水运工程海中大体积混凝土质量控制要点
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摘要：针对水运海中大体积混凝土施工质量控制的问题，依托实际工程特点进行原材料的选择、配合比优化设计和性能试验、现场条件的管控、砼表面涂层的防护，不断的通过对检测数据的跟踪与统计分析，提出相应的应对方案，有效的提高砼的强度、减少开裂和避免超值裂缝，以保证砼结构的使用性能和使用寿命，为同类结构工程施工质量控制提供技术参考。
中图分类号： TU37 文献标识码： A
1.引言
玉环变－乐清变500KV双回输电线路大跨越段海中铁塔基础位于乐清电厂综合码头和卸煤码头之间的海中。铁塔基础平台平面尺度为53m×53m，厚度3.2米，中间为20.5m×20.5m的孔口，为高桩墩式结构，属浪溅区部位。平台下设置65根φ1.8m的钢管桩，共计9根桩为直桩，其余59根桩为斜桩。
大体积平台混凝土等级C45，分两次浇筑，第一层浇筑厚度1.5米，第二层浇筑厚度1.7米。先利用钢管桩桩顶承载力安装完成桩顶吊挂系统，再进行第一层平台混凝土浇筑，待强度满足要求后拆除吊挂系统，再进行第二次平台混凝土浇筑，最后采用海工钢筋混凝土防腐专用材料进行混凝土表面防腐蚀涂层处理。
平台混凝土浇筑方量较大，二次浇筑方量分别为3753m3和4322m3，施工时混凝土运输车需穿行浙能乐清电厂生产区通过栈桥至卸煤码头，交通环境复杂且运输时间长，给混凝土浇筑施工速度带来不便。
因此，水运工程海中大体积砼施工中采取有效的防护措施，对保证结构长期的耐久性，有效的延长结构的服役寿命，大大降低因温度裂缝、海水腐蚀等造成的损失成了重中之重，不可轻视，其中对结构砼的质量控制成了该工程研究的重点。
2.原材料的选择
2.1水泥：铜陵海螺牌P.O42.5级，氯离子与碱含量符合标准要求。
水泥品种的选择，根据结构所在地区和部位选取，水运工程中严禁使用烧粘土质的火山灰质硅酸盐水泥；大体积混凝土中宜采用标准稠度用水量低，熟料中的铝酸三钙含量宜在6%~12%，早期水化热低的普通硅酸盐水泥，对水泥的细度也有相应的规定，因水泥磨细后细颗粒增多，过大的水泥表面积会加快水泥的水化速率，增加水泥的早期水化热，增大混凝土的干缩，过细对大体积混凝土抗裂不利，宜控制在300m2/Kg~400 m2/Kg。
2.2粉煤灰：浙能乐清电厂Ⅱ级，氯离子与碱含量符合标准要求。
粉煤灰的品质会严重影响混凝的性能，Ⅲ级粉煤灰细度偏大、含碳量过高、容易造成混凝土的需水量大、坍落度损失加快，不利于大休积混凝土的施工，同时也会影响抗渗、抗裂和抗冻等耐久性能。根据该工程的地理优势选择浙能电厂Ⅱ级F类低钙粉煤灰，需水量比控制在100%以下。
2.3粒化高炉矿渣粉：采用张家港恒昌新型建材公司S95级矿粉，氯离子与碱含量符合标准要求。
粒化高炉矿渣粉越细，活性越高；在一定范围内，混凝土的水化热温升随粒化高炉矿渣粉掺量的增加而增大，从大体积混凝土温控和减少混凝土的收缩开裂的角度考虑比表面积宜为400m2/Kg~450 m2/Kg。参照《水运混凝土施工规范》三个等级中选用S95级为佳。
2.4粗骨料：采用乐清虹桥采石厂粒径为5~25mm，级配良好碎石，氯离子与碱活性指标都符合标准要求。
2.4.1碱活性粗骨料易发生碱骨料反应而使混凝土产生开裂，破坏混凝土的整体性，对于海洋环境中的结构增大了钢筋的锈蚀风险，所以严格限制了粗骨料的碱活性。
2.4.2粗骨料的最大粒径在南方地区浪溅区不大于保护层的2/3，高性能混凝土中最大粒径不应大于25mm，且为连续级配，空隙率≤45%为好。
2.4.3粗骨料中含泥量过多对强度、干缩、抗冻及和易性都将产生影响，尤其会增加混凝土的收缩，使抗拉强度降低，水运工程中加以了严格的限制，对有抗冻要求的C45砼含泥量≤0.5%，泥块含量≤0.2%。
2.4.4特别增加了有机物含量的检测。
2.5细骨料：采用福建闽江中砂，氯离子与碱活性指标符合标准要求。
2.5.1细骨料的粗细程度和级配是影响混凝土的和易性的主要因素，选择优质的细骨料可相应的减少胶凝材料用量，从而减少水泥的水化热。
2.5.2水运工程对细骨料的云母含量也加以了限制，含量过高混凝土用水量增加，混凝土的收缩增大，有抗冻要求的C45砼云母含量＜1.0%。
2.5.3特别增加了有机物含量的检测。
2.6外加剂：采用浙江五龙高效不含糖类缓凝型外加剂ZWL-A-Ⅱ型，减水率≥18%，氯离子含量以胶凝材料质量百分率计不宜大于0.02%，碱含量符合标准要求。
缓凝型减水剂主要对水泥水化起抑制作用，从而延长混凝土凝结时间，推迟水泥的水化放热，降低混凝土的水化热温升，其中含有糖类的外加剂与水泥的适应性差，易导致混凝土用水量增加和促凝，因此大体积混凝土缓凝组分不应为糖类。
2.7海工抗腐蚀剂：南京派尼尔科技实业有限公司 PRCA型，氯离子与碱含量符合标准要求。
在胶凝材料中，内掺入海工抗腐蚀剂，对水泥的凝结时间影响不大，水泥的胶砂强度也不会减小，能降低水化热，使混凝土温度峰值推迟，而抗海水、抗硫酸盐和抗碳酸盐侵蚀、抗渗性能、抗氯离子渗透系数也有大幅度的提高。
2.8拌合水:采用自来水，氯离子与碱含量符合标准要求。
大体积混凝土的拌合用水的PH值需大于5以上，钢筋混凝土均不得采用海水拌和，也不得采用沼泽水、工业废水或含有害杂质的水，同时拌合水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的物质。
3.配合比优化设计
配合比设计优化设计理念除按《水运混凝土施工规范》的有关规定即满足耐久性和经济性外，同时也应满足大体积混凝土绝热温升低、抗裂性能良好的原则。
本工程因处于海洋环境浪溅区，结合平台施工的特点，混凝土的施工必须借促桩基桩顶的承载力采用吊挂系统进行第一次浇筑（5月~6月施工），满足要求后拆除吊挂系统后方可施工第二次平台混凝土（7月~8月施工）,分次浇筑混凝土的时间长，面积大。
综上述原则与施工特点，本次混凝采用正交设计法配制出了如下配比：
平台混凝土理论配合比
备注：
.60天抗压强度、弹性模量、3天、7天、15天、30天、60天劈裂抗拉强度均满足要求；
.混凝土拌合物总碱含量≤3.0Kg/m3,氯离子含量≤0.1%,硬化混凝土60天电通量≤1000C，满足海中大体积混凝土设计要求。
.混凝土拌合物的初凝时间＞20小时，满足现场施工条件。
.混凝土28天抗冻性能≥F300。
3.1在设计配比当初，考虑到本工程海中环境混凝土的耐久性要求，对浪溅区C45混凝土采用了水胶比最大允许值必须≤0.35，胶凝材料总量≥400 Kg/m3。
3.2平台大体积混凝土应在满足施工工艺要求的条件下，选择较小的坍落度，选择较小的砂率来改善和防止砼早期水化热太高，影响砼的抗裂性能。
3.3根据掺粉煤灰、粒化高炉矿渣粉的机理特性采用“三掺法”，降低混凝土的早期水化热，增加后期强度,降低用水量，提高混凝土的和易性，改善与水泥及减水剂的相容性。众所周知，粉煤灰颗粒呈极小球状玻璃微珠，表面光滑、粒度细，在混凝土中起到了滚珠轴承的作用，填充在水泥颗粒之间起到一定作用，降低需水量，起减水作用；矿粉颗粒为不规则形状的玻璃体，亲水性较差，对水的吸附性较小，所以掺入水泥中也有一定的减水性。掺粉煤灰、粒化高炉矿渣粉与水泥三元胶凝体系使混凝土密实，孔隙率更低，达到增加流动度的效果，如流动性一定则表现为一定的减水效果。同时粉煤灰、矿粉与水泥的主要成分又有不同，水泥熟料的主要成分中C3A、C4AF对减水剂的吸附量最大，粉煤灰的主要化学成分中SiO2、AL2O3、Fe2O3这三种的含量合计占70%以上，矿粉的主要化学成分CaO、 SiO2、AL2O3这三种的含量达90%以上，这些成分对减水剂的吸附量很小，在水泥中掺入粉煤灰、矿粉使得C3A、C4AF对减水剂的吸附量相对降低，这样较多的减水剂被释放到浆体中间发挥作用，可显改善水泥与外加剂的相容性。
3.4依据平时大量的试验经验，粉煤灰与矿粉的掺量分别在＜40%时，对水泥胶砂流动度基本不变情况下，均表现出近似于线性的减水关系，同时又要结合大体积砼粉煤灰与矿粉复合的掺量不超过胶凝材料总量的65%，其中粉煤灰掺量不超过20%；拌合物中胶凝材料体积不应大于混凝土体积的35%等特点，采用正交设计法进行试拌、测强、分析得出相应的较为理想的、可行的配合比，能很好的满足本工程的结构要求。
4.温控措施
该工程海中大体积混凝土施工温度控制的本质是：控制大体积混凝土结构的温度拉应力不超过混凝土相应龄期的抗拉强度。
从温度控制的本质可以看出，大体积混凝土施工的温度控制途径有两个：一是提高混凝土本身的抗裂性能；二是采取有效措施，降低大体积混凝土施工、养护过程（主要是混凝土的降温过程）中内部及其表面的拉应力（温度应力）。
4.1配合比控制（控制途径一）
4.1.1严格按照施工配合比施工，确保各项合格材料计量准确，生产时搅拌均匀，按规定的搅拌时间搅拌，满足拌合物的和易性，性能稳定，不出现泌水、离析和较大的坍落度损失，不定期对材料进行含水量的检测。
4.1.2混凝土浇筑至15cm厚的面层范围内时，混凝土以0.9kg/m3的比例掺入高性能聚丙烯纤维，以提高面层混凝土的抗裂能力。
4.2施工控制（控制途径二）
4.2.1温度控制标准
混凝土温度控制主要目的是:1)尽量降低混凝土温升、延缓最高温度出现时间；2）降低降温速率；3）降低混凝土中心和表面之间、新老混凝土之间的温差以及控制混凝土表面和气温之间的温差。温度控制方法需根据气温（季节）、混凝土内部温度、结构尺寸、约束情况、混凝土配合比等具体条件确定。根据本工程的实际情况，制定如下温控标准：
混凝土中心和表面温差小于25℃；
通过现场测试调整进水流量使温度应力有时间释放，以减少温度裂缝，保证降温速率小于2.0～3.0℃/天。
混凝土浇筑温度小于30℃，不低于5℃；
混凝土内部最高温度小于70℃；
混凝土养护水与表面温度小于15℃.
4.2.2浇筑温度控制
4.2.2.1该工程施工正处在热天施工，经验表明夏季夜间施工出机口温度普遍比白天低2~3℃，充分利用了温度较低时段施工，即下午开始浇筑缩短了白天浇筑的时间。
4.2.2.2水泥、掺合料温度不高于60℃。如果水泥、掺合料使用温度过高一方面提高了混凝土浇筑温度控制难度，另一方面易带来混凝土用水量的增加，假凝等问题，影响混凝土质量。
4.2.2.3骨料堆场采用堆高、喷淋和风冷等措施。骨料在混凝土中用量最大，对出机口温度影响最大，该工程在采用堆高、材料场先喷水湿透外在输送带上方增加大型电风扇对骨料再一次降温。
4.2.2.4使用冰块降温措施。搅拌站所处海边地带，地下水无法采用，工程采用购买冰块加入自来水中降温，降低拌合水的温度来控制混凝土入模温度。
4.2.3混凝土浇筑控制
4.2.3.1提高混凝土浇筑能力，缩短暴露时间；缩短混凝土运输时间，减少转运次数，本工程与电厂方全力配合，给运输开通绿色走廊。
4.2.3.2混凝土分层施工，并控制分层厚度，不得随意留有施工缝。混凝土布料时要均匀，不得用振捣棒赶料。
4.2.3.3大体积混凝土采用二次振捣工艺，即在混凝土初凝前再次振捣，可增加混凝土的密实度，减少表面微裂缝。
4.2.4管冷控制
4.2.4.1根据混凝土内部温度分布特征，平台内布φ32mm的钢管，水平间距为0.5~1.5m，竖直间距为1.0m，单根水管长度不超过200m，进出水口集中布置。
4.2.4.2混凝土浇筑前冷却水管应进行压水试验，管道系统不得漏水。
4.2.4.3混凝土覆盖到各层冷水管标高后即开始通水，使水管周边的砼的温度与水温接近，温度梯度平稳，通水时间也对混凝土水化热温升影响显著，及早通水可以延缓砼的水化速率，推迟温峰出现的时间，各层混凝土温度峰值过后即停止通水，通水流量应大于20L/min，定期改变通水方向。
4.2.4.4冷却水的温度与混凝土的内部温度之差不超过25℃，避免对内部混凝土造成冷激。
4.2.4.5为防止上层混凝土浇筑后下层混凝土温度的反弹，采取二次通水冷却，通水时间根据测温结果确定。
4.2.4.6根据现场情况，合理选择水泵，配备备用水泵，并配备检修人员，以保证冷却系统正常工作。
4.2.5保温养护控制
保温养护是大体积混凝土施工的关键环节之一，主要是通过减少砼表面的散热，从而降低大体积混凝土内表温差。为保证混凝土施工质量，控制温度裂缝的产生，采取一层塑料薄膜和一层湿土工布养护。
第一层混凝土浇筑结束后，在吊箱顶面采用一层塑料薄膜加一层湿土工布遮盖，进行密封保湿养护，注意在养护期间始终保持砼表面湿润，严格注意早期(前7d)的养护。按掺合料混凝土技术规范要求,掺合料混凝土暴露面的潮湿养护时间不得少于14d。
第二层混凝土浇筑结束，表面处理结束后，在砼表面采取一层塑料薄膜加一层湿土工布覆盖，使其在养护期内始终保持湿润，薄膜和土工布须互相搭接、叠合，延长对侧模木模的拆模，因木模起保温作用，防止了砼内表温差过大，同时也有利于砼的保湿，具体养护结束时间根据测温决定。
5.温控监测措施
5.1测点布置在浇筑块体平面对称区域，测点应能测出混凝土内部最高温度、表面温度和温度梯度，同时也应监测气温和水温。
5.2砼浇筑和振捣时不得直接冲击测试元件及引出线，确保测试元件能准确测试出温应与应力，采集到相应数据进行分析，及时调整水流方向与水流速度。
6.混凝土防腐蚀控制
高质量的混凝土和保护层厚度是提高水运海中大体积混凝土耐久性的第一道防线，但是并不能保证长期耐久性，因此混凝土表面防腐蚀涂层系统采用海工钢筋混凝土防腐专用材料,涂于表面以降低Cl-、CO2和水的渗透速率，由底层、中间层和面层配套涂膜组成。具体涂层方案为：环氧树脂封闭底漆（≥50μm）+环氧树脂中间漆（≥300μm）+改性丙烯酸聚氨酯面漆（≥200μm），面漆颜色为灰色，也是美国混凝土协会（AIC）中砼表面防护中最简单有效的措施。
6.1 环氧树脂涂料具有高附着力、高强度、固化方便和优异的防腐性能；改性丙烯酸聚氨酯具有很好的耐化学品性、耐候性、保光保色性和极强的装饰性在喷涂时不定期测量涂敷干膜厚度，以达到规定要求。
6.2施工前混凝土表面处理要求
由于本平台处于浪溅区，海水的冲击力的影响，需用电动砂轮或钢铲刀清除混凝土构件表面松动的砂浆、碎屑及表面附着物，用水泥浆或涂层材料相容的填充料修补蜂窝、露石等明显缺陷。再用适当的溶剂抹除混凝土表面的油渍，最后用清洁淡水冲洗混凝土表面，是处理后的混凝土表面无露石、蜂窝、碎屑、油污及不牢固的附着物，加强涂层的附着力。
6.3 混凝土龄期不得小于28天，开始准备混凝土防腐蚀施工。底漆、中间漆、面漆涂装间隔时间按产品性能，每层间隔必须24小时后才可进行下层喷涂，间隔期限不大于5天。底材温度须高于露点3℃以上，施工现场相对湿度应小于95℃。若环境温度低于5℃时不宜施工；到雨、雾、雪、冰等恶劣气候不能施工，确保施工质量。
6.4涂装完成3d后，检查涂层外观质量，涂层应无气泡、起皱、龟裂及漏涂等，达不到要求的及时进行补涂。
7.结语
针对水运海中大体积混凝土施工质量控制的问题，依托实际工程特点进行原材料的选择、配合比优化设计和性能试验、现场条件的管控、砼表面涂层的防护，不断的通过对检测数据的跟踪与统计分析，提出相应的应对方案，有效的提高砼的强度、减少开裂和避免超值裂缝，以保证砼结构的使用性能和使用寿命，为同类结构工程施工质量控制提供技术参考。
参考文献：
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㈢ TB/T3228-2010铁路混凝土结构耐久性修补及防护中华人民共和国铁道部
㈣ JTS202-2011水运工程混凝土施工规范中华人民共和国交通运输部
㈤ 田惠文 李伟化等海洋环境钢筋混凝土腐蚀机理和防腐涂料研究进展 涂料工业2008：62
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㈧ 低水胶比大掺量矿物掺合料水泥基材料的收缩及机理研究 东南大学，2006
笔者简介：石青瑞（1974-），女，试验检测员，助理工程师
石占良（1971-）男，高级工程师