水泥用量對配重混凝土密度及抗壓強度影響的試驗研究

吳學峰，李海燕，相政樂，趙利，賈振，陸娟

中海油能源發展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

水泥用量對配重混凝土密度及抗壓強度影響的試驗研究

吳學峰，李海燕，相政樂，趙利，賈振，陸娟

中海油能源發展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

海底管道通常需要進行混凝土配重以克服海水浮力及提供機械保護，然而國內對于該類混凝土的研究較少。文章著重研究了水泥用量及水灰比對配重混凝土密度及抗壓強度的影響規律。試驗結果表明，配重混凝土抗壓強度隨著水泥用量的增加而提高，但達到某一最大值后，隨著水泥用量的增加而降低。

海底管道；水泥用量；水灰比；配重混凝土；抗壓強度；密度

0 引言

海底油氣輸送管道通常需要在其外表面進行混凝土涂敷，以克服鋪設過程中海水浮力的影響及提供一定的機械保護作用。因此，要求混凝土具有優異的機械性能，諸如抗磨性能、抗壓性能及抗折性能。相關研究表明，混凝土的抗磨性主要取決于其抗壓強度。多年前，Bechyne[1]就已對其展開研究，結果表明，混凝土的抗磨性與其抗壓強度成正比關系，也即抗磨性隨著抗壓強度的增加而增加[2-3]。抗壓強度影響因素主要有水灰比、骨料級配及最低水泥用量。然而，關于最低水泥用量一直存在爭議[4-5]。一項針對歐洲15個國家的混凝土應用調查表明[6]，其中13個國家針對最低水泥用量的規定存在差異。因此，研究水泥用量對于配重混凝土的影響規律具有重要意義。

本文著重研究了在一定水灰比（0.25、0.27、0.3、0.35、0.4）下，不同水泥含量（10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%）對配重混凝土性能的影響規律，試驗結果對于建立理想混凝土配合比具有一定借鑒意義。

1 試驗過程

1.1 原材料

本試驗采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，具體性能指標如表1所示。骨料為赤鐵礦，屬于無水氧化鐵礦石，其化學式為Fe2O3，依據ASTM C127-07[7]分別測其比重和吸水率，具體性能指標如表2所示。水為可飲用自來水。

表1 硅酸鹽水泥性能指標

表2 赤鐵礦性能指標

1.2 配合比

為研究水泥用量對配重混凝土密度和抗壓強度的影響規律，本試驗選定了5種水灰比條件（0.25、0.27、0.3、0.35、0.4），每種條件下水泥用量以88 kg/m3為增長步幅，逐漸由440 kg/m3增加到1 144 kg/m3。具體配合比如表3所示。

表3 配重混凝土配合比

1.3 試件制作、養護及測試方法

試件制作步驟如下：

（1）材料混合。稱取所需鐵礦砂和水泥，將其混合攪拌1 min后再加入一定量水，且攪拌1.5 min。材料混合的攪拌時間不宜過長，否則會造成高密度赤鐵礦的離析。

（2）澆筑。將均勻混合的材料分為三層逐步添加到尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的模具中，并在添加過程中使用電錘對其進行沖擊搗實，但過分的振搗也會造成赤鐵礦的離析。澆筑過程主要依據BS EN 12390-2:2009[8]進行。

（3）養護。制作完立方塊試件后，將潤濕后的塑料薄膜置其表面，并在室溫下養護24 h。脫模后，將立方塊試件放入水中浸泡至養護期結束。

混凝土抗壓強度的測試主要依據BS EN 12390-3:2009[9]進行，6個測量值中的最大值和最小值中如有一個與平均值的差值超過平均值的15%時，則把最大值和最小值一并舍去，將剩余4個測量值再次進行平均值計算。密度測試主要依據BS EN 12390-7:2009[10]進行，其中立方塊干質量為經過烘箱烘至恒重后的相應質量，體積為排水法所測體積。

2 試驗結果與分析

2.1 配重混凝土抗壓強度試驗

試驗結果表明，對于某一固定水灰比，配重混凝土抗壓強度隨著水泥用量的增加而增加，當達到某一最大值時，抗壓強度則會隨著水泥用量的增加而降低；同時，對于不同水灰比，存在某一固定區域，在該區域中其混凝土抗壓強度要整體高于其他配合比，如圖1所示。以圖1中區2為例具體說明，在該區中，水灰比（w/c）為0.3（圖1中藍色線條）制作的混凝土試塊抗壓強度要整體高于其他配合比制作的；另外，對于管道配重用混凝土，水灰比不宜超過0.35。

從機理上分析，原因可能為：水量較少時部分水泥因未參加水化反應而存在于混凝土中；水量過多時較多的水會殘留在混凝土內部形成孔隙或蒸發后形成氣孔，從而從很大程度上降低了混凝土抵抗荷載的實際有效面積，并可能在孔隙周圍形成應力集中，最終導致混凝土抗壓強度下降。

圖1 水泥用量對配重混凝土抗壓強度影響規律

2.2 配重混凝土密度試驗

試驗結果表明，對于不同水灰比，混凝土密度均隨著水泥用量的增加而降低，如圖2所示，這是因為：當混凝土中水泥用量增加后，必然會降低骨料用量，因此會造成混凝土整體密度的降低。

圖2 水泥用量對配重混凝土密度影響規律

3 結論

通過本文試驗可以得到以下結果：

（1）配重混凝土抗壓強度隨著水泥用量的上升而增加，當達到某一數值后，其抗壓強度隨水泥用量增加而下降。

（2）配重混凝土密度隨水泥用量的上升而下降。

（3）對于海底油氣管道配重用混凝土，其水灰比不宜超過0.35。

（4）對于海底油氣管道配重用混凝土，最佳配合比為骨料∶水泥∶水=68.8%∶24%∶7.2%。

[1]Bechyne S.Technology of Concrete，Vol.3[M].Prague:State Publishing House of TechnicalLiterature，1959.

[2]Mindess S，Young J F，Darwin D.Concrete[M].2nd ed. Englewood Cliffs，NJ：Prentice-Hall，2002.

[3]Naik T R，Singh S S，Ramme B W，et al.Effect of source of fly ash on abrasion resistance of concrete[J].J Mater CivilEng.，2002，14（5）：417-426.

[4]Harrison，T A.The Role of Minimum Cement Content in the Achievement of DurableConcrete，ACT CourseLecture Notes[R].London，UK：ImperialCollege，1997.

[5]Concrete Society.The Influence of Cement Content on the Performance of Concrete[R].London，UK：The Concrete Society，1999.

[6]Marsh B.A Summary of European Concreting Practice[R]. Watford，UK：Building Research Establishment，1993.

[7]ASTM C 127-07，Standard Test Method for Density，Relative Density（Specific Gravity），and Absorption of Coarse Aggregate[S].

[8]BS EN 12390-2：2000，Testing hardened concrete—Part 2: Making and curing specimens for strength tests[S].

[9]BS EN 12390-3：2009，Testing hardened concrete—Part 3: Compressive strength of test specimens[S].

[10]BS EN 12390-7：2009，Testing hardened concrete—Part 7: Density of hardened concrete[S].

Test Research on Effect of Cement Content on Coated Concrete Density and Compressive Strength

Wu Xuefeng，LiHaiyan，Xiang Zhengle，Zhao Li，Jia Zhen，Lu Juan
CNOOC Energy Technology&Services-Pipe Engineering Co.，Tianjin 300452，China

Concrete weighted coating is usually needed in subsea pipelines in order to overcome seawater buoyancy and provide mechanical protection.However，not much information is available on this kind of concrete at home. This paper presents a study in which the effects of cement content and water/cement ratio on mechanical properties of the concrete are investigated.It is found from the tests performed that the compressive strength of concrete increases with the increase of cement content up to a certain limit，after that the strength starts decreasing reversibly.

subsea pipeline；cement content；water/cement ratio；coated concrete；compressive strength；density

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.002

吳學峰（1987-），男，安徽合肥人，工程師，2010年畢業于中國石油大學（北京）應用化學專業，碩士，現從事海底管道防護保溫研究工作。

2014-06-24；

2015-01-30