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摘 要：本文以龙岩东环高速公路的某合同段桥梁抗硫酸盐水下灌注桩基础施工为例，从混凝土的抗硫酸盐侵蚀和高工作性能两个方面对C50混凝土配合比进行设计研究。经实践得出，掺入优质矿物掺合料和高性能减水剂满足抗硫酸盐和工作性能的要求。
关键词：配合比设计;抗硫酸盐侵蚀;高工作性能
中图分类号：TU528 文献标识码：A
0 引言
龙岩东环高速公路某合同段地处新罗市区东部，地质条件较为复杂，沿线存在煤矿采空区。由于煤系地层大多形成于还原环境，煤层开采后处于氧化环境，硫铁矿与矿井水和空气接触后，经过一系列的氧化、水解等反应，导致矿洞地下水呈酸性[1]。该合同段中部分桥梁所处位置地下水中SO42-离子含量为1 003.39 mg/L，对混凝土结构具有强腐蚀性，对混凝土中的钢筋具微腐蚀性。因此处于此环境中的桥梁桩基础必须采用抗硫酸盐混凝土。与此同时，该合同段桩基础均采用水下灌注的施工工艺，要求混凝土的具有较高的工作性能。
1 配合比设计技术思路
根据工程对混凝土的要求：要有良好的抗硫酸盐侵蚀性能和高工作性能，本文分别进行分析。
（1）混凝土抗硫酸鹽侵蚀性能。水泥是水泥混凝土中的胶凝材料，而水泥熟料中的铝酸三钙（C3A）矿物和水化化后水泥浆体中的Ca（OH）2晶体是形成硫酸盐侵蚀的主要因素。混凝土在硫酸盐环境中，C3A矿物和SO42-离子发生反应生成水化硫铝酸钙（又称钙矾石），而水泥浆体中的Ca（OH）2和SO42-离子发生反应生成二水石膏（CaSO4·2H2O），二水石膏进一步和混凝土中的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，生成物体积均较原生物显著增大，导致混凝土出现膨胀开裂破坏[2]。因此，减少C3A的带入，可以从本质上解决硫酸盐侵蚀的问题。主要可以从两方面实现：一是选择C3A含量低（<5%）的水泥;二是掺入优质矿物掺合料代替部分水泥。
矿物掺合料主要包括粉煤灰、矿粉等。矿物掺合料具有活性效应，其中活性SiO2和Al2O3与水泥浆体中的Ca（OH）2发生反应，生成水化硅酸钙和水化氯酸钙：
xCa（OH）2+SiO2+mH2O=xCaO.SiO2.mH2O
yCa（OH）2+Al2O3+nH2O=yCaO.Al2O3.nH2O
上述反应减少了混凝土浆体中Ca（OH）2晶体的含量，可以缓解结构膨胀，同时新生成的C-S-H凝胶可以填充结构中的孔隙，降低了混凝土内部的空隙，提高混凝土的密室性，增大了混凝土抗SO42-离子侵入和扩散。
（2）混凝土的高工作性能。用于水下灌注施工的混凝土拌合物应具有良好的和易性，在灌注时应能保持足够的流动性。而本文设计的混凝土为C50等级，胶凝材料的用量一般达到450 kg/m?以上，因此拌合物的黏性较大，不利于施工。解决这个问题，有以下两个途径：
1）掺入优质矿物掺合料。粉煤灰中含有大量的玻璃体，表面光滑，在混凝土中起到滚珠作用，同时粉煤灰还能有效地分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料，大大提高混凝土的工作性能。矿粉在混凝土中前期不直接参与水化，能够降低混凝土中胶凝材料的标准稠度用水量，在保持相同用水量的情况下可增加流动性，改善混凝土的工作性能。
2）使用高性能减水剂。高性能减水剂具有高减水率（一般大于25%），使用时能够较好地控制水泥的早期水化，减少塌落度损失，且具有一定的引气性能，微小的气泡能在混凝土内部产生润滑作用，更好地提高和保持混凝土的工作性能。
（3）基于上述分析，为保证混凝土的抗腐蚀性及高工作性能的要求，以掺入优质矿物掺合料和高性能减水剂为主要技术要求进行配合比设计。
2 实拌混凝土性能分析验证
2.1 原材料
水泥（C）采用福建龙鳞水泥有份有限公司生产的P.O52.5级水泥。细集料（S）采用江西赣江河砂、Ⅱ区中砂、细度模数2.78。粗集料（G）采用永定鑫东安碎石场生产的5 mm～20 mm碎石、石灰岩、级配良好、压碎值为12.3%。减水剂（SP）采用厦门兴纳科技有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂、缓凝型、减水率为26.8%。粉煤灰（F）采用福建省龙岩南山盂水泥有限公司生产的F类I级粉煤灰。矿粉（K）采用三明市璟晟工贸有限公司生产的S95级矿粉。拌和用水（W）采用龙岩市自来水。
2.2 混凝土配合比设计
根据JGJ/55-2011进行配合比设计，设计塌落度为180 mm～220 mm。首先确定不掺矿粉掺合料的基准配合比，其余配合比在基准配合比的基础上分别加10%、20%、30%、40%的粉煤灰或矿粉及15%粉煤灰+15%矿粉等量取代水泥用量，混凝土配合比见表1。
2.3 试验项目及方法
根据抗硫酸盐侵蚀和高工作性能，混凝土试验项目和方法如下：
1）抗硫酸盐侵蚀检测。本文使用广州大学和暨南大学研究发表的《混凝土抗硫酸盐试验的一种新方法》中的试验方法，采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方体试块，浸泡于5%Na2SO4溶液和5%（NH4）2SO4溶液，测定强度损失率和体积膨胀率[3]。
2）工作性能检测。混凝土工作性能主要体现于和易性及流动性，用塌落度试验进行定量表示。
2.4 试验结果
2.5 试验结果分析
1）从表1可以看出，高性能减水剂和矿物掺合料能有效改善了混凝土的和易性和流动性。
2）从图1和图2可以看出，在粉煤灰及矿粉的掺入量为10%混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能有所提升但不明显;当掺入量达到30%时，抗硫酸盐侵蚀性能提升不明显甚至有所下降。因此可以得出单掺粉煤灰或矿粉在20%～30%之间达到混凝土抗硫酸盐侵蚀性能达到最佳。而双掺15%粉煤灰和15%矿粉混凝土在强度、抗硫酸盐侵蚀性能和工作性能方面均优于单掺[4]。
3）本次C50水泥混凝土配合比设计优先选定双掺15%的粉煤灰和15%矿粉，即水泥：水：粗集料：细集料：粉煤灰：矿粉：减水剂=339：160：1 100：675：73：73：4.85=1：0.48：3.24：1.99：0.22：0.22：0.014。
3 结语
（1）试验表明，掺入尤其是双掺优质的矿物掺合料能有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，但不能过掺;通过使用高性能减水剂和矿物掺合料配制高等级的高工作性能混凝土是一种行之有效的方法。
（2）本文从配合比设计出发，提升混凝土工作性能和抗硫酸盐侵蚀性能，希望所得经验能为同行提供参考。
参考文献：
[1]孙立勤.酸性矿井水的危害及防治[J].煤炭技术，2007，26（12）：53-54.
[2]戴文波，蒋世琼.混凝土抗硫酸盐侵蚀的研究[J].现代企业文化，2010，3（15）：122.
[3]廖原，欧阳东.混凝土抗硫酸盐试验的一种新方法[J].广东建材，2003，19（09）：14-16.
[4]王杰，付翔，常伟良.矿物掺合料在抗硫酸盐侵蚀混凝土配合比中的试验研究[J].居舍，2019，39（18）：33-34.
关键词：配合比设计;抗硫酸盐侵蚀;高工作性能
中图分类号：TU528 文献标识码：A
0 引言
龙岩东环高速公路某合同段地处新罗市区东部，地质条件较为复杂，沿线存在煤矿采空区。由于煤系地层大多形成于还原环境，煤层开采后处于氧化环境，硫铁矿与矿井水和空气接触后，经过一系列的氧化、水解等反应，导致矿洞地下水呈酸性[1]。该合同段中部分桥梁所处位置地下水中SO42-离子含量为1 003.39 mg/L，对混凝土结构具有强腐蚀性，对混凝土中的钢筋具微腐蚀性。因此处于此环境中的桥梁桩基础必须采用抗硫酸盐混凝土。与此同时，该合同段桩基础均采用水下灌注的施工工艺，要求混凝土的具有较高的工作性能。
1 配合比设计技术思路
根据工程对混凝土的要求：要有良好的抗硫酸盐侵蚀性能和高工作性能，本文分别进行分析。
（1）混凝土抗硫酸鹽侵蚀性能。水泥是水泥混凝土中的胶凝材料，而水泥熟料中的铝酸三钙（C3A）矿物和水化化后水泥浆体中的Ca（OH）2晶体是形成硫酸盐侵蚀的主要因素。混凝土在硫酸盐环境中，C3A矿物和SO42-离子发生反应生成水化硫铝酸钙（又称钙矾石），而水泥浆体中的Ca（OH）2和SO42-离子发生反应生成二水石膏（CaSO4·2H2O），二水石膏进一步和混凝土中的水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，生成物体积均较原生物显著增大，导致混凝土出现膨胀开裂破坏[2]。因此，减少C3A的带入，可以从本质上解决硫酸盐侵蚀的问题。主要可以从两方面实现：一是选择C3A含量低（<5%）的水泥;二是掺入优质矿物掺合料代替部分水泥。
矿物掺合料主要包括粉煤灰、矿粉等。矿物掺合料具有活性效应，其中活性SiO2和Al2O3与水泥浆体中的Ca（OH）2发生反应，生成水化硅酸钙和水化氯酸钙：
xCa（OH）2+SiO2+mH2O=xCaO.SiO2.mH2O
yCa（OH）2+Al2O3+nH2O=yCaO.Al2O3.nH2O
上述反应减少了混凝土浆体中Ca（OH）2晶体的含量，可以缓解结构膨胀，同时新生成的C-S-H凝胶可以填充结构中的孔隙，降低了混凝土内部的空隙，提高混凝土的密室性，增大了混凝土抗SO42-离子侵入和扩散。
（2）混凝土的高工作性能。用于水下灌注施工的混凝土拌合物应具有良好的和易性，在灌注时应能保持足够的流动性。而本文设计的混凝土为C50等级，胶凝材料的用量一般达到450 kg/m?以上，因此拌合物的黏性较大，不利于施工。解决这个问题，有以下两个途径：
1）掺入优质矿物掺合料。粉煤灰中含有大量的玻璃体，表面光滑，在混凝土中起到滚珠作用，同时粉煤灰还能有效地分散水泥颗粒，释放更多的浆体来润滑骨料，大大提高混凝土的工作性能。矿粉在混凝土中前期不直接参与水化，能够降低混凝土中胶凝材料的标准稠度用水量，在保持相同用水量的情况下可增加流动性，改善混凝土的工作性能。
2）使用高性能减水剂。高性能减水剂具有高减水率（一般大于25%），使用时能够较好地控制水泥的早期水化，减少塌落度损失，且具有一定的引气性能，微小的气泡能在混凝土内部产生润滑作用，更好地提高和保持混凝土的工作性能。
（3）基于上述分析，为保证混凝土的抗腐蚀性及高工作性能的要求，以掺入优质矿物掺合料和高性能减水剂为主要技术要求进行配合比设计。
2 实拌混凝土性能分析验证
2.1 原材料
水泥（C）采用福建龙鳞水泥有份有限公司生产的P.O52.5级水泥。细集料（S）采用江西赣江河砂、Ⅱ区中砂、细度模数2.78。粗集料（G）采用永定鑫东安碎石场生产的5 mm～20 mm碎石、石灰岩、级配良好、压碎值为12.3%。减水剂（SP）采用厦门兴纳科技有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂、缓凝型、减水率为26.8%。粉煤灰（F）采用福建省龙岩南山盂水泥有限公司生产的F类I级粉煤灰。矿粉（K）采用三明市璟晟工贸有限公司生产的S95级矿粉。拌和用水（W）采用龙岩市自来水。
2.2 混凝土配合比设计
根据JGJ/55-2011进行配合比设计，设计塌落度为180 mm～220 mm。首先确定不掺矿粉掺合料的基准配合比，其余配合比在基准配合比的基础上分别加10%、20%、30%、40%的粉煤灰或矿粉及15%粉煤灰+15%矿粉等量取代水泥用量，混凝土配合比见表1。
2.3 试验项目及方法
根据抗硫酸盐侵蚀和高工作性能，混凝土试验项目和方法如下：
1）抗硫酸盐侵蚀检测。本文使用广州大学和暨南大学研究发表的《混凝土抗硫酸盐试验的一种新方法》中的试验方法，采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方体试块，浸泡于5%Na2SO4溶液和5%（NH4）2SO4溶液，测定强度损失率和体积膨胀率[3]。
2）工作性能检测。混凝土工作性能主要体现于和易性及流动性，用塌落度试验进行定量表示。
2.4 试验结果
2.5 试验结果分析
1）从表1可以看出，高性能减水剂和矿物掺合料能有效改善了混凝土的和易性和流动性。
2）从图1和图2可以看出，在粉煤灰及矿粉的掺入量为10%混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能有所提升但不明显;当掺入量达到30%时，抗硫酸盐侵蚀性能提升不明显甚至有所下降。因此可以得出单掺粉煤灰或矿粉在20%～30%之间达到混凝土抗硫酸盐侵蚀性能达到最佳。而双掺15%粉煤灰和15%矿粉混凝土在强度、抗硫酸盐侵蚀性能和工作性能方面均优于单掺[4]。
3）本次C50水泥混凝土配合比设计优先选定双掺15%的粉煤灰和15%矿粉，即水泥：水：粗集料：细集料：粉煤灰：矿粉：减水剂=339：160：1 100：675：73：73：4.85=1：0.48：3.24：1.99：0.22：0.22：0.014。
3 结语
（1）试验表明，掺入尤其是双掺优质的矿物掺合料能有效提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，但不能过掺;通过使用高性能减水剂和矿物掺合料配制高等级的高工作性能混凝土是一种行之有效的方法。
（2）本文从配合比设计出发，提升混凝土工作性能和抗硫酸盐侵蚀性能，希望所得经验能为同行提供参考。
参考文献：
[1]孙立勤.酸性矿井水的危害及防治[J].煤炭技术，2007，26（12）：53-54.
[2]戴文波，蒋世琼.混凝土抗硫酸盐侵蚀的研究[J].现代企业文化，2010，3（15）：122.
[3]廖原，欧阳东.混凝土抗硫酸盐试验的一种新方法[J].广东建材，2003，19（09）：14-16.
[4]王杰，付翔，常伟良.矿物掺合料在抗硫酸盐侵蚀混凝土配合比中的试验研究[J].居舍，2019，39（18）：33-34.