海中铁塔深桩基础海工C40配合比研究

摘要：

110kV苏川-起步线为温州市瓯江口开发新区的配套主要供电线路，其中6基铁塔基础位于瓯江中，工程实施过程中分别就双掺、单掺粉煤灰的方式对比优化，设计出适合该工程海工C40混凝土水下浇筑配合比。单掺粉煤灰的海工C40配合比即能满足其高强度、海水抗腐蚀工作年限60年的设计要求，也具有极高的施工性能。建议在电力线路大直径、大深度桩基水下海工C40混凝土浇筑时，采用单掺粉煤灰高性能混凝土亦能提高混凝土密实度、耐久性满足电力设计要求。

关键词：海工C40混凝土、电力、侵蚀、配合比、单掺、双掺

中图分类号：TU528文献标识码： A

正文：

一概述

110KV苏川-起步线跨越瓯江，其中6基铁塔基础位于灵昆大桥上游约100m处的海中。该区域处于严重的海洋腐蚀环境，混凝土结构容易受到盐类侵蚀，尤其是钢筋更易受到海工氯离子的侵蚀。为保证输电线路运行60年的要求，海中基础混凝土设计为海工C40混凝土。该工程海中铁塔基础共6座，塔基采用高桩、桩顶设系梁结构形式，其中5基基础为4根Φ1.8m的摩擦型钻孔灌注桩正方形布置，桩长61.38m；1基基础为4根Φ2.0m的摩擦型钻孔灌注桩正方形布置，桩间中心距9.944m，桩顶标高+7.6m，桩长76.98m。

根据设计使用年限60年及水下混凝土灌注的施工技术，提出混凝土的施工特性及性能要求，如下表所示：

使用部位 强度等级 坍落度 初凝时间 耐久性（设计使用年限60年）

电通量 氯离子扩算系数

水下钻孔灌注桩 C40 200±20 mm ≥8h ＜1200C（56d） ≤4×10-12 m2/s（56d）

注：耐久性指标（设计使用年限60年）详见TB 10005-2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》。

由于该工程区域条件较复杂，大直径、深基础、海工C40混凝土浇筑在电力行业无先例，因此试桩成为施工优化必不可少的环节。我公司通过双掺、单掺矿物掺合料对比，发现单掺配合比施工可控，性能满足设计要求的。本工程采用了单掺配合比，桩体经检测均属I类桩。

二 海工混凝土简介

1 海工混凝土构筑物工作环境

海工混凝土构筑物处于波浪、海水、含盐分大气以及附着海生物的工作环境中，混凝土遭受海水侵蚀破坏是非常严重的，海水中所含的可溶性硫酸盐、镁盐和氯离子，对混凝土结构产生组合的侵蚀破坏，其中氯离子的侵蚀破坏作用是导致钢筋混凝土结构物失效的主要原因。

2 海水侵蚀破坏成因

混凝土中钢筋的锈蚀过程是一个电化学过程，在有水和氧气存在的前提下，钢筋的个别部位会发生氧化反应生成铁的氧化物和氢氧化物，同时钢筋的局部还会发生还原反应产生OH-离子，这样就在钢筋的表面形成无数的微电池，当这个反应在钢筋表面持续进行时，钢筋就慢慢被腐蚀掉。

在新建的钢筋混凝土结构物中，由于混凝土毛细管内的溶液pH值通常在12.5以上，氧化反应生成的铁化合物钝化膜均匀地覆盖在钢筋的表面，使得电化学反应难以持续进行。当混凝土内有海水渗入时，海水中的氯离子能穿过钢筋表面的钝化膜，使钝化膜破坏，从而使得含氧的海水能达到钢筋的表面。

3 海工混凝土配合比优化途径

提高海工混凝土的使用寿命，关键指标是提高混凝土的抗氯离子渗透性能，增强混凝土的致密性，在配合比设计方面主要可以采取以下途径：

在混凝土中加入优质的矿物掺合料（粉煤灰、矿粉）。胶凝材料中掺加优质矿物掺合料，与水泥水化产物发生二次反应，使混凝土内部致密，改善孔结构，提高抗渗和抗腐蚀能力；降低水化热；增进后期强度等。

矿粉可以一定程度上提高混凝土的坍落度，但当矿粉掺量增至一定程度，由于超细粉含量较多，吸附水量增大，混凝土的坍落度减小。矿粉的掺入使水泥浆体的黏度值增大，且黏度值随着矿粉掺量的增加而增加，混凝土拌合物的粘聚性增大，扩展度减小。

粉煤灰可使混凝土的坍落度增大，这是由于粉煤灰颗粒中含有较多的球状玻璃体，在拌合物中起到了滚珠轴承的作用，粘聚性较好，扩展度增加明显。粉煤灰的掺入使水泥浆体的黏度值减小，且黏度值随着粉煤灰掺量的增大而减小。

粉煤灰、矿粉双掺可以发挥粉煤灰的形态效应，消减拌合物的黏性，增大流动性，一定程度上可以实现粉煤灰和矿粉的工作互补效应。可以提高混凝土的耐久性，在矿物掺合料掺入总量一致的情况下，通常双掺的混凝土后期耐久性能更为优异。

2）使用高效或高性能减水剂。减水剂是制备高性能混凝土必不可少的技术措施之一，由于它的正确使用，才能使混凝土的水灰比得以降低，并具有良好的工作性，以及坍落度经时损失小等特点，以得到均匀的混凝土拌合物。

三 海工C40配合比设计

由于双掺可以实现粉煤灰和矿粉的工作互补效应，可以提高混凝土的耐久性。我公司优先考虑采用海工C40配合比双掺设计。

1 海工C40配合比双掺设计

1）原材料

原材编号 水泥 粉煤灰 矿粉 砂 碎石 外加剂

Ⅰ P.Ⅱ52.5 Ⅰ级（福建） S95（张家港） 粗砂 5-25 mm HW-2缓凝型

高性能减水剂

2）设计配合比：

原材编号 混凝土单方用量/（kg/m3） 坍落度

（mm）

水泥 水 粉煤灰 矿粉 砂 碎石 外加剂

Ⅰ 310 155 66 66 757 1046 5.75 205

混凝土技术条件

水胶比 砂率（%） 初凝时间 抗压强度（MPa） 电通量（C） 氯离子扩散系数×10-12 (m2/s)

3d 7d 28d

0.35 42 9h24min 44.4 / 74.8 / /

我公司立即组织人员对该配合比进行试拌。试拌成品砼测得坍落度21cm，但成品砼从顶部逐渐摊开，扩展度不佳、砼粘性大、抓底、离析、表面有很多气泡。施工首灌混凝土时，孔内混凝土灌注阻力大，上升困难不易灌注，试桩失败。经分析排除因施工工艺问题导致的试桩失败。

3）问题分析

A 扩展度不佳。矿粉可以一定程度上提高混凝土的坍落度，但当矿粉掺量增至一定程度，由于超细粉含量较多，吸附水量增大，混凝土的坍落度减小。矿粉的掺入使水泥浆体的黏度值增大，且黏度值随着矿粉掺量的增加而增加，混凝土拌合物的粘聚性增大，扩展度减小。矿粉是由水淬粒化高炉矿渣磨细后得到，其细度远高于普通水泥，矿粉细度一般约为420 m ／kg～450 m ／kg，而普通水泥约为330 1TI ／kg一350 m ／kg，掺矿粉混凝土需水量增加约5％。另外，由于超细矿粉比表面积大，其对减水剂的吸附量亦增加。因此，在单位用水量相同或减水剂掺量相同的情况下，掺矿粉混凝土粘聚性良好，但流动性能不如空白水泥混凝土和掺粉煤灰混凝土。因本工程均为超1.8米的大直径深桩基础，混凝土的扩展度不佳，极易造成堵管、浇筑不畅。

B 和易性不好。试验室设计的桩基混凝土配合比应用于现场中要考虑到砂石的含水量，施工配合比要根据砂石的含水量变化做相应的调整，确保混凝土的质量。由于砂石在露天下放置，下雨后砂石下层含水量要高于上层的含水率。采用高性能减水剂，其对水敏感，现场浇筑时用水量偏差较大极易导致混凝土离析泌水、沉底。在拌制混凝土时，要根据砂石的含水率不同，及时调整施工配合比，满足混凝土性能要求。

C 不利现场施工操作。混凝土生产时，施工配合比受各种原材料本身性能、称量误差等波动的影响，与试验室配合比存在一定偏差，由于掺有矿渣粉的高性能混凝土对水灰比、各原材料掺量等较敏感，实际生产的混凝土其工作性能波动较大，部分混凝土出现沉底、结板粘聚性强，混凝土不容易展开等对混凝土浇灌施工不利状况。

2 海工C40单掺配合比设计

1）原材料

原材编号 水泥 粉煤灰 矿粉 砂 碎石 外加剂

Ⅱ P.O42.5 Ⅰ级（浙江） / 中砂 5-25 mm KC-NF-1缓凝型高效减水剂

2）设计配合比：

原材编号 混凝土单方用量/（kg/m3） 坍落度

（mm）

水泥 水 粉煤灰 矿粉 砂 碎石 外加剂

Ⅱ 371 186 159 / 707 977 10.6 190

混凝土技术条件

水胶比 砂率（%） 初凝时间 抗压强度（MPa） 电通量（C） 氯离子扩散系数×10-12 (m2/s)

3d 7d 28d

0.35 42 10h35min 31.9 42.6 57.7 1146（28d） 3.7（28d）

3）试拌情况

该配比调整后的混凝土拌合物工作性能良好，流动性优于双掺粉煤灰、矿粉的配合比，混凝土浇筑速度加快，无发生堵管现象。

四 双掺、单掺配合比对比情况

1 从混凝土施工性能性看。单掺配比工作性能满足施工要求，混凝土强度及耐久性能（电通量、氯离子扩散系数）满足设计要求；并由于采用高效减水剂，胶凝材料用量增大，且采用单掺粉煤灰，使混凝土黏性大大降低，混凝土的可操控性明显增强。

2 从混凝土配比经济性看。由于胶凝材料中水泥的价格最高，其次是粉煤灰，矿粉最低。单掺配比仅水泥一项可以节约成本，经济效益显著。

3 从施工过程质量控制看。考虑原材料质量的波动，单掺对配比的控制更为简单，避免强度不够。

4 混凝土的耐久性上看。粉煤灰、矿粉双掺可以发挥粉煤灰的形态效应，消减拌合物的黏性，增大流动性，一定程度上可以实现粉煤灰和矿粉的工作互补效应。提高水泥混凝土的密实性，提高抗氯离子渗性与耐久性，其混凝土的耐久性比单掺的效果要高。

五 结语

1 海工C40混凝土采用双掺的方式，混凝土的耐久性比单掺的效果要高，，但部分施工性能不稳定，难以控制。单掺配比在经济、质量控制上好于双掺。

2 双掺粉煤灰、矿粉能有效地增加混凝土的耐久性。但掺入矿粉，混凝土的粘聚性增加、扩展度欠佳。矿粉的保水性能不如粉煤灰，保水性较差，掺入级配不好的矿粉常常出现较严重的泌水现象。桩基施工特别是大直径桩，用单掺粉煤灰亦能提高混凝土密实度、耐久性满足电力设计要求，避免断桩。建议在电力线路施工中，桩基水下混凝土采用单掺粉煤灰高性能混凝土。

参考文献：

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[3] 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)：15—17．