低溫早強耐久高性能混凝土研究

陳錦華(蘭州交大工程咨詢有限責任公司，甘肅 蘭州730070)

低溫早強耐久高性能混凝土的研究和應用，對解決低溫條件對混凝土的冰凍損害和解決高原地區混凝土的防腐蝕是一種行之有效的方法。一是研究采取摻加高效減水、早強、防凍、防腐蝕復合外加劑的技術措施，使混凝土（負溫混凝土）既可以在正溫條件下凝結硬化，又可以在負溫條件下凝結硬化，同時具有良好的抗腐蝕能力，且在負溫下表現出其特殊的凝結硬化功能：①負溫下不會遭受凍害、強度持續增長；②在規定的齡期內達到混凝土相應的設計強度等級，為下一步工程施工打下基礎。二是通過優化混凝土設計，使混凝土具有良好的工作性能。三是通過對低溫早強耐久高性能混凝土在負溫條件下混凝土強度的發展規律的研究，為養護方案的確定提供依據。四是通過混凝土耐久性的試驗研究，確定保證和提高混凝土耐久性的技術措施，使混凝土結構物在高原嚴寒干燥多風惡劣條件下仍具有良好的工作性能。

研究低溫早強耐久高性能混凝土在不同負溫條件下混凝土強度的發展規律：根據工程施工期間氣溫變化情況，研究混凝土在10℃、0℃、-10℃、-20℃強度發展情況和受凍害情況，為養護方案的確定提供依據。

1 耐久性混凝土復合外加劑的選擇與作用機理分析

高原冬季施工混凝土外加劑為鐵科院鐵峰建筑工程技術開發公司生產的DZ-X系列低溫早強高性能耐久混凝土復合外加劑，具有以下顯著作用。

1.1 抗凍作用

外加劑中含有防凍組分，此防凍組分是指一種能使混凝土拌合物在負溫環境下不受凍害的化學物質。它能夠有效降低混凝土中水的結冰溫度，從而可以使混凝土中的水泥和水在一定的負溫下起化學反應，保證混凝土硬化。有許多無機鹽和某些有機物都具有防凍功能，如亞硝酸鈉、氯化鈉、尿素、甲醇、氯化鈣、碳酸鉀等。

1.2 減水組分

減水組分具有良好的減水效果。在較低的水灰比下就能使混凝土獲得很大的坍落度，達到泵送混凝土的要求。如本工程中C30強度等級的混凝土水膠比僅為0.39，基準混凝土坍落度只有20mm，加入DZ-3外加劑后坍落度達到180mm。該組分是一種表面活性劑，它能使水泥在水化過程中形成的絮狀結構分散，絮狀結構中包裹的許多水分就釋放出來，從而有效地增加了混凝土拌合物的流動性。另一方面，由于減水作用對水泥的分散作用，使得水泥顆粒與水接觸的表面更多，水化比較充分，從而可提高混凝土的強度，還能提高混凝土的抗滲性能及防腐蝕能力。

1.3 早強組分

該組分可促進水泥水化速度，使混凝土獲得較高的早期強度，促進混凝土早期結構的形成，提高混凝土早期抵抗凍害的能力。

1.4 引氣組分

引氣組分能在混凝土中產生一定量的微小獨立空氣泡，氣泡的直徑大小在0.05～1.25mm之間，均勻分布在混凝土中，在拌合物中猶如“滾珠”一樣起到潤滑作用，增加拌合物的流動性；引入的微小氣泡，存在于硬化的混凝土中，對凍融破壞起到一定程度的緩沖作用，提高混凝土的抗凍融性，微小氣泡增加了滲水的阻力，提高了混凝土的抗滲性。

1.5 抗滲組分

該組分為有機表面活性劑，摻入混凝土中可形成絡合物，堵塞毛細孔隙，顯著提高混凝土的抗滲性，從而提高了混凝土的耐久性。

2 耐久性混凝土的優化配制

2.1 混凝土配合比設計耐久性技術指標要求

為了保證青藏高原嚴寒干燥多風等惡劣條件下各種混凝土構件的壽命，高原耐久性混凝土應達到如下指標：

抗凍融循環性能：混凝土的抗凍融循環次數不少于300次；

抗滲性：混凝土的抗滲等級應不小于S12；

護筋性：混凝土砂漿中的鋼筋不得銹蝕；

抗裂性：混凝土表面非受力裂縫的平均寬度不大于0.2mm；

混凝土的抗氯離子滲透性：混凝土抗氯離子滲透值≤1000C。

耐腐蝕性：混凝土耐S042-的極限濃度為2000～l0000mg/L。

耐風蝕性：暴露于大氣中的混凝土，其砂漿的磨損率不大于0.5kg/m2。

抗堿—骨料反應性能：符合設計規定。

2.2 混凝土配合比設計技術要求

混凝土配合比設計是保證混凝土質量的中心環節，因此對混凝土的配合比設計、施工工藝均提出了較高的技術要求。具體技術要求如下：

混凝土拌合物在環境氣溫-20℃范圍內不結冰、受凍；

混凝土拌合物溫度不低于20℃；

混凝土早期強度要求：當最低氣溫在-10℃以上時，采用綜合蓄熱法養護，3～7天達到拆模強度，15～20天強度達到設計強度等級；當最低氣溫在-10℃～-30℃時，采用蒸汽加熱+綜合蓄熱法養護，3～5天達到拆模強度，15天強度達到設計強度等級；

施工時混凝土灌注采用泵送，攪拌站與施工點較近時，直接泵送，與施工點較遠時，混凝土罐車運輸泵送；

混凝土具有良好的工作性和可泵性。

2.3 對原材料的技術要求

水泥應選用普通硅酸鹽系列產品水泥，其性能應滿足GB175-1999的規定。細骨料應選用含泥量小，堅固性優良、有害物含量少、非堿活性、級配良好的中粗砂。粗骨料應選用含泥量小、針片狀顆粒含量少、壓碎指標值小、堅固性優良、非堿活性、連續級配、堅固耐久的碎石、卵石或二者的混合物，其最大顆粒直徑不得大于鋼筋最小凈距的3/4，且大于40mm的顆粒含量不超過5%。本項目混凝土工程攪拌用水采用三岔河中水，經檢驗符合混凝土拌和用水要求。

外加劑應選用專用外加劑。摻用外加劑之前，應根據產品性能要求和工程使用的水泥、砂、石、水、摻和料等原料的實際情況，進行適應性試驗。試驗內容包括：混凝土的坍落度及其損失、混凝土含氣量、混凝土泌水率、混凝土凝結時間、混凝土的強度等。實驗結果應能滿足設計和施工的要求。本項目采用鐵科院與蘭州鐵道學院聯合研制的D2-3型低溫早強高性能耐久混凝土外加劑。此外加劑在環境溫度低于-20。C時需采用外界加熱的方法輔助養護。

表1 混凝土的抗裂性能試驗結果

表2 混凝土的膠砂護筋性能電位經時試驗結果

表3 混凝土的膠砂耐腐蝕性能試驗結果

3 低溫早強耐久高性能泵送混凝土長期性能試驗研究

3.1 試驗方法

抗凍融性能、抗滲性、抗氯離子滲透性、耐風蝕性和耐腐蝕試件按相關標準規定的方法成型，在室溫下帶模靜置養護至此成熟度180℃h后，在負溫下養護7天拆模再轉入標準養護28天，按《青藏鐵路混凝土耐久性試驗方法》進行相關性能試驗。護筋性和抗裂性按《青藏鐵路混凝土耐久性試驗方法》標準規定的方法成型、養護、試驗。

3.2 抗裂性能試驗

混凝土出現裂縫的時間直接反映了未成熟混凝土抵抗早期收縮開裂的能力，是混凝土耐久性的重要指標之一。本研究采AASHTO PP34-99標準進行試驗。混凝土的抗裂性能試驗結果見表1。

從表1中的試驗結果來看，摻加D2-3低溫早強多功能外加劑的混凝土平均開裂時間為9天，最短開裂時間為6天，因此，混凝土的養護時間不應小于10天。其最大裂縫寬度平均值為0.130mm，最大裂縫寬度極大值為0.175mm，均滿足《青藏鐵路耐久性混凝土技術條件》最大裂縫寬度不大于0.20mm的技術要求。

3.3 護筋性能試驗

本研究采用GB8076-1997標準進行試驗。混凝土的膠砂護筋性能試驗結果見表2。

從表2中的試驗結果來看，摻加DZ-3低溫早強多功能外加劑的混凝土陽極極化—時間曲線為鈍化曲線，滿足《青藏鐵路耐久性混凝土技術條件》的技術要求。

3.4 耐腐蝕性能試驗

本研究采用GB2420-81標準進行試驗。混凝土的膠砂耐腐蝕性能試驗結果見表3。

4 結 語

配制高原地區高性能耐久混凝土的關鍵技術措施是必須在混凝土中摻加具有高效減水、早強、防凍、增實、保坍多功能的復合混凝土外加劑，并采取切實可行的保溫、保濕養護措施和一系列工藝措施。

對低溫早強耐久高性能泵送混凝土在負溫條件下混凝土強度的發展規律的研究，為養護方案的確定提供了技術依據。研究表明：在負溫條件下，尤其是在-10～-20℃氣溫條件下，要想加快施工進度，保證工期和混凝土施工質量，就必須采取加熱養護措施，而且養護溫度不宜低于10℃，養護保溫時間不得少于7天。

通過對混凝土抗凍、抗滲、抗腐蝕等性能的試驗研究，DZ-3型高性能耐久混凝土具有一系列優越的物理力學性能和長期耐久性能，可以滿足高原地區低溫和嚴寒干燥多風惡劣條件下混凝土施工和使用的需要。

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