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用

劉軍，孫希剛，郭向陽

（山東省建筑科學研究院，山東 濟南 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用

劉軍，孫希剛，郭向陽

（山東省建筑科學研究院，山東 濟南 250031）

本文針對海工混凝土所處侵蝕環(huán)境，應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)達國家從 50 年代開始大規(guī)模海工混凝土結(jié)構(gòu)物建設(shè)，到 70 年代末逐漸意識到海工混凝土過早遭到破壞的嚴重性，目前維修的費用占到 50%，從而越來越重視海工混凝土的耐久性問題。我國近幾年開始了大規(guī)模的海工建設(shè)，參照發(fā)達國家的歷史教訓，可以預計在不久將來也將出現(xiàn)大規(guī)模的維修高潮，因此研究海工混凝土抗腐蝕問題迫在眉睫。

青榮城際鐵路煙臺段沿海建設(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，對混凝土耐久性方面進行機理分析，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 試驗用原材料、測試方法

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級配復合，最小空隙率 38%。

外加劑：山東省建筑科學研究院生產(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 測試方法

力學性能依照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行測試。坍落度、凝結(jié)時間、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方法標準》進行測試。抗凍性能、電通量和氯離子擴散系數(shù)依照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行測試。水化熱依照 GB/T 12959—2008《水泥水化熱測定方法》進行測試。

2 混凝土配合比與性能

2.1 混凝土配合比設(shè)計

依據(jù)橋梁承臺墩身所處水位變動區(qū)及浪賤區(qū)的化學侵蝕和凍融破壞環(huán)境 Ⅲ-E，設(shè)計強度等級 C40；箱梁所處重度鹽霧區(qū) Ⅲ-D，設(shè)計強度等級 C50。設(shè)計混凝土配合比在滿足強度的同時，要求混凝土 84 天電通量＜1000C，Cl-擴散系數(shù)＜1.5×10-12m2/s，水中凍融破壞環(huán)境下混凝土抗凍等級≥F300。混凝土參考配比見表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2.2 混凝土性能

性能數(shù)據(jù)見表2。由表2 可知，混凝土流動性、粘聚性好，無泌水離析現(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)境來設(shè)計，水下樁控制重點為良好的工作性；浪賤區(qū)的承臺、墩身控制重點是降低水化溫升、減小收縮、防止開裂，在強度和滲透性滿足設(shè)計要求的前提下，盡量減少膠凝材料及水泥用量、增加摻合料用量；預應力箱梁重點是減小混凝土的收縮、徐變，提高抗裂性能，為此應減少膠凝材料及用水量、選擇合適的膠材復配比例、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)計混凝土工作性能良好，含氣量、抗壓強度和滲透性滿足設(shè)計要求，抗裂性能良好。

3.2 抗凍性能試驗分析

依照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》快凍法測試混凝土試件的抗凍性能。混凝土抗凍融循環(huán)結(jié)果見圖 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%，相對動彈性模量 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%，相對動彈性模量 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

海工混凝土單個構(gòu)件（包括墩、承臺以及梁體）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)部溫度應力，降低混凝土結(jié)構(gòu)開裂的可能。應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

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，氣泡的平均弦長降低，引入了大量弦長在 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，氣泡間距系數(shù)和氣泡弦長平均呈遞減趨勢。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）力學性能滿足設(shè)計要求；（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。對該工程每個部位混凝土構(gòu)件的檢測結(jié)果顯示，混凝土構(gòu)筑物的耐久性指標遠超設(shè)計要求。同時，加快了施工進度，縮短了工期，降低了工程造價。

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

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

[3] 李樹德．京滬高速鐵路研究歷程和主要工程概況[J]．鐵道標準設(shè)計，2006(S1): 1-5．

[4] 薛吉崗．客運專線鐵路混凝土的耐久性指標及施工質(zhì)量控制措施[J]．鐵道標準設(shè)計，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］山東省濟南市無影山路 29 號 山東省建筑科學研究院實驗樓 201 室（250031）

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