舟山金塘跨海大桥主通航孔承台配合比设计

汪继平

（中国交通建设集团第二航务工程局，湖北武汉，430000）

摘要：介绍舟山金塘跨海大桥主通航孔的承台配合比设计，强调大体积海工高性能混凝土

的设计重点耐久性，科学应用正交设计方法综合确定矿物掺合料的比例。

关键词：承台 配合比设计 正交试验 耐久性

舟山金塘跨海大桥是舟山大陆连岛工程的第五座跨海特大桥，全长26.54km，跨海大桥长达18.27km，是继东海大桥、杭州湾跨海大桥国内第三大海水环境特大桥。

主通航孔桥设计为五跨连续钢箱梁斜拉桥，其下部结构包括辅助墩、过渡墩、主塔基础、承台及其附属设施。主塔基础采用42根φ2.5~φ2.85m钻孔灌注桩，桩长约为115m；承台采用实体钢筋混凝土圆端形构造，平面尺寸56.78×34.02m，

3

厚6.5m，承台混凝土11000m，是浙江省桥梁工程建设中的最大承台，在国内同类型海水环境桥梁中也属罕见。承台顶标高设置在+6.0m，设计最高通航水位+3.28m，设计最低-1.59m，承台处于海水浪溅区。

处于浪溅区的承台混凝配合比土设计必须重点考虑耐久性，以耐久性指标为前提，提高混凝土抵抗氯离子渗透能力；其次是抗裂性，即控制大体积混凝土的水化热，降低混凝土的绝热温升，杜绝温度裂缝的形成。 1．配合比设计参数 1．1强度

承台设计强度C35，配置强度应达到43.2MPa；考虑到必须掺入大掺量的矿物掺合料以满足混凝土密实和降低水化热的需要，按60d龄期抗压强度设计配合比，充分利用大掺量粉煤灰后期强度的增长规律。 1．2耐久性

1．2．1氯离子含量

氯离子总量不超过胶凝材料的0.1%。 1．2．2氯离子扩散系数

氯离子扩散系数是表征混凝土抵抗氯离子渗透的能力，是海工混凝土耐久性最重要的指标，要求≤2.5×10-12m2/s。 1．2．3含气量

含气量控制在4%~6%，混凝土内部分布大量均匀的微小气泡可以进一步填充内部空隙，阻隔连通通道，提高混凝土的密实性和抗冻融能力。 1．2．4总碱量

碱集料反应会直接造成混凝土开裂破坏，在避免使用具有碱活性集料的同时应控制混凝土的总碱含量，总碱含量不超过3.0kg/m3。 1．2．5水胶比

水胶比大小侧面反应了混凝土内部的密实程度，水胶比应控制在一个合理的范围，有资料[1]表明水胶比高于0.38混凝土抵抗氯离子渗能力显著降低，而过小的水胶比则易导致混凝土自收缩，自收缩也是造成混凝土开裂的主要原因之一,

因此水胶比控制在0.33~0.38。 1．2．6胶凝材料用量

过高胶凝材料不但不经济且易引起混凝土干缩开裂，过低则无法满足混凝土的工作性要求。控制在380~450kg/m3。 1．3混凝土温度

混凝土内部最高温度不超过70℃，混凝土入模后30min内最大温升小于30℃。

1．4工作性 1．4．1塑性

初始坍落度160-200mm、扩展度大于500mm，2h后坍落度损失小于20mm。 1．4．2可泵性

流下时间8~20s[2]（坍落度筒倒置法），压力泌水比小于20%。 1．4．3保水性

常压泌水率小于1.5%，压力泌水比小于20%。 2．原材料的选择与技术要求

海工高性能混凝土的原材料选择原则及其技术指标仍然是突出耐久性，以降低混凝土水化热、控制氯离子含量与总碱量为前提，提高混凝土的体积稳定性。

（以下列出各材料需要重点控制的指标，其余指标则应满足相应规范的技术要求）

2．1水泥

表1 水泥技术指标

厂家/品种/等级 比表面积（m2/kg） 300~400 3CaAl2O3含量（%） 6~12 氯离子含量 （%） ≤0.03 其它指标（Na2O+0.658K2O） 应满足 （%） ≤0.6 文献[3] 碱含量宁国海螺P.II.42.5 2．2粉煤灰 选用江苏谏壁I级低钙灰，各项指标应满足《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T18736-2002）[4]中的要求。 2．3矿粉

表2 矿粉技术指标

厂家/品种/等级 比表面积（m2/kg） 360~440 需水量比 （%） ≤100 氯离子含量 （%） ≤0.02 28d活性指数 （%） ≥95 其它指标应满足 文献[4] 浙江余姚S95 2．4减水剂 表3 外加剂技术指标 厂家/品种 南京友西UC-IB 聚羧酸类高效减水剂 减水率 （%） ≥25 氯离子含量 （%） ≤0.1 总碱量 （%） ≤3.0 其它指标应满足 文献[5] 2．5阻锈剂 由于亚硝酸钙阻绣剂对环境的污染以及易加速混凝土早期水化反应的弊端，本工程采用广州西卡建筑材料有限公司生产的“西卡901”复合氨基醇类阻锈剂，

该类阻锈剂为有机迁移渗透型，作用机理是通过扩散作用迁移到硬化混凝土内部，与混凝土中钢筋接触以后形成单分子保护层，不但保护混凝土中钢筋的阴极区，而且保护阳极区，具有双重作用，且无任何毒害。其控制指标见《钢筋混凝土阻锈剂》（JT/T537-2004）[6]。 2．7粗集料

表4 粗集料技术指标

厂家/规格/材质 舟山佛度5~25mm 凝灰岩碎石 含泥量 （%） ≤0.5 松散堆积密度 （g/cm3） ≥1450 空隙率 （%） ≤45 压碎值（%） ≤10 针片状（%） ≤10 其它指标应满足 文献[7] 集料应进行潜在活性的检测，不得采用可能发生碱-集料反应（AAR）的活性集料。 2．8细集料

细集料采用福建闽江的河砂，为保证混凝土的体积稳定性和可泵性，控制细度模数在2.6~2.9之间，其它指标按文献[8]控制。 2．9水

采用饮用水。 3．配合比设计

3．1配合比设计思路

海工高性能混凝土的设计与普通混凝土设计存在很大的差异，普通混凝土中可以利用和计算的经验公式在高性能混凝土设计中已不能成立，必须全面进行探索。配合比设计以满足混凝土的高耐久性、高工作性为前提，在此基础上，利用已有的经验对配合比进行优化组合，以确定一个各组分比例适当的经济配合比。寻找各组分的适当比例是一件工作量非常大的工作，常规的设计试验只能纵向比较且无法对各检测指标做科学的分析判断，因而在本次承台配合比设计中引进已在科学研究领域广泛使用的数学试验方法-正交设计法。

对海工混凝土耐久性、工作性、强度能够造成显著影响的是粉煤灰掺量、矿粉掺量、外加剂掺量和砂率四大因素，根据经验确定三个水平，从而构成一个L934的正交设计。（见表5）

表5 正交设计表 影响因素 水平 水平一 水平二 水平三 粉煤灰掺量 （%） 30 40 50 矿粉掺量 外加剂掺量 （%） （%） 20 30 40 0．9 1．0 1．1 砂率 （%） 40 42 44 在确定了影响因素和试验水平后必须给定一个胶凝材料总量和水用量，保证水胶比为定值，避免了水胶比的影响因素。根据矿物掺和料的比例和胶凝材料总量则水泥用量可确定，这样每个试验均为一个独立的配合比，其它材料的确定则按照绝对体积法进行计算。 3．2试验指标及其检测方法

高性能混凝土因多组分材料的使用而使各因素相互影响和制约，全面考察混凝土的各项指标，通过极差分析判断对单个指标影响的最主要因素，从而根据不

同结构对混凝土不同的技术要求确定一个最佳配合比。各检测指标和检测方法见表6。

表6 试验检测指标及其试验方法 检测指标 初始坍落度、扩展度 1h坍落度、扩展度损失 中边高差 流下时间 压力泌水比 140s压力泌水 混凝土内部最高温度 7d、28d、60d抗压强度 氯离子渗透系数 试验目的 初始塑性 经时塑性保持能力 包裹性 可泵性 可泵性、泌水 泌水 水化热 强度、强度增长规律 耐久性 试验方法 文献[9] 文献[9] 坍落度试验后不扰动混凝土测量中部和边部的高差 坍落度倒置法文献[2] 文献[9] 文献[9] 混凝土中部埋置热电偶导线测量、外部保温 文献[10] RCM快速法 3．3胶凝材料和水用量确定 胶凝材料总量定为430kg/m3，水用量定为138 kg/m3。由于阻锈剂根据厂家推荐为8kg/m3，含固量25%；减水剂按1.0%计算（含固量25%），则每方用水量实际为144kg/m3，则水胶比实际为0.34。至于0.9%和1.1%的减水剂掺量用水量调整幅度不大，对水胶比影响为0.001，不予考虑。 3．4试验结果和极差分析 试验结果见表7。

正交试验的最大优点就是通过极差分析来判断主要和次要影响因素，从表7的试验结果中可以逐一计算极差来判断，由于篇幅有限，暂不列出对于极差的分析过程，列出根据极差分析结果而得到的每个检测指标的主次要影响因素和选用比例。

表8 影响检测指标的主次要影响因素和初选比例 检测指标 坍落度 扩展度 1h坍落度损失 1h扩展度损失 中边高差 流下时间 压力泌水比 140s压力泌水 含气量 混凝土温度 7d强度 28d、60d强度 备注 主次要影响因素 砂率＞矿粉＞外加剂≈粉煤灰 矿粉＞外加剂＞粉煤灰＞砂率 外加剂＞矿粉＞砂率≈粉煤灰 矿粉＞外加剂＞粉煤灰≈砂率 砂率＞矿粉＞粉煤灰＞外加剂 粉煤灰＞外加剂＞矿粉＞砂率 粉煤灰＞砂率＞外加剂＞矿粉 粉煤灰＞外加剂＞矿粉＞砂率 粉煤灰＞砂率＞外加剂＞矿粉 粉煤灰＞矿粉＞外加剂＞砂率 粉煤灰＞矿粉＞外加剂≈砂率 粉煤灰＞矿粉＞外加剂≈砂率 初选比例（%） （粉煤灰：矿粉：外加剂：砂率） 30：30：1.0：42 30：30：1.0：44 30：30：1.1：42 40：30：1.1：40 50：20：1.1：40 30：30：1.1：44 40：30：1.1：44 40：20：1.1：44 40：20：1.0：44 40：20：1.0：44 40：30：1.0：42 40：30：1.0：42 30~40：20~30：1.0~1.1：42~44 30~40：20~30：0.9~1.1：40~42 84d氯离子扩散系数不同试验组的极差无明显差别，故不列出 3．5综合比例的选择

根据表8单个指标影响因素的分析和初选比例，综合考虑混凝土的各项性能，根据不同要求和侧重点，确定最佳的材料比例。表9列出的比例可供同类型但不同侧重点的工程参考。

表9 材料比例的综合确定 材料比例 水泥 侧重点 （%） 30 综合性能 40 泌水性能 强度性能 50 备注 30 20 40 42 45 40 38 35 20 20 20 42 44 42 粉煤灰 矿粉 砂率 外加剂掺量（%） （%） （%） （%） 40 30 42 1．1 1．1 1．0 1．1 1．1 表中比例是在采用本文中所使用的材料下确定的，不同材料情况应注意其内在的相互影响和制约 3．6承台配合比的选定和试验结果

根据以上的试验分析和研究，确定承台配合比如表10，其各项试验指标检测结果见表11。

表10 承台配合比 材料 单方用量 单方比例 （kg/m） 3水泥（kg/m） 3粉煤灰（kg/m） 3矿粉砂 （kg/m） 3水 （kg/m） (kg/m3) 3碎石（kg/m） 3阻锈剂（kg/m3） 减水剂136 0.35 176 0.45 78 0.20 806 2.067 1026 2.631 138 0.354 8.0 0.021 4.29 0.011

表11 承台配合比室内试验结果 检测 指标 初始 塑性 (mm) 2h 中边塑性 高差(mm) (mm) 流下 时间(s) 压力 泌 泌水水 比 率 (%) (%) 含 28d 气 强度量 (MPa) (%) 60d 强度(MPa) 氯离子含量（%） 84d氯离子扩散系数10-12m2/s 检测 结果 备注 200 560×570 200 500×490 50 3.5 15.6 0.2 4.0 48.8 57.8 0．007 0.57 初凝时间为20小时 4．现场施工

现场施工采取两次分层浇筑，最大单次浇筑方量7000m3，混凝土和易性良好，基本无泌水。温控数据显示入模平均温度14℃，30min内最大温升0℃，第三天混凝土内部达到温度顶峰43℃，远低于设计温控要求。 5．总结

大体积海工耐久性混凝土的配合比设计重点强调混凝土的耐久性、工作性和体积稳定性，矿物掺合料的掺量选择应重点考虑以上几个方面。矿物掺合料的比例选择不能随意而定，通过数学试验方法——正交设计法，能够科学全面的考察混凝土性能，从而根据不同需要科学确定配合比，该方法可在工地的配合比设计试验中广泛应用。

参考文献：

1． 刘秉京·混凝土技术·人民交通出版社，2004.3

2． 张明征·高性能混凝土的配制与应用·中国计划出版社，2003.3 3． 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥·GB175-1999

4． 高强高性能混凝土用矿物外加剂·GB/T18736-2002 5． 混凝土外加剂·GB8076-1997

6． 钢筋混凝土阻锈剂·JT/T537-2004 7． 建筑用卵石、碎石·GB/T14685-2001 8． 建筑用砂·GB/T14684-2001

9． 普通混凝土拌合物性能试验方法标准·GB/T50080-2002 10． 普通混凝土力学试验方法标准·GB/T50081-2002