某碼頭胸墻海工高性能混凝土配制技術及性能研究

王亞州 劉毅強

摘 要：通過對沙特東部地區混凝土原材料試驗以及胸墻結構服役耐久性要求，設計出摻入粉煤灰、硅灰、礦粉等不同外摻料的6個初始配合比；通過對各配合比的工作性能和力學性能以及耐久性等指標進行試驗對比，優選出雙摻粉煤灰和礦粉，滿足海工高性能要求的碼頭胸墻混凝土配合比。

關鍵詞：氯離子滲透；摻合料；水膠比；漿骨比；TG-DSC；孔結構

中圖分類號： U2.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）21-109-31 概述

沙特海爾港四期碼頭工程地處波斯灣海岸，屬Ⅲ類環境即海水氯化物引起鋼筋銹蝕的近海或海洋環境。該工程主體結構構件包括預制方塊及碼頭胸墻，碼頭岸線全長1258米（含南北側拐角段），碼頭前沿長度1058米。碼頭胸墻結構構件處于浪濺區內，環境作用等級為E～F級，即腐蝕非常嚴重或極端嚴重。為保證碼頭工程構件達到設計使用壽命50年的要求，需要對混凝土進行耐久性設計。混凝土材料的耐久性是結構耐久性的前提和基礎，對混凝土材料耐久性參數的研究和控制是當前土木工程領域保證結構使用壽命的基本方法。

2 環境特點及混凝土技術要求

①工程地處沙特沙漠地帶，混凝土用骨料與國內有較大區別，主要體現在細骨料為沙丘沙，細度模數小；粗骨料均來自沙漠地表下的巖石破碎，該巖石普遍存在風化嚴重，強度較低，吸水率高，石料表面孔洞明顯，給高抗滲性混凝土的配制帶來一定難度。②沙特地區粉煤灰等礦物摻合料資源匱乏，考慮到工程耐久性與經濟性的平衡，同時工程結構為大體積混凝土結構，大體積混凝土溫控防裂形式嚴峻。③沙特地區年均溫度高，晝夜溫差大，且處于腐蝕等級較高的近海或海洋環境，混凝土抗裂性、抗氯離子滲透性、抗碳化性等耐久性要求高。④本工程胸墻混凝土的強度等級為C40，采用泵送施工工藝，同時胸墻混凝土為大體積混凝土，考慮溫度開裂。

3 原材料試驗

3.1 水泥

本工程選擇的水泥為Easten Cement水泥廠生產的Type I型OPC（Ordinary Portland Cement 普通硅酸鹽水泥），其物理力學性能見表3.1。

3.2 粉煤灰

沙特本地以石油為主要燃料，各資源匱乏，硅粉和高爐礦渣均來自中國，粉煤灰來自印度，其物理性能見表3.2。

3.3 細集料

混凝土細集料為沙丘砂，來自沙特東部沙漠地區，其物理性能指標見表3.3。

3.4 粗集料

本工程選擇的粗集料均來自沙漠地表下的巖石破碎，該巖石普遍存在風化嚴重，強度較低，吸水率高。粗集料為2級配碎石，其物理性能指標見表3.4。

3.5 外加劑

本工程選用西卡外加劑，減水率為28%。

4 配合比設計思路及參數選擇

4.1 配合比設計原則

碼頭胸墻混凝土配合比設計以耐久性為核心，抗裂性和抗滲性并重，同時兼顧混凝土工作性能，確保各項性能均衡發展。

4.2 配合比設計參數選擇

①水膠比。本結構混凝土所處的環境腐蝕等級較高，根據強度等級、耐久性要求，碼頭胸墻混凝土水膠比可控制在0.32～0.35。

②漿骨（體積）比。在水膠比一定的情況下的用水量或膠凝材料總量，或骨料總體積用量即反映漿骨比。對于泵送混凝土，按表4.1選擇，同時參照國內外規范中對最小和最大膠凝材料的限定范圍，由試配拌和物工作性確定，取盡量小的漿骨比值。水膠比一定時，漿骨比小的，強度會稍低、彈性模量會稍高、體積穩定性好、開裂風險低，反之亦然。

③砂率。本工程粗細集料與國內差異較大，其中粗集料多為巖石風化形成，表面較為粗糙，為保證混凝土工作性滿足施工要求，需要適當增加混凝土的砂率；同時本工程所用細集料為沙丘沙，細度模數小，當砂率較大時，容易引起混凝土體積穩定性差，導致混凝土開裂，綜合兩者之間的平衡，通過試驗方法確定本工程混凝土的砂率在40%～43%之間。

4.3 礦物摻合料摻量

本工程中，對抗裂要求較高的胸墻大體積混凝土考慮摻入礦粉和粉煤灰。

5 碼頭胸墻配合比設計及性能研究

根據技術規格書對混凝土的技術要求，對混凝土關鍵參數的初步范圍確定，同時考慮到現澆大體積混凝土的開裂敏感性，提出6個初步配合比采用現場原材料開展了混凝土配制工作，在試驗過程中測試了混凝土的坍落度及坍落度損失（5min，30min及60min），含氣量及容重。分別留樣測抗壓強度（1d，7d &28d），劈裂抗拉強度（28d）以及抗氯離子滲透性（28d）和抗水滲性能（28d），比選出最優胸墻海工高性能混凝土配合比。設計配合比如表5.1所示。

5.1 新拌混凝土工作性

混凝土試驗過程中，對混凝土的坍落度、出機溫度、容重及含氣量進行了測量，并測量了混凝土1h內的坍落度損失，試驗結果如表5.2所示。

從表5.2中可以看出，新拌混凝土的坍落度均大于160mm，混凝土流動性較好，完全滿足泵送混凝土的施工要求。從試驗結果可以看出，混凝土坍落度損失較大，尤其是參加硅灰的配合比，與不參加硅灰的配合比比較而言坍落度損失較快，30min后坍落度降低到130mm，造成混凝土流動性變差，不利于混凝土施工。從現場試拌結果看混凝土勻質性較好，不泌水，粘聚性好。

5.2 力學性能及耐久性

混凝土硬化后對其1d、7d、28d抗壓強度、劈裂抗拉強度進行了測定用以表征混凝土的力學強度，對其電通量及抗水滲性能測定用以表征混凝土的耐久性能。表5.3為不同配合比下混凝土力學性能及耐久性能檢測結果。

從表5.2及表5.3中可以看出，6個配合比的工作性、力學性能及耐久性能均能滿足設計要求。4#與6#配合比膠凝材料用量較大，且粉煤灰用量大，考慮到混凝土早期強度較低，服役環境惡劣，容易導致耐久性不能滿足要求。2#與5#配合比均使用了硅灰，混凝土的坍落度損失較大，容易使得混凝土的工作性較難控制，開裂敏感性強，硅灰的摻入增加了混凝土的開裂風險，不建議使用。1#配合比與3#配合比性能相近，且力學性能、抗氯離子滲透性能優異，考慮到胸墻混凝土均位于水面以上，除抗滲性外混凝土的抗碳化性能也尤為重要。為保證工程質量，現從抗裂性、抗碳化性能及微觀層面對配合比1#和3#進行優選。

5.2.1 抗裂性

。5.2.2 抗滲性

5.2.3 抗碳化

胸墻混凝土位于水面浪濺區和水上區，在當地高溫高濕環境下，混凝土很容易因碳化引起腐蝕。為保證混凝土質量，現對兩配合比的抗碳化性能進行比較。（表5.5）

由28d碳化深度可知，粉煤灰與礦粉復摻較單摻粉煤灰抗碳化性能略有改善。研究表明，影響碳化的最主要因素是混凝土本身的密實性和堿性物質儲備的大小，即混凝土的滲透性及其Ca（OH）2堿性物質

含量的大小。因此，分別從測量混凝土內

Ca（OH）2含量和其孔結構分析兩方面來分析。

①TG-DSC分析。TG-DSC分析是一種通過測量不同溫度下物質質量的變化來分析物質化學組成及其含量的方法。一般來說，在溫度升高的過程中，水泥水化產物中的自由水在100℃以下脫去，在100℃～400℃時孔隙水和層間水脫去，在400℃～600℃時Ca（OH）2分解，

而CaCO3在溫度達到700℃之后分解。圖5.3為混凝土的TG-DSC曲線。

TG-DSC分析的試樣取自不同粉煤灰摻量混凝土未經過碳化的混凝土試樣和經過28天碳化的混凝土試樣，從混凝土中提取水泥漿體，并磨細過80μm篩后進行熱重分析。分析主要針對單摻粉煤灰的1#配合比試樣、粉煤灰礦粉復摻的3#配合比試樣進行。圖5.4為不同配比混凝土在碳化前后的DSC曲線。由圖中可以看出水泥漿體中Ca（OH）2的吸熱峰大概在

437℃左右，CaCO3的吸熱峰大約在723℃左右。對比未被碳化混凝土的DSC曲線，雙摻粉煤灰和礦粉的3#配合比試樣弱于單摻粉煤灰試樣。經過28天的碳化反應后，試樣的DSC曲線中均無明顯的Ca（OH）2吸熱峰出現。

CaCO3的分解區間640℃-800℃計算。表5.6為不同配比混凝土試樣內部Ca（OH）2和 CaCO3的含量計算結果。

根據計算結果可看出，對于不同配比的混凝土試樣，單摻粉煤灰的試樣1#配合比試樣與粉煤灰礦粉復摻的3#配合比試樣相比，Ca（OH）2含量相對較高一些，這主要由混凝

土配比中的水泥用量決定。3#配合比試樣中礦粉替代了部分水泥用量，故其內部Ca（OH）2量更低。

根據碳化機理分析，混凝土的碳化反應基于混凝土內部Ca（OH）2的消耗。對比兩種配比的混凝土，Ca（OH）2含量較高的3#試樣內部用于碳化反應消耗的堿含量更高，從這方面來說，更有利于混凝土的抗碳化性能。相比起來，1#配合比試樣中堿含量相對較低，更易受到外界CO2的侵入而發生碳化。

②孔結構。孔結構的測試結果見圖5.2。結果表明，粉煤灰與礦粉的復摻相對于單摻粉煤灰來說，引起混凝土中的大孔向中小孔轉化，使其內部結構更為均勻；基于Ca（OH）2量的變化和孔結構的數據能夠很好解釋粉煤灰和礦粉復摻能提高抗碳化性能。綜合以上試驗研究結果，3#配合比的耐久性能優于1#配合比。

6 結論

通過對原材料的試驗選擇和配合比試配，以及對試驗樣本的性能對比分析，優選出3#配合比為碼頭胸墻海工高性能混凝土的最佳配合比。

參 考 文 獻

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