劉軍，孫希剛，郭向陽(yáng)

（山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

聚羧酸高性能減水劑和大摻量礦物摻合料在海工混凝土中的應(yīng)用

劉軍，孫希剛，郭向陽(yáng)

（山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

本文針對(duì)海工混凝土所處侵蝕環(huán)境，應(yīng)用聚羧酸減高性能減水劑、引氣劑和大摻量礦物摻合料配制高耐久性混凝土。通過(guò)抗凍性性能、水化熱和孔結(jié)構(gòu)分析了聚羧酸減水劑、引氣劑和大摻量礦物摻合料在提高混凝土耐久性方面的作用機(jī)理，結(jié)果表明聚羧酸減水劑、引氣劑和礦物摻合料的使用改善了混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的密實(shí)度，降低了混凝土水化熱，提高了混凝土的耐久性能。

聚羧酸減水劑；高耐久性；凍融循環(huán)；電通量；水化熱；孔結(jié)構(gòu)

0 前言

據(jù)調(diào)查，發(fā)達(dá)國(guó)家從 50 年代開(kāi)始大規(guī)模海工混凝土結(jié)構(gòu)物建設(shè)，到 70 年代末逐漸意識(shí)到海工混凝土過(guò)早遭到破壞的嚴(yán)重性，目前維修的費(fèi)用占到 50%，從而越來(lái)越重視海工混凝土的耐久性問(wèn)題。我國(guó)近幾年開(kāi)始了大規(guī)模的海工建設(shè)，參照發(fā)達(dá)國(guó)家的歷史教訓(xùn)，可以預(yù)計(jì)在不久將來(lái)也將出現(xiàn)大規(guī)模的維修高潮，因此研究海工混凝土抗腐蝕問(wèn)題迫在眉睫。

青榮城際鐵路煙臺(tái)段沿海建設(shè)，沿線海水中主要離子含量大約為：Cl-18000mg/L，Na+10000mg/L，SO42-2500mg/L，Mg2+1200mg/L。混凝土結(jié)構(gòu)處于碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、凍融破壞環(huán)境和干濕交替環(huán)境，因此依據(jù)提高海工混凝土耐久性能的原則，應(yīng)用聚羧酸高性能減水劑、引氣劑和大摻量礦物摻合料配制高性能混凝土對(duì)于結(jié)構(gòu)耐久性具有重要意義。

本文在配制高性能混凝土的同時(shí)，對(duì)混凝土耐久性方面進(jìn)行機(jī)理分析，結(jié)果表明聚羧酸減水劑、引氣劑和大摻量礦物摻合料的使用，提高了混凝土的密實(shí)程度，改善了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗凍融能力，降低了混凝土的水化熱，提高了混凝土的抗?jié)B性能。

1 試驗(yàn)用原材料、測(cè)試方法

1.1 原材料

水泥：山水水泥 P·O42.5 水泥：C3A 含量 6.5%，堿含量0.06%。

粉煤灰：日照華能電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰：燒失量3.6%，需水量比95%。

礦粉：山東魯新礦粉：燒失量0.85%， 28d活性指數(shù)115%。

砂：青島大沽河產(chǎn)中砂，細(xì)度模數(shù) 2.80，含泥量 1.2%。

石子：山東沂水產(chǎn)石灰?guī)r碎石，5～10mm、10～20mm級(jí)配復(fù)合，最小空隙率 38%。

外加劑：山東省建筑科學(xué)研究院生產(chǎn) NC-J 聚羧酸減水劑，減水率 30%；Cl-含量 0.01%，堿含量 0.18%；NC-Q 引氣劑，減水率 7%，含氣量 5%。

1.2 測(cè)試方法

力學(xué)性能依照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。坍落度、凝結(jié)時(shí)間、常壓泌水率、含氣量依照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。抗凍性能、電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)依照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。水化熱依照 GB/T 12959—2008《水泥水化熱測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 混凝土配合比與性能

2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)橋梁承臺(tái)墩身所處水位變動(dòng)區(qū)及浪賤區(qū)的化學(xué)侵蝕和凍融破壞環(huán)境 Ⅲ-E，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C40；箱梁所處重度鹽霧區(qū) Ⅲ-D，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí) C50。設(shè)計(jì)混凝土配合比在滿足強(qiáng)度的同時(shí)，要求混凝土 84 天電通量＜1000C，Cl-擴(kuò)散系數(shù)＜1.5×10-12m2/s，水中凍融破壞環(huán)境下混凝土抗凍等級(jí)≥F300?；炷羺⒖寂浔纫?jiàn)表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2.2 混凝土性能

性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2 可知，混凝土流動(dòng)性、粘聚性好，無(wú)泌水離析現(xiàn)象，混凝土工作性好。

3 結(jié)果與討論

3.1 混凝土性能分析

海工混凝土配合比要求根據(jù)結(jié)構(gòu)、環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)，水下樁控制重點(diǎn)為良好的工作性；浪賤區(qū)的承臺(tái)、墩身控制重點(diǎn)是降低水化溫升、減小收縮、防止開(kāi)裂，在強(qiáng)度和滲透性滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量減少膠凝材料及水泥用量、增加摻合料用量；預(yù)應(yīng)力箱梁重點(diǎn)是減小混凝土的收縮、徐變，提高抗裂性能，為此應(yīng)減少膠凝材料及用水量、選擇合適的膠材復(fù)配比例、增加集料用量以提高體積穩(wěn)定性。

從表2 混凝土性能看出，所設(shè)計(jì)混凝土工作性能良好，含氣量、抗壓強(qiáng)度和滲透性滿足設(shè)計(jì)要求，抗裂性能良好。

3.2 抗凍性能試驗(yàn)分析

依照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》快凍法測(cè)試混凝土試件的抗凍性能?；炷量箖鋈谘h(huán)結(jié)果見(jiàn)圖 1、圖 2。

圖 1 C40 混凝土 300 次凍融循環(huán)關(guān)系

圖 2 C50 混凝土 300 次凍融循環(huán)關(guān)系

從圖 1 看出，所制備的 C40 混凝土經(jīng) 300 次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失率為 3.4%，相對(duì)動(dòng)彈性模量 85%；圖 2 顯示所制備的 C50 混凝土經(jīng) 300 次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量損失率為2.3%，相對(duì)動(dòng)彈性模量 88%。結(jié)果表明所配制的混凝土滿足構(gòu)件所處環(huán)境的抗凍融要求。

3.3 水化熱

海工混凝土單個(gè)構(gòu)件（包括墩、承臺(tái)以及梁體）體積大，屬于大體積混凝土，降低混凝土內(nèi)部溫升可以降低混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力，降低混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的可能。應(yīng)用大摻量礦物摻合料可以降低水泥水化熱，從而降低混凝土內(nèi)部溫升。從表3 中不同膠凝材料水化熱試驗(yàn)可以看出，摻加 50%的摻合料能大幅度降低膠凝材料的水化熱，降低幅度在 50%以上；粉煤灰占比增加更能降低膠凝材料的水化熱。

表2 混凝土性能

表3 水化熱試驗(yàn)

3.4 孔結(jié)構(gòu)

表4 硬化混凝土試樣氣泡參數(shù)

從表4 看出，隨著混凝土含氣量的增加，氣泡的平均弦長(zhǎng)降低，引入了大量弦長(zhǎng)在 100μm 以下的微小氣泡，硬化混凝土的比表面積和氣泡頻數(shù)呈增大趨勢(shì)，氣泡間距系數(shù)和氣泡弦長(zhǎng)平均呈遞減趨勢(shì)。微小氣泡的引入，宏觀上表現(xiàn)為混凝土的抗凍性能、抗侵蝕能力的提高。

4 結(jié)論

試驗(yàn)表明，聚羧酸高性能減水劑、引氣劑和大摻量礦物摻合料的使用，配制的混凝土（1）和易性和施工性能良好；（2）力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求；（3）抗 Cl-滲透性能大幅提高；（4）水化熱降低明顯，改善混凝土抗裂性能；（5）氣泡結(jié)構(gòu)大大改善。對(duì)該工程每個(gè)部位混凝土構(gòu)件的檢測(cè)結(jié)果顯示，混凝土構(gòu)筑物的耐久性指標(biāo)遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，加快了施工進(jìn)度，縮短了工期，降低了工程造價(jià)。

[1] 鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定（送審稿）．

[2] CCES 01—2001．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南[S]．

[3] 李樹(shù)德．京滬高速鐵路研究歷程和主要工程概況[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(S1): 1-5．

[4] 薛吉崗．客運(yùn)專(zhuān)線鐵路混凝土的耐久性指標(biāo)及施工質(zhì)量控制措施[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2006(8): 89-91+103．

[5] 楊晶杰，孫兆雄，葛毅雄，等．引氣混凝土的抗凍性和氣泡結(jié)構(gòu)的關(guān)系研究[J]．土工基礎(chǔ)，2005, 19(2): 76-78．

［通訊地址］山東省濟(jì)南市無(wú)影山路 29 號(hào) 山東省建筑科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)樓 201 室（250031）

劉軍（1986—），男，山東省建筑科學(xué)研究院工程師，主要從事混凝土外加劑的研究與應(yīng)用以及混凝土耐久性研究。