9×62＋1 044.9×50＋5.16×6 000）÷1 000=295.09元

3#：（430×0.55×450＋430×0.30×220＋430×0.15×350＋735.3×62＋1 066.4×50＋5.16×6 000）÷1 000=287.25元

4#：（430×0.60×450＋430×0.40×220＋735.3×62＋1 066.4×50＋5.16×6 000）÷1 000=283.81元

5#：（450×0.60×450＋450×0.40×220＋742.5×62＋1 152×50＋5.16×6 000）÷1 000=295.70元

混凝土配比经济性来看，粉煤灰的价格只有矿粉的60%左右，单掺粉煤灰的配合比经济上具有较大的优势，配合比4与配合比1相比，单方混凝土分别可节约19.55元，经济效益显著。

从施工过程质量控制来看，只用粉煤灰一种掺合料，对海上搅拌船的原材料供应、海上搅拌船对配合比的控制也更为简便，试验室也可以减少原材料的抽检项目，间接为施工提供了方便。因此根据以上试验结果和混凝土经济性分析，配合比4完全能满足设计和施工要求，而性价比更优。

六、应用情况

某跨海大桥的钻孔灌注桩目前已全部完成，总灌注的混凝土量约为17 500m3，均采用配合比4。从已灌注的桩基来看，灌注过程顺利，混凝土和易性好，坍落度损失小，初凝时间长，目前为止，已检测的桩均属I类桩，所检测混凝土抗压强度的均满足设计要求，取得了很好的质量和经济效益。

参考文献：

[1]韩少忠.超流态混凝土灌注桩在基础工程中的应用[J].山西建筑，2005，(4).

[2]李顺凯，屠柳青，张国志.大掺量粉煤灰海工混凝土在金塘大桥灌注桩中的应用[J].粉煤灰综合利用，2007，(6).

Use and Economic Cost Analysis of Marine Concrete with a Large Amount of Fly Ash Pile

WU A-man

（The Seventh Engineering Company Ltd.of China Railway Major Bridge Group，Wuhan 430050，China）

Abstract：In accordance with marine Concrete environmental condition of the bridge，a large amount of fly ash were used to produced marine concrete.The results indicate that the workability and mechanical properties of marine concrete was increased.The mixture ratio is able to satisfy the requirements of good durability and low cost，which was successfully applied to drill hole grouting pile of bridge.

Key words：a large amount of Fly Ash；marine concrete；drill hole grouting pile；economic cost