基于功效系数法的抗氯盐混凝土配合比研究与应用

李 涛，余阳君，李玉彬

(1.广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200；
2.广西欣港交通投资有限公司，广西 南宁 530029)

位于临海或海中氯化物环境下的混凝土结构物，由于长期处于海水及盐雾区侵蚀环境，氯离子的入侵可能造成并加快混凝土中钢材料的腐蚀。本文主要研究采用粉煤灰、矿粉复掺的混凝土在实际工程中的工作性能，其两者复掺不仅可以实现优势互补，还能有效提升混凝土和易性及耐久性[1]；
与此同时，当矿物掺合料用量很大时，能够有效地压制碱-集料化学反应。本文从试验原材料、主要操作流程、混凝土的性能分析、社会及经济效益等方面详细阐述复掺混凝土配合比优化研究过程，并利用功效系数法对混凝土的综合性能进行评价，对抗氯盐海工混凝土配合比进行优化调整。

国道G228丹东至东兴广西滨海公路龙门大桥为广西滨海公路龙门港至钦州港段，全长7.637 km，采用主跨1 098 m单跨吊全漂浮体系钢箱梁悬索桥，途经旱泾长岭、松飞大岭、仙人井大岭，连续跨越多个岛屿。由于龙门大桥项目的桥墩、桥台及承台等部位长期处于海水、海雾中，会受到氯盐的侵蚀，而且当地的环境温度较高，所以对跨海大桥混凝土抗氯离子渗透性能提出了相对严格的要求。

2.1 配合比原材料设计技术要求

2.1.1 水泥

水泥应符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)[2]的规定，其性能应满足《海港工程混凝土材料与结构耐久性设计规范》(DB 45/T 1828-2018)(以下简称《设计规范》)技术标准。

2.1.2 细骨料

细骨料宜级配良好、质地坚硬、颗粒洁净且粒径<5 mm，也可采用专门机械设备制造的人工砂[3]，不宜使用山砂或石灰岩属性的人工砂、石屑，不得使用海砂。其性能应满足《设计规范》的相关要求。

2.1.3 粗骨料

优先采用河石，其性能还应满足《设计规范》的相关要求。

2.1.4 水质

应采用洁净饮用水，严禁采用海水进行混凝土拌制及养护。

2.2 原材料产地及检测结果(表1)

表1 原材料产地及检测结果表

3.1 混凝土基准配合比

按照混凝土设计技术要求[4]，得到桥墩、桥台桩基、索塔桩基水下C35抗氯盐海工混凝土基准配合比如表2所示。

表2 C35抗氯盐海工混凝土基准配合比表(kg/m3)

为了确定最合适的胶凝材料组成及比例，紧密结合现行科研成果，根据工程特点及相应规范[5]，选定胶材中掺合料设计方案如下：水泥分别为50%、40%；
粉煤灰掺量分别为10%、15%、25%；
矿渣掺量分别为17%、27%、37%。

3.2 抗氯盐海工混凝土试验结果分析

为了解混凝土工作性能，采用3个不同水胶比进行试拌，基准配合比水胶比为0.38，另外两个配合比的水胶比分别为0.40和0.36。混凝土拌和物性能如表3～5所示。

表3 C35抗氯盐海工混凝土拌和物性能试验结果表

表4 C35抗氯盐海工混凝土力学性能试验结果表

表5 不同掺量粉煤灰和矿粉对不同水胶比混凝土性能的影响试验结果表

通过试验得出：由于粉煤灰颗粒细小，粉煤灰的掺入改善了混凝土的和易性，随着粉煤灰掺量(10%、15%、25%)的增加，达到相同坍落度所需要的减水剂用量相对减少。

当逐渐提高矿粉掺量(17%、27%、37%)时，混凝土扩展度增大，流动性能也随之增大。但矿粉的掺量过大时，将会导致混凝土的黏度增大，当矿粉掺量超过标准用量时，混凝土则会产生板结或者抓底现象，这种混凝土在泵送过程中很容易导致堵管。

同时采用粉煤灰与矿粉相比单独采用矿粉，混凝土的粘聚性得到改善，流动性能得到了相应提高。当粉煤灰用量固定不变时，随着矿粉用量的增加，达到同一坍落度值时所需的外加剂用量减少，也使混凝土扩展度逐渐增加。等级好的粉煤灰的掺入可弥补矿粉对混凝土和易性带来的负面影响。

高质量粉煤灰相比矿粉更利于提升混凝土流动性能，主要因素取决于其各自的结构形态。高质量粉煤灰含有较多的微珠，较差的粉煤灰里微珠含量很少，基本都是一些形状不规则的结构物，而矿粉颗粒也是形状不规则的，很难达到高质量粉煤灰的“滚珠”效应，所以高质量粉煤灰的适量掺入能有效提高混凝土的流动性。当粉煤灰与矿粉一起使用后，达到优势互补效果，其28 d抗压强度与纯普通硅酸盐水泥混凝土相比，跌幅最大≤6 MPa。同时，采用粉煤灰及矿粉复掺后的混凝土，虽然其抗压强度28 d龄期比纯水泥28 d龄期抗压强度低，但足以满足C35等级混凝土强度要求。

经过多次对比试验结果得知，粉煤灰与矿粉同时使用时，当粉煤灰掺量为10%、15%、25%，粉煤灰与矿粉总用量为27%、42%、62%时，其28 d抗压强度总体变化不明显；
使用相同掺合料掺量时，掺量30%粉煤灰的混凝土抗压强度比掺量20%粉煤灰的略低。在粉煤灰与矿粉复掺情况下，粉煤灰掺量相同时，则两者的抗压强度及工作性能表现良好。

表6 不同掺合料及掺量粉煤灰和矿粉的

由表6可知，单掺或者复掺粉煤灰及矿粉可以有效降低混凝土28 d、56 d的电通量值，当矿粉的掺量提高时，则电通量值也就对应减小。由此可知，当矿粉的掺量越大时，其混凝土抗氯离子渗透性能也就越好。

功效系数法[6]是由E.C.Harrington教授提出用来处理多目标决策相关问题的方法，用该方法对各项评价指标分别确定满意值和不允许值。从混凝土的工作性能、混凝土强度、氯离子扩散性三个方面进行对比研究，计算得出各评价对象指标的功效系数，将其转化为相应的功效评分值，得到最后的综合评价分数。

5.1 工作性功效系数W

混凝土的工作功效系数主要从混凝土的流动性、粘聚性与保水性进行研究。本项目用混凝土坍落度达到200 mm时的扩展度K值大小来做比较，K值≥570时为满意值(功效系数W为1.00)；
K值≤570时，K值每降低5 mm，W降低值取0.01，K<350则不合格，W取0。

现场泵送混凝土的粘聚性保水性以良好、适中、无离析、泌水、抓底等现象为满意值(对应N为1.00)，反之则按照严重程度进行扣分：良好(1.00)、较好(0.90)、一般(0.80)、较差(0.70)、差(0.60或0.00)。

5.2 混凝土强度功效系数R

以混凝土抗压强度最大值为1.00，剩下混凝土配合比的抗压强度功效系数取抗压强度与最大值的比值。如果混凝土抗压强度达不到设计强度等级时，则不符合设计规范，对应的功效系数R为0。

5.3 抗氯离子功效系数C1

参照相关标准，用6 hQ值<100 C电通量为满意值(抗氯离子渗透性能功效系数C1取1.00)；
电通量Q≥100 C时，电通量每增加50 C，则功效系数就对应降低0.01。当电通量值>1 000 C时，则不满足设计要求，功效系数为0。

5.4 混凝土综合性能功效系数F

对于海工混凝土而言，抗氯离子渗透性能是其重要指标，间接影响混凝土的强度及耐久性，在配合比试验中，其强度均满足设计要求并有富余，所以抗压强度的影响相对较小，取工作性能、抗压强度、氯离子抗渗性能的权重为3∶2∶5，其综合性能功效系数F按照公式进行计算。

根据前文创建抗氯盐混凝土性能评价分析，结合文中表3、表6得到混凝土各性能对应的功效系数及综合性能功效系数如表7所示。

由表7可知，从混凝土综合性能考虑，粉煤灰掺量应该在20%～30%，并且可以在一定基础上掺入30%左右的矿粉。如果考虑到混凝土成本，则应该大量掺入矿物掺合料，减少水泥用量，从而减少成本。同时考虑到原材料及施工技术等因素对抗氯盐混凝土性能的影响，最终采用粉煤灰为18%、矿粉为25%的配合比，水胶比控制在0.38。

表7 混凝土功效系数及性价比分析结果表

本文采用功效系数法来分析不同比例矿物掺合料对混凝土的影响，结合工程成本，按照不同配合比所需原材料的不同，得到不同配合比所需的每立方成本。保持配合比中掺合料的固定比例，当粉煤灰的掺量越来越多时，混凝土的抗压强度则随之降低，所以粉煤灰的掺量必须控制在一定范围，不然将导致混凝土后期强度不足，严重时将导致混凝土达不到设计要求。而在混凝土配合比中同时使用粉煤灰及矿粉时，可以改善混凝土的工作状态、抗压强度和结构物的耐久性能。用适量的粉煤灰或矿粉置换配合比中一定量的水泥，不仅可以降低混凝土的水热化反应，还优化了混凝土的工作性能，提高了混凝土的后期强度，增加其粘聚能力，减少其泌水率，并能有效抵抗其他化学离子的入侵，提高混凝土的性能。试验表明，无论是单掺还是复掺优质粉煤灰或矿粉，都能有效降低混凝土通电量值，提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

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