浅析海工耐久性混凝土的试验研究

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　　摘 要：目前，随着我国经济的迅速发展，基础建设工程日益增多，跨海工程的发展十分迅速。而沿海的混凝土工程由于长期受氯离子侵蚀，混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重。文章主要从高性能海工混凝土的基本要求出发，在原材料的优选试验中，以坍落度评价混凝土的工作性，以抗压强度等评价混凝土的物理力学性能，以混凝土的氯离子扩散系数试验结果和抗裂性能评价混凝土的耐久性。
　　关键词：高性能混凝土 抗氯离子渗透 配合比性能
　　引言：为保证沿海大桥混凝土结构的耐久性和使用寿命，本工程采取以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性技术方案。高性能混凝土的设计、生产、施工技术在工程中的应用方面尚为探索阶段，因此结合本工程的具体需要，对沿海大桥混凝土结构耐久性试验与研究。本文主要通过平板抗裂试验及RCM 法的试验研究，针对海工耐久混凝土的早期抗裂性与抗氯离子渗透的能力进行分析。
　　1海工耐久混凝土的特点
　　海工耐久混凝土的特点就是在腐蚀环境中具有高耐久性、高尺寸稳定性和良好的工作性。海工耐久混凝土是根据特殊的地理环境，防腐需要和设计寿命所决定的。这里所指的结构寿命即结构建造完成后，在预定的使用维护和维修条件下尽可能满足原有的安全性、适用性要求的期限，而混凝土的耐久性直接关系到结构的使用寿命。
　　2 配合比的设计原则
　　2.1
　　高性能耐久混凝土设计包括混凝土原材料的选用和配比的优化设计原则，除满足强度等级、水胶比、水泥用量、含气量、工作度等普通混凝土的要求外还应满足混凝土抗氯离子扩散系数和混凝土的抗裂性能要求，为提高混凝土结构的耐久性应遵循的原则：
　　1、 选用质量稳定，并有利于改善混凝土抗裂性能水泥和集料等原材料。
　　2、 在混凝土组成中掺入矿物掺合料。
　　3、 适当降低混凝土水胶比，在混凝土中添加引气剂。
　　4、 施工时保证新拌混凝土能及时养护并有较长的养护时间。
　　5、 粘度大、不容易泌水、养护要求高，配合比设计要求高，稍有不慎容易出现裂纹。因此在配合比试配阶段，除满足氯离子扩散系数要求外，还应进行抗裂性能对比试验，并从中优选抗裂性能良好的原材料和配合比，对预应力混凝土配合比设计还应进行弹模试验。
　　3试验方案和主要试验方法
　　3.1 原材料的选择
　　水泥：水泥厂产华润牌P•Ⅱ42. 5水泥。其比表面积为 380 m2/ kg ，铝酸三钙(C3A)含量为8.0 %，Cl-含量为0.002 % ，初凝时间为1h50 min，终凝时间为2h40 min，3d抗折强度为5.6 Mpa，28d抗折强度为7.5Mpa，3d抗压强度为29.0Mpa，28d抗压强度为51.2Mpa，安定性合格。粉煤灰:深圳妈湾电厂产Ⅰ级粉煤灰和沙角电厂产Ⅱ级粉煤灰，其性能指标见表1。矿渣粉：韶钢嘉羊厂产S95矿渣粉，韶钢嘉羊厂生产的S105矿渣粉，其性能指标见表2。
　　表1 粉煤灰性能（%）
　　产地 细度 需水量比 烧失量 含水量 SO3
　　① 0.70 90 1.50 0.10 0.45
　　② 16.0 95 2.60 0.02 0.25
　　注: ①深圳妈湾电厂； ②沙角电厂。
　　表2矿渣性能
　　产地 比表面积
　　m2•kg - 1 流动度比
　　% 密度
　　g•cm-3 含水量
　　% 烧失量% SO3
　　% 活性指数/ %
　　 7d 28d
　　① 510 115 2.92 0.02 0.38 0.06 80 106
　　② 440 112 2.90 0.02 1.06 0.06 76 96
　　注：①韶钢嘉羊矿渣粉厂生产的S105矿渣粉；②韶钢嘉羊矿渣粉厂产S95矿渣粉。
　　细骨料：广东省西江中砂，细度模数为2.6～2.9，表观密度2.58g/ cm3。
　　粗骨料：惠州金业石场产5～25mm碎石，表观密度2.60g/cm3，压碎指标 9.5 %。
　　外加剂：上海华登建材有限公司生产的HP400聚羧酸高性能减水剂。
　　拌合水：洁净的自来水。
　　3.2 混凝土配合比试验
　　根据原材料情况和实际经验，按耐久性理念设计了27组混凝土配合比，经试配，得到6 个配合比，见表3。其中SHp1为不掺粉煤灰和矿渣粉的普通基准混凝土，其余为掺10 %～15 %粉煤灰和23 %～30 %矿渣粉的海工耐久混凝土。
　　表3混凝土配合比设计参数
　　试验编号 设计参数 混凝土材料用量/kg•m-3
　　 水胶比 砂率 粉煤灰掺量/% 矿渣粉掺量/% 外加剂掺量/% 水泥 粉煤灰 矿渣粉 砂 石 水 外加剂
　　POO1 0.35 0.40 0 0 0.75 480 0 0 700 1059 170 3.60
　　POO2 0.30 0.39 15 25 0.50 289 72 120 692 1083 145 2.40
　　POO5 0.30 0.39 17 23 0.50 290 80 110 696 1091 143 2.40
　　PO16 0.32 0.41 10 32 0.55 278 48 154 730 1050 150 2.64
　　PO17 0.32 0.41 10 32 0.55 278 48 154 730 1050 150 2.64
　　PO18 0.32 0.41 10 32 0.55 278 48 154 730 1050 150 2.64
　　注：POO2、POO5、PO16、PO17 使用韶钢嘉羊S95矿渣粉，PO18 韶钢嘉羊S105矿渣粉；POO2、POO5、PO16 使用深圳妈湾电厂产Ⅰ级粉煤灰，PO17、PO18 使用沙角电厂产的Ⅱ级粉煤灰；外加剂品种均为上海华登建材有限公司生产的HP400聚羧酸高性能减水剂。
　　3.3 混凝土的性能
　　3.3.1 混凝土拌合物性能
　　 根据施工特点，要求混凝土出机时坍落度为180～200mm，出机1h坍落度损失小10mm。
　　 混凝土拌合物性能试验参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080― 2002)进行。表4是新拌混凝土的试验结果。从中可看出，所有配合比的混凝土出机坍落度均满足施工要求，POO2、POO5及PO17在出机1.0h内坍落度保持较好，满足泵送混凝土的要求；从 PO16、 PO17、PO18 的试验数据看出，不同级别的粉煤灰和矿渣粉对混凝土的经时坍落度有影响；用粉煤灰和矿渣粉取代部分水泥和细骨料拌制的海工耐久混凝土初期压力泌水较慢，其初期相对压力泌水率为25%～32%，比不掺粉煤灰和矿渣粉的普通混凝土小，改善了混凝土拌合物的和易性，提高了混凝土的可泵性。经试泵，配制的海工耐久混凝土可泵性能良好。掺粉煤灰和矿渣粉的海工耐久混凝土初凝时间为8～12h，比普通混凝土略长，且均超过8h。
　　表4 混凝土拌合物和易性
　　试验编号 试拌时室温/ ℃ 初凝时间/ h 含气量/ % 坍落度/ mm 压力泌水
　　 出机 1h后 10s时的泌水量
　　V10/ml 泌水总量
　　V140/ml 10 s相对泌水率
　　S10/%
　　P001 25.0 8.5 2.0 180 170 25 68 32
　　P002 25.0 12．5 3.0 210 205 6 18 33
　　P005 25.0 12.0 3.2 200 195 5 22 23
　　P016 25.0 13.0 3.5 215 210 7 24 29

　　P017 25.0 13.5 3.8 210 200 8 25 32
　　P018 25.0 13.0 3.5 205 190 8 25 32
　　3.3.2 混凝土力学性能
　　混凝土的力学性能试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081―2002）进行，主要试验结果见表5及图1。从中可看出，掺粉煤灰和磨细矿渣粉的海工耐久混凝土的早期抗压强度(3d)较普通混凝土低，但所有混凝土的后期力学性能均达到 C60的设计要求。这是由于粉煤灰和磨细矿渣粉在早期不参与水化反应，而在早期水化反应较快的水泥用量又较普通混凝土少。由此可见，用粉煤灰和矿渣粉取代部分水泥和细骨料配制海工耐久混凝土是可行的。
　　表5 混凝土力学性能
　　试验编号 立方体抗压强度/MPa 轴心抗压强度/ MPa 静力受压弹
　　性模量/ GPa 劈裂抗拉
　　强度/ MPa
　　 7d 28d 28d 28d 28d
　　P001 62.0 65.2 50.5 44.0 5.30
　　P002 52.0 68.3 51.0 45.5 4.60
　　P005 54.5 69.0 52.2 47.3 5.00
　　P016 48.4 70.3 50.0 44.2 5.20
　　P017 49.8 69.2 52.6 45.0 5.45
　　P018 60.1 72.8 55.6 46.2 5.60
　　
　　3.3.3 混凝土早期抗裂性能
　　为了评价混凝土拌合物在初期凝结硬化过程中收缩开裂的性能，采用平板试件进行混凝土早期抗裂性测试。对6组配合比的混凝土试件进行的抗裂性对比试验结果见表6。从中可看出，用P002、P005、P016、P017配合比拌制的混凝土早期抗裂性能好，在相应的环境条件下从浇注起直至24h未开裂，早期抗裂评定等级为Ⅰ级。还可看出，矿渣的比表面积越大，拌制的混凝土越易开裂。
　　表6 混凝土早期抗裂性能的对比试验结果
　　配合比编号 裂缝最 评定
　　等级
　　 温度
　　℃ 湿度
　　% 大宽度
　　mm 抗裂性能指标
　　 a/mm2 b/根• m-2 c/mm2•m-2
　　P001 25.0 60 0.20 59.50 7.6 452.2 Ⅳ
　　P002 25.0 60 0 0 0 0 Ⅰ
　　P005 25.0 60 0 0 0 0 Ⅰ
　　PO16 25.0 60 0 0 0 0 Ⅰ
　　PO17 25.0 60 0 0 0 0 Ⅰ
　　PO18 25.0 60 0.15 47.0 6.6 310.2 Ⅳ
　　注：1.a为平均开裂面积，b为单位面积开裂裂缝数目，c为单位面积的总开裂面积；2.a、 b、c为0 表示试件在相应的环境条件下未开裂。
　　3.3.4 混凝土耐久性能
　　本项目采用RCM 法检测混凝土Cl-扩散系数，试验结果见表7。从中看出，不掺粉煤灰和矿渣粉的普通混凝土（POO1）Cl-扩散系数较大，84d龄期时为2.00×10-12m2/ s；而掺了粉煤灰和矿渣粉的海工耐久混凝土Cl-扩散系数很小，28 d 龄期时为（1.11～1.42）×10- 12m2/s，84d龄期时为（0. 68～0. 77）×10-12m2/ s，仅为前者的1/ 3。表明掺粉煤灰和矿渣粉的海工耐久混凝土具备优越的抗氯离子侵蚀能力。另外，Cl-扩散系数随混凝土龄期的延长而减小。
　　表7 Cl-扩散系数试验试验结果
　　配合比编号 Cl-扩散系数/ 10-12m2/ s
　　 28d 56d 84d
　　P001 3.30 2.55 2.00
　　P002 1.04 0.99 0.68
　　P005 1.02 0.98 0.65
　　P016 0.99 0.82 ―
　　P017 1.11 ― ―
　　P018 1.42 ― ―
　　3.3.5海工混凝土的养护
　　对高性能耐久性混凝土施工时应尽量减少暴露工作面和暴露时间，浇注完后应立即进入养护程序，养护分保温或保湿两个阶段或两种方法。1、养护材料应用粗麻布织物、工程织物、液体膜形成的剂或者绵制垫层材料，最好使用土工布；2、洒水养护宜用自动喷水系统和喷雾器，湿养护应不间断，不得形成于干湿循环，同时应根据气温情况，采用适当的时间间隔，在养护区内保持表面潮湿，养护时间不低于7天，对预应力构件养护时间应到预应力张拉为止。
　　4 结束语
　　通过分析，影响我国现阶段跨海大桥结构混凝土耐久性的首要因素是混凝土的Cl-渗透速度。针对这一具体情况，并考虑各地的实际情况，如原材料的可靠性、工艺设备的可行性等，以及经济上的合理性，跨海大桥工程采取以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性策略和方案。通过符合现阶段工程实际情况和技术水平的施工措施和质量保证措施，确保了高性能混凝土的质量符合耐久性设计的要求。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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