田 焜 陶瑞鵬 王月蘭 柯 曉 朱見勝

(1.湖北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，湖北 武漢 430061； 2.武穴市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖北 武穴 435400)

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·建筑材料及應(yīng)用·

低溫升高抗?jié)BC30海工大體積混凝土的研究

田 焜1陶瑞鵬1王月蘭1柯 曉1朱見勝2

(1.湖北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，湖北 武漢 430061； 2.武穴市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖北 武穴 435400)

針對(duì)海工大體積混凝土中膠凝材料用量高、水化反應(yīng)放熱多、使用壽命短等問題，在該混凝土中摻入了水泥分散增強(qiáng)劑與疏水化合孔栓物，降低了混凝土的水泥和膠凝材料用量，提高了混凝土的耐久性，制備出了低溫升高抗?jié)BC30海工大體積混凝土。

海工大體積混凝土，水泥分散增強(qiáng)劑，疏水化合孔栓物

0 引言

1 C30低溫升海工大體積混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

1)水泥：華新P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度(0.08 mm方孔篩的篩余)2.7%，技術(shù)性能指標(biāo)見表1；

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

2)粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰，燒失量為5.7%，需水量比為98%，細(xì)度為9.7%(0.045 mm篩余)；

3)礦粉：S95級(jí)礦粉，比表面積450 m2/kg，流動(dòng)度比為99%，7 d活性指數(shù)為88.7%，28 d活性指數(shù)為100%；

4)細(xì)集料：天然砂(S)，細(xì)度模數(shù)2.83，含泥量0.4%；

5)粗集料：碎石(G)，5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎值8.9%；

6)減水劑：上海產(chǎn)高效聚羧酸減水劑，減水率27%；

7)水泥分散增強(qiáng)劑：江蘇產(chǎn)高效水泥分散增強(qiáng)劑；

8)疏水化合孔栓物：江蘇產(chǎn)混凝土疏水化合孔栓物；

9)水：自來水。

1.2 密實(shí)骨架堆積設(shè)計(jì)混凝土配合比

密實(shí)骨架堆積法是通過尋找混凝土中各原材料的最大堆積密度來尋找最小孔隙率，并利用曲線擬合得出原材料間的最佳比例[7]。由材料的堆積理論得知，利用密度小的材料填充密度大的材料，其曲線會(huì)出現(xiàn)具有一個(gè)峰值的二次函數(shù)形式圖。混凝土中粉煤灰的密度比混凝土中的細(xì)骨料密度小很多，現(xiàn)通過粉煤灰填充細(xì)骨料的空隙，得出致密系數(shù)α，再以α比例的細(xì)骨料(包含粉煤灰)填充粗骨料，得到最大堆積因子β，由此得出最大單位重量Uw和最小空隙率Vv，利用富余漿體理論，確定水泥漿體的放大倍數(shù)，得出所需的潤(rùn)滑和填充水泥漿量,從而確定混凝土的初步基準(zhǔn)配合比,見表2。

表2 混凝土基準(zhǔn)配合比及力學(xué)性能

表2表明，混凝土基準(zhǔn)配合比的坍落度和抗壓性能均滿足了設(shè)計(jì)要求，而抗壓強(qiáng)度較大，配合比中水泥的用量過高，從而會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，使混凝土的絕熱溫升提高，易使其產(chǎn)生開裂。利用礦粉等量取代部分水泥后，其自身的微集料效應(yīng)和二次水化作用，能顯著提高混凝土的結(jié)構(gòu)致密性，從而延長(zhǎng)混凝土的使用壽命；并且礦粉的二次水化反應(yīng)，放熱量較小，可大幅降低混凝土的絕熱溫升，減小混凝土的溫度應(yīng)力，提升海工混凝土的抗開裂能力。因此摻入礦粉替代部分水泥進(jìn)行混凝土配合比優(yōu)化。

1.3 C30海工大體積混凝土膠凝材料體系優(yōu)化

采用礦粉等量取代部分水泥，對(duì)混凝土膠凝材料用量進(jìn)行優(yōu)化，得到C30海工大體積混凝土配合比，見表3。

表3 海工大體積混凝土配合比

由表3結(jié)果可知，礦粉取代部分水泥后，混凝土的強(qiáng)度略有降低，但能達(dá)到C30大體積混凝土的要求。根據(jù)GB 50496—2009大體積混凝土施工規(guī)范中絕熱溫升計(jì)算方法，計(jì)算絕熱溫升得31.4 ℃，符合GB 50496—2009大體積混凝土施工規(guī)范中“混凝土實(shí)際溫升不超過50 ℃”的規(guī)定。

2 水泥分散增強(qiáng)劑與疏水化合孔栓物優(yōu)化C30海工大體積混凝土

海工大體積混凝土一般應(yīng)用在國(guó)家重點(diǎn)大型工程中，工程設(shè)計(jì)使用壽命長(zhǎng)，因此海工大體積混凝土需要有優(yōu)良的耐久性能。而大體積混凝土尺寸較大，由于膠凝材料水化放出大量的熱，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力大于同齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土將出現(xiàn)開裂。相關(guān)研究表明，混凝土中有10%～20%的水泥在水泥拌合中不能充分分散，無法發(fā)生水化反應(yīng)，僅僅起到填充作用[8]。為避免大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，最直接最經(jīng)濟(jì)的措施是在確保強(qiáng)度的前提下降低水泥及其他膠凝材料的用量。

2.1 水泥分散增強(qiáng)劑對(duì)混凝土性能的影響

在保證水膠比與砂率不變的基礎(chǔ)上，對(duì)混凝土配比減少10 kg/m3水泥和10 kg/m3粉煤灰，同時(shí)通過引入一定量的水泥分散增強(qiáng)劑，使其充分分散水泥顆粒，促進(jìn)水泥水化和提高其顆粒之間的膠結(jié)作用，以提高混凝土抗壓強(qiáng)度[9]。在表2配合比的基礎(chǔ)上摻入占膠材重量0.4%，0.6%和0.8%的水泥分散增強(qiáng)劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 C30海工大體積混凝土配合比及性能

由表4可知，隨著水泥分散增強(qiáng)劑摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度出現(xiàn)了先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)水泥分散增強(qiáng)劑摻量為0.6%時(shí)，混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)最大值，高于未降低水泥及膠材用量前的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)水泥分散增強(qiáng)組分摻量超過0.6%時(shí)，混凝土強(qiáng)度均出現(xiàn)下降。因此，確定水泥分散增強(qiáng)劑的最佳摻量為0.6%。

2.2 疏水化合孔栓物對(duì)混凝土性能的影響

利用密實(shí)骨架堆積原理設(shè)計(jì)的混凝土水泥及膠凝材料用量較少，雖添加了礦物摻合料，降低了用水量，在一定程度上能夠改善混凝土界面結(jié)構(gòu)，但膠凝材料及水泥的用量較少，水泥漿體對(duì)骨料的包裹性不佳，使其內(nèi)部孔隙增多，抗?jié)B性能降低，因此需對(duì)海工大體積混凝土的耐久性進(jìn)行提升設(shè)計(jì)，以滿足其惡劣的服役環(huán)境。疏水化合孔栓物是一種可阻止侵蝕離子在混凝土內(nèi)部傳輸?shù)男滦凸δ苄吞砑硬牧?，添加到混凝土?nèi)后，與混凝土孔溶液中Ca2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，析出不溶于水的絡(luò)合物，吸附在孔隙內(nèi)，形成“塞子”堵塞毛細(xì)孔，阻止侵蝕離子的進(jìn)入，優(yōu)化混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增大混凝土的致密性，提高混凝土的耐久性能?，F(xiàn)摻入不同重量的疏水化合孔栓物，配合比見表5。

表5 C30海工大體積混凝土耐久性能配合比 kg/m3

2.2.1 對(duì)混凝土力學(xué)性能和滲透性能的影響

表6為不同摻量疏水化合孔栓物的C30海工混凝土的工作性能、力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果。

表6 C30海工大體積混凝土試驗(yàn)結(jié)果

由表6可以得出，隨著疏水化合孔栓物摻量的增加，混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B能力不斷提高，但工作性能略有降低。未摻疏水化合孔栓物時(shí)，C30混凝土的抗?jié)B等級(jí)為P18，28 d Cl-擴(kuò)散系數(shù)為6.0×10-12m2/s；摻入了15 kg/m3疏水化合孔栓物后，混凝土的抗?jié)B等級(jí)達(dá)到了P24，28 d Cl-擴(kuò)散系數(shù)降低至4.3×10-12m2/s。由此可見，摻入疏水化合孔栓物后，混凝土的抗?jié)B能力得到了顯著提高。

2.2.2 對(duì)混凝土碳化性能的影響

表7為不摻合摻入15 kg/m3疏水化合孔栓物的C30海工大體積混凝土的碳化深度。

表7 C30海工大體積混凝土的碳化深度 mm

由表7試驗(yàn)結(jié)果可知，未摻加疏水化合孔栓物的混凝土28 d碳化深度為6.7 mm；摻有疏水化合孔栓物的混凝士抗碳化性有了顯著的提高，3 d碳化深度僅有2.5 mm，7 d僅有3.3 mm，28 d為3.5 mm，并且隨著齡期的增加，碳化深度幾乎不增加。分析可知，摻入的疏水化合孔栓物堵塞了毛細(xì)孔，降低了混凝土內(nèi)部的孔隙率，阻止了水和其他離子的擴(kuò)散。

2.2.3 對(duì)抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)

表8為不摻合摻入15 kg/m3疏水化合孔栓物的C30海工大體積混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)結(jié)果。

表8 C30海工大體積混凝土的碳化深度抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

由表8的試驗(yàn)結(jié)果可知，利用密實(shí)骨架堆積原理設(shè)計(jì)出的C30大體積混凝土本身就具有優(yōu)良的抗硫酸鹽侵蝕性能，摻有疏水化合孔栓物之后，抗硫酸鹽侵蝕性能更佳，150次干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度由原來的42.4 MPa變?yōu)?8.9 MPa，強(qiáng)度僅降低7.8%，抗蝕等級(jí)優(yōu)異。分析認(rèn)為，密實(shí)骨架堆積法降低了混凝土的孔隙率，同時(shí)疏水化合孔栓物堵塞了毛細(xì)孔，阻止了水和其他離子向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散，從而抑制侵蝕。

3 結(jié)語

1)隨著水泥分散增強(qiáng)劑摻量的增加，C30海工大體積混凝土的力學(xué)性能先增加后減小，當(dāng)水泥分散增強(qiáng)劑摻量為膠凝材料重量的0.6%，同時(shí)取代10 kg/m3水泥和10 kg/m3粉煤灰的情況下，混凝土強(qiáng)度與未減少膠材之前基本無變化，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到39.8 MPa。

2)疏水化合孔栓物可提高混凝土耐久性能，當(dāng)摻入15 kg/m3的疏水化合孔栓物后，C30混凝土的抗?jié)B等級(jí)達(dá)到了P24，28 d Cl-擴(kuò)散系數(shù)降低至4.3×10-12m2/s；28 d碳化深度降低至3.5 mm；150次干濕循環(huán)后抗壓強(qiáng)度由原來的42.4 MPa變?yōu)?8.9 MPa，強(qiáng)度僅降低7.8%，抗硫酸鹽侵蝕性能大大提高。

3)通過對(duì)C30混凝土膠凝材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)復(fù)摻水泥分散增強(qiáng)劑和疏水化合孔栓物，配制出低溫升高抗?jié)BC30海工大體積混凝土，可應(yīng)用在環(huán)境復(fù)雜的海工工程中。

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Research on low hydration heat flow anti-permeation C30 marine engineering mass concrete

Tian Kun1Tao Ruipeng1Wang Yuelan1Ke Xiao1Zhu Jiansheng2

(1.Hubei Provincial Supervision and Inspection Research Institute for Products Quality, Wuhan 430061， China；2.Wuxue Product Quality Inspection and Supervise Service， Wuxue 435400, China)

According to the high amount of cementing materials, much exothermic of hydration reaction, short service life and other problems in marine mass concrete, mixed cement dispersion strengthening agent and hydrophobic compound suppository in the concrete, reduced the cement and cementing materials amount of concrete, improved the durability of concrete, prepared the low temperature elevated anti-permeability C30 marine mass concrete.

marine mass concrete, cement dispersion strengthening agent, hydrophobic compound suppository

1009-6825(2017)08-0113-03

2017-01-06

田 焜(1983- )，男，博士，高級(jí)工程師； 陶瑞鵬(1989- )，男，碩士

TU528

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