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、水化熱和孔結構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部孔結構，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；電通量；水化熱；孔結構

0 前言

據調查，發達國家從 50 年代開始大規模海工混凝土結構物建設，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模的海工建設，參照發達國家的歷史教訓，可以預計在不久將來也將出現大規模的維修高潮，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，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?；炷两Y構處于碳化環境、氯鹽環境、凍融破壞環境和干濕交替環境，因此依據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構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，改善了混凝土內部孔隙結構，提高了混凝土的抗凍融能力，降低了混凝土的水化熱，提高了混凝土的抗滲性能。

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115%。

砂：青島大沽河產中砂，細度模數 2.80，含泥量 1.2%。

石子：山東沂水產石灰巖碎石，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 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?？箖鲂阅?、電通量和氯離子擴散系數依照 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 混凝土配合比設計

依據橋梁承臺墩身所處水位變動區及浪賤區的化學侵蝕和凍融破壞環境 Ⅲ-E，設計強度等級 C40；箱梁所處重度鹽霧區 Ⅲ-D，設計強度等級 C50。設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＜1.5×10-12m2/s，水中凍融破壞環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

性能數據見表2。由表2 可知，混凝土流動性、粘聚性好，無泌水離析現象，混凝土工作性好。

3 結果與討論

3.1 混凝土性能分析

海工混凝土配合比要求根據結構、環境來設計，水下樁控制重點為良好的工作性；浪賤區的承臺、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定性。

從表2 混凝土性能看出，所設計混凝土工作性能良好，含氣量、抗壓強度和滲透性滿足設計要求，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?；炷量箖鋈谘h結果見圖 1、圖 2。

圖 1 C40 混凝土 300 次凍融循環關系

圖 2 C50 混凝土 300 次凍融循環關系

從圖 1 看出，所制備的 C40 混凝土經 300 次凍融循環后，其質量損失率為 3.4%，相對動彈性模量 85%；圖 2 顯示所制備的 C50 混凝土經 300 次凍融循環后，其質量損失率為2.3%，相對動彈性模量 88%。結果表明所配制的混凝土滿足構件所處環境的抗凍融要求。

3.3 水化熱

海工混凝土單個構件（包括墩、承臺以及梁體）體積大，屬于大體積混凝土，降低混凝土內部溫升可以降低混凝土內部溫度應力，降低混凝土結構開裂的可能。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 孔結構

表4 硬化混凝土試樣氣泡參數

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呈增大趨勢，氣泡間距系數和氣泡弦長平均呈遞減趨勢。微小氣泡的引入，宏觀上表現為混凝土的抗凍性能、抗侵蝕能力的提高。

4 結論

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）氣泡結構大大改善。對該工程每個部位混凝土構件的檢測結果顯示，混凝土構筑物的耐久性指標遠超設計要求。同時，加快了施工進度，縮短了工期，降低了工程造價。

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[2] CCES 01—2001．混凝土結構耐久性設計與施工指南[S]．

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[4] 薛吉崗．客運專線鐵路混凝土的耐久性指標及施工質量控制措施[J]．鐵道標準設計，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構的關系研究[J]．土工基礎，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。