在海洋工程中应大力推广高性能混凝土

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在沿海及河流入海口建造的大型建筑工程。 包括港口、 跨海大桥等由于受海水侵蚀导致钢筋锈蚀。混凝土膨胀开裂。维护改造费用昂贵。使用寿命受到严重影响。

上个世纪60年代发达国家开始探索提高混凝土耐久性的新途径。至80年代形成了高性能混凝土的概念。90年代高性能混凝土技术进一步发展并得到了广泛应用。 我国引进和开展这方面研究的时间不长。 “九五”期间交通部组织开展国家重点科技项目“深水枢纽港建设关键技术”研究。 将“港口水工建筑物耐久性研究”列为子课题。 以防治氯盐侵蚀为主研究提高港工建筑物耐久性和使用寿命的成套应用技术。 在此期间交通部还组织编制了《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》。 提出把高性能混凝土作为提高新建海港工程混凝土结构耐久性的首选措施。在此基础上。2000 年中国港湾建设 总公司技术中心组织集团所属科研院所根据各自特点分工协作。投入大量人力物力财力开展了抗氯盐污染高性能混凝土配制成套技术及耐久性寿命预测的课题研究。 通过2年多的努力实现了预期目标。 目前该成果已经和正在国内外的多项港口工程和跨海大桥工程中应用。

高性能混凝土与普通混凝土的区别在于其将高工作性、高强度、 高耐久性集于一身。 虽然强度与耐久性有一定的相关性。但它又区别于高强混凝土。其特点在于不追求过高的强度而把耐久性特别是高抗氯离子渗透性能放在首位。从根本上提高了混凝土本身的护筋性能。

高性能混凝土是通过以下途径达到上述要求的：使用矿物掺合料替代部分水泥作胶凝材料。如硅粉、磨细矿渣粉、优质粉煤灰。可以单掺。也可以两组份或三组份共掺。胶凝材料用量要适当富裕一些。限定最少用量。 这些活性矿物成份颗粒微小。 最细的硅粉其粒径仅为水泥粒径的1/100。磨细矿渣粉和粉煤灰的粒径也比水泥为小。在拌制的混凝土中发挥填充效应和火山灰反应使混凝土变得更加致密。从而降低混凝土的渗透性;掺与所用水泥相匹配的高效减水剂。 降低混凝土拌合物的用水量。 采用低水胶比是提高混凝土耐久性的关键。 实际应用的高性能混凝土水胶比都介于0.25～0.4 之间。 高效减水剂与水泥的相容性好坏不但决定是否保证拌制混凝土的高流动性。 更主要的是能否降低拌合物坍落度的经时损失；采用最大粒径小的优质骨料。 石子粒径在10-25mm 范围。 原因是减小了骨料水泥浆界面应力差。消除了内部裂缝。

当然高性能混凝土除了要精心进行配合比设计外。其生产浇注和养护过程也都是不可忽视的。 由于外加剂和矿物掺合料需要充分分散均匀。需要适当延长搅拌时间。由于其泌水少。水分蒸发容易导致塑性裂缝的产生。因此其振捣、抹面和养护需要连续衔接。特别是对淡水潮湿养护的要求应严格遵守。

总之。 配制高性能混凝土与配制普通混凝土并没有本质区别。 上个世纪50年代我国著名的混凝土材料专家。 原一航局科研所所长郭云炳先生就总结出配制优质港工混凝土的三原则即。 低水灰比、 富配合、 优质骨料。 这与配制高性能混凝土的基本道理如出一辙。 因此高性能混凝土并没有什么奥妙和神秘，只要我们认真地按照结构对耐久性和力学性能的要求，科学地选择组成材料，精心进行配合比的设计，遵循既定规程施工就完全可以生产出符合要求的高性能混凝土。

对于高性能混凝土的寿命预测，除了按国际上通行的方式进行室内外试验，氯离子渗透切片分析和理论推导之外， 还制造了大批量不同配比的试件进行海洋暴露试验，试件龄期长达30年。拟将室内混凝土耐久性快速试验与现场暴露试验的结果结合起来，对寿命预测进行修正，以期建立可靠、实用的寿命预测方法。

高性能混凝土所用材料除硅粉价格较贵以外， 磨细矿粉和优质粉煤灰与水泥单价略同， 甚至稍低。 硅粉掺量除有特殊要求的工程可掺至胶凝材料用量的8-10％以外，一般单掺或共掺的范围仅3-5％，因此采用高性能混凝土较之普通混凝土单价提高相当有限，特别是与其耐久性寿命成倍提高的效果相比， 大大降低了建筑物的服务周期成本， 经济效益和社会效益十分显著。 高性能混凝土的生产工艺并不复杂，也不需要添加特殊设备， 只要精心施工， 难度不大。

总之在海洋工程中率先大力推广应用高性能混凝土是利国利民， 对建设、 设计、 施工都是非常有益、 有利的。 科学研究和实践已经证明， 掺用符合要求的磨细矿物掺和料替代部分水泥作为胶凝材料其意义决非传统观念上的节约水泥，更非废物利用，它使混凝土结构本身更加密实抗渗，十倍甚至几十倍的降低了氯离子渗透系数。试验还证明采用大掺量粉煤灰的高性能引气混凝土比普通引气混凝土在相同条件下具有更高的抗冻性， 这与我们以前的惯常认知也有很大的不同。 针对高性能混凝土的应用， 在很多方面尚需要提高认识，转变观念，加大宣传力度。

近年来随着高性能混凝土在海洋工程中的应用，也出现了一些值得注意的问题。其中对高性能混凝土结构物产生裂缝问题的认识尤为突出，甚至由此导致舆论上的误区。其实高性能混凝土结构物产生裂缝的原因与普通混凝土结构是基本相同的。非荷载作用产生的裂缝大多是因为胶凝材料水化热引起的混凝土的胀缩，浇注混凝土结构物的内外温差和新老混凝土之间的约束关系等原因造成的。 虽然高性能混凝土由于采用磨细矿物掺合料替代部分水泥， 一般情况下胶凝材料比单掺水泥时的水化热有所降低，对防止裂缝的产生带来有利因素，但其绝热温升降低的幅度有限，对限制裂缝开展所起作用不是十分明显。 因此，普通混凝土结构物需要采取的防裂措施在高性能混凝土中同样适用，也同样必要。在结构设计、 原材料选择和配合比设计 以及施工工艺 诸方面都不能因为采用了高性能混凝土而有所忽视，相反地由于对混凝土耐久性要求的提高而更应该受到充分重视。 当前，在某些海洋工程中采用高性能混凝土出现的裂缝现象， 如防波堤堤身裂缝、 预制大跨度钢筋混凝土箱梁裂缝、 现浇码头叠合梁横梁裂缝以及桥梁承台外用薄壁高性能混凝土套箱做镶面内浇混凝土造成套箱外壁裂缝等现象，大多是因为建筑物分层位置及分段长度不当； 混凝土拌合物水化热温升过高， 混凝土结构内外温差过大； 叠合结构长， 上下层浇注间隔时间久； 约束体承受混凝土初期膨胀和内外温差共同作用形成的弯矩使其混凝土表层拉应力超过了极限抗拉强度所致。 当采用了相应的措施之后， 情况都有了显著的改善。

但是， 高性能混凝土水胶比低，结构致密，在浇注初期由于混凝土表层自由水迅速消耗而得不到补充，极易产生早期收缩裂缝， 需要采取针对性措施去克服。 在配合比方面适当降低砂率和减少胶凝材料用量， 在胶凝材料中掺入适量的粉煤灰，非十分必要尽可能不采用早强型水泥，当采用普通的养护方法时不追求过低的水胶比， 有利于抗裂性能的改善。 尤其是适量粉煤灰的掺入，可大幅降低混凝土的自收缩，与硅粉共掺既可发挥掺硅粉电通量和早期强度易保证的优势又可抑制掺硅粉更易发生早期干缩裂缝的作用。 其实， 控制高性能混凝土早期裂缝的发生， 关键还在于施工工艺和养护措施， 特别是在混凝土浇注的第1天。 低水胶比的高性能混凝土初凝前后最好进行2次振捣 、2次压面，并及时用塑料薄膜覆盖， 连续进行浇水养护。 总之， 要做到精心施工、 精心养护。

由于材料科学的发展， 磨细矿物掺合料和高效减水剂的使用， 使混凝土的水灰比有可能大幅降低，混凝土的孔结构也发生了质的变化， 通过大量不同组份掺和料配制的高性能混凝土的抗冻实验证明，高性能加气混凝土的抗冻性能优于同等条件下的标准混凝土，其结果足以使我们对在北方寒冷地区海洋工程潮差和浪溅部位采用高性能混凝土解除顾虑 树立信心。 在研究钢筋混凝土结构的耐久性寿命时， 通常都把氯离子渗透到主筋表面达到一定浓度， 钢筋钝化膜破坏， 钢筋锈蚀膨胀， 混凝土开裂作为基本依据， 其寿命的长短除了混凝土环境和氯离子渗透系数的大小。以外， 在很大程度上取决于钢筋保护层的厚度， 并且与保护层厚度的平方成正比。因此，为了满足建筑物特定理论上的耐久性年限，有时会把钢筋混凝土结构甚至主要受力构件的保护层设计得过厚， 反而造成钢筋对混凝土表层裂缝的产生和发展失去制约作用。 对采用高性能混凝土的钢筋混凝土主要受力构件而言， 仅计算荷载作用下限制裂缝开展宽度的结构配筋是不够的， 还应进一步开展钢筋配置对混凝土裂缝控制与影响机理的研究。 没有充分把握和依据时， 应按照水运工程混凝土施工规范。 和海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范关于钢筋混凝土保护层最小厚度的规定执行。当不能满足设计计算的耐久性年限要求时，可以采取其它如涂层封闭保护、外加电流法等综合性措施解决。此外， 所谓大体积混凝土的概念以及大体积混凝土防裂措施的传统观念都应该随之更新，代之以在更宽广视野上的新理念。

随着基本建设规模的急剧扩大，建筑市场对水泥和磨细矿物掺和料的需求迅速增长， 质量不稳定，良莠不分，供不应求的现象相当普遍。在这样的背景之下只有坚定地执行质量标准才是推广应用高性能混凝土的正确选择。

随着我国国力的增强和科技水平的提高， 延长建筑物使用寿命， 提高建筑物耐久性已成为基本建设中的迫切任务。 特别是结合当前海工工程向大型、外海发展的趋势， 大力推广利用高性能混凝土适当其时。