海工輕骨料混凝土力學和耐久性能的試驗研究

周曉朋，曹禹，王娜，曹忠露，李沛

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交通建設股份有限公司軌道交通分公司，北京 100088）

0 引言

為縮小結構斷面，減輕結構自重，需要在海洋環境中使用氯離子擴散系數低、耐久性好的高強輕質混凝土。目前國內外對輕骨料混凝土的配制技術和制作養護工藝[1-4]、輕骨料混凝土的強度和耐久性因素[5-8]、輕骨料混凝土施工應用過程中存在的問題及其解決辦法[9-13]等進行了大量的研究，但涉及海洋和遠海環境下輕骨料混凝土性能演化的報道較少。

對于水域較淺且地形地貌復雜的離岸海洋島礁建設，可采用預制沉箱快速成陸。采用普通混凝土預制沉箱因上部結構自重過大、吃水深，還需對下部基礎進行處理，不僅消耗大量的人力、物力、財力，而且施工工藝復雜，不方便運輸。此外，遠海島礁的海洋環境存在高溫高濕、高氯鹽、高紫外線的“三高”特點，氣候條件惡劣，對沉箱混凝土自重和耐久性提出了更高的要求。因此，使用輕質混凝土建造淺吃水沉箱對海洋島礁的綠色開發具有重要意義。

本文借鑒國內外輕骨料混凝土制備經驗，選取不同種類的陶粒，進行輕骨料混凝土配合比設計，對輕骨料混凝土的拌合物性能、力學性能及抗氯離子滲透性能進行研究，制備出滿足水運工程要求的輕骨料混凝土，并對遠海地區輕骨料混凝土的耐高溫高濕、高氯鹽、高紫外線性能進行研究，為輕骨料混凝土在海洋工程中的應用提供一定參考。

1 試驗

1.1 原材料

①水泥：天津生產的駱駝牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

②細骨料：綏中河砂，細度模數為2.7。

③減水劑：江蘇蘇博特PCA-Ⅰ型聚羧酸高性能減水劑。

④拌合用水：地下水。

⑤粉煤灰：漳州電廠Ⅰ級粉煤灰。

⑥礦粉：唐山唐龍S95級礦粉。

⑦ 陶粒：廣西產600級、700級黏土陶粒，天津產700級、1 000級黏土陶粒，其各項性能指標見表1。廣西產700級陶粒筒壓強度最大、1 h吸水率最低、性能最佳，廣西產600級陶粒性能次之，天津產700級和1 000級陶粒性能較差。輕骨料孔結構與輕骨料的筒壓強度也有一定的聯系，若孔的尺度較小，且互不連通，則輕骨料的筒壓強度就高。廣西產700級黏土陶粒顆粒表面光滑、開裂較少，內部結構均勻，孔多呈球狀，孔隙封閉不貫通，且不易被水飽和，這也是此類輕骨料吸水率較小的原因。

表1 不同種類黏土陶粒的各項性能指標Table 1 Performance indexes of different clay ceramsites

1.2 試驗方法

根據工程要求，輕骨料混凝土的強度等級為LC30、坍落度200 mm±20 mm、干表觀密度1 660～1 750 kg/m3、抗氯離子滲透性不大于2 000 C。依據JGJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應用技術規程》采用松散體積法進行輕骨料混凝土配合比設計，見表2。首先通過分析陶粒種類對輕骨料混凝土性能的影響，選出最佳陶粒；然后再用此陶粒配制基準混凝土，分析粉煤灰和礦粉等摻合料對輕骨料混凝土力學和耐久性能的影響，確立摻合料的最佳摻量，并確定綜合性能最佳的輕骨料混凝土配合比；最后用此配合比成型兩批試件，置于標準養護室中養護56 d后取出，放在高溫高濕、高氯鹽、高紫外線模擬試驗箱中，一批置于試件架上（模擬大氣環境），一批置于裝有海水的潮汐槽中（模擬潮汐環境），以檢驗“三高”環境下輕骨料混凝土力學和耐久性能的演化。

依據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行混凝土拌合物性能試驗，依據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行力學性能試驗，依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行抗氯離子滲透及碳化性能試驗。

表2 輕骨料混凝土配合比設計Table 2 Mix design of lightweight aggregate concrete kg·m-3

高溫高濕、高氯鹽和高紫外線的“三高”環境，通過WS-756型恒溫恒濕試驗箱進行模擬，試驗箱內設有試件架、潮汐槽、溫濕度調控系統和紫外光照射系統。試驗箱溫度范圍為-10～+50℃，相對濕度范圍為60%～98%，使用UVB-313燈產生紫外線照射，輻照強度為1.23 W/m2@310 nm。

2 結果與討論

2.1 陶粒種類和摻合料對輕骨料混凝土拌合物性能影響

陶粒種類和摻合料對輕骨料混凝土拌合物性能的影響見表3。采用1 000級陶粒的混凝土干、濕表觀密度均最大，700級陶粒混凝土的次之，600級陶粒的混凝土干、濕表觀密度最小。輕骨料混凝土的密度主要取決于所用骨料的堆積密度，骨料堆積密度越小，輕骨料混凝土的密度越低。

表3 陶粒種類和摻合料對輕骨料混凝土拌合物性能影響Table 3 Influence of ceramsite type and mineral admixture on mixture performance of lightweight aggregate concrete

與基準水泥的輕骨料混凝土相比，摻加粉煤灰和礦粉后，輕骨料混凝土干、濕表觀密度均略有降低。粉煤灰、礦粉的摻入可改善輕骨料混凝土拌合物的和易性，隨著摻合料摻量的增加，拌合物的坍落度和擴展度提高。

2.2 陶粒種類對混凝土力學和耐久性能影響

陶粒種類對混凝土力學和耐久性能影響見表4。在水膠比和水泥用量不變的情況下，廣西產700級陶粒混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均最高，廣西產600級陶粒和天津產700級陶粒混凝土的抗壓強度次之，天津產1 000級陶粒混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均最低。由表1和表4可知，輕骨料混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度與陶粒的吸水率和筒壓強度密切相關，陶粒的吸水率越小、筒壓強度越大，輕骨料混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度越高。陶粒的選用對輕骨料混凝土的力學強度影響顯著。

表4 陶粒種類對混凝土力學和耐久性能影響Table 4 Influence of ceramsite type on mechanical and durability of lightweight aggregate concrete

在水膠比和膠材用量不變時，陶粒種類和性能的變化對輕骨料混凝土的耐久性也產生一定的影響。廣西產700級陶粒混凝土的電通量和氯離子遷移系數均最低，廣西產600級陶粒和天津產700級陶粒的混凝土次之，天津產1 000級陶粒混凝土的電通量和氯離子遷移系數最高。陶粒的吸水特性與陶粒混凝土的電通量和氯離子遷移系數明顯相關，陶粒的孔隙特性對輕骨料混凝土的耐久性能影響顯著。

2.3 摻合料對輕骨料混凝土力學和耐久性能影響

基于上述4種陶粒對混凝土強度和耐久性的影響結果，選用廣西產700級陶粒配制基準輕骨料混凝土（G-7-1），通過摻加不同比例的粉煤灰和礦粉，分析摻合料對輕骨料混凝土力學和耐久性能的影響，結果見表5和表6。

表5 摻合料對輕骨料混凝土力學性能影響Table 5 Influence of mineral admixture on mechanical properties of lightweight aggregate concrete

表6 摻合料對輕骨料混凝土耐久性能影響Table 6 Influence of mineral admixture on durability of lightweight aggregate concrete

與基準輕骨料混凝土（G-7-1）相比，單摻粉煤灰、雙摻粉煤灰和礦粉后，輕骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均有所降低，碳化深度有所增加；但抗氯離子滲透性能得到改善，且所有混凝土的抗水滲透性能均滿足＞P12的要求。

由表3、表5和表6的試驗結果可知，雙摻15%粉煤灰和15%礦粉的輕骨料混凝土（G-7-5）在拌合物和易性、強度和耐久性方面均具有較好性能。

2.4“三高”侵蝕環境下輕骨料混凝土性能

選用雙摻15%粉煤灰和15%礦粉的輕骨料混凝土（G-7-5）成型兩批試件，置于標準養護室中養護56 d后取出，放在高溫高濕、高氯鹽、高紫外線模擬試驗箱中，一批置于試件架上（模擬大氣區），一批置于裝有海水的潮汐槽中（模擬潮汐區）。模擬試驗箱的溫度設定為35.0℃，相對濕度設定為85%，使用UVB-313燈產生紫外線照射，其輻照強度為1.23 W/m2@310 nm。間隔4個月檢測1次模擬大氣區和潮汐區中的試件強度和抗氯離子滲透性能，結果見圖1和圖2。

圖1“三高”環境下輕骨料混凝土強度演化Fig.1 Strength evolution of lightweight aggregate concrete in"three high"environment

圖2“三高”環境下輕骨料混凝土抗氯離子滲透性能演化Fig.2 Evolution of chloride ion penetration resistance of lightweight aggregate concrete in"three high"environment

在模擬環境下，置于大氣區的輕骨料混凝土的抗壓強度均高于相同齡期潮汐區的輕骨料混凝土抗壓強度，“三高”環境下大氣區和潮汐區的混凝土抗壓強度隨著齡期的增加均呈現先增加后降低的現象。位于潮汐區的輕骨料混凝土在齡期為6個月時，抗壓強度值達最大（53.0 MPa），之后開始呈現降低的趨勢；而置于大氣區的輕骨料混凝土在齡期為10個月時，抗壓強度值達最大（54.9 MPa），隨后抗壓強度開始降低，但降低幅度低于潮汐區的輕骨料混凝土。這說明“三高”環境下潮汐對輕骨料混凝土的侵蝕作用相對更加嚴酷，對輕骨料混凝土的力學性能影響更加明顯。

在模擬環境下，置于大氣區的輕骨料混凝土的抗氯離子滲透性能優于相同齡期潮汐區的輕骨料混凝土的抗氯離子滲透性能，“三高”環境下輕骨料混凝土電通量隨著齡期的增加呈現出增大的趨勢，位于潮汐環境下的輕骨料混凝土在齡期為6個月時，電通量值達最低（531 C），之后開始呈現增加的趨勢；“三高”環境下大氣區的輕骨料混凝土電通量的增加幅度低于潮汐區的輕骨料混凝土電通量的增加幅度。潮汐對輕骨料混凝土抗氯離子滲透性能的退化作用影響更加顯著。

3 結語

陶粒的選用對輕骨料混凝土的力學強度影響顯著。輕骨料混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度與陶粒的吸水率和筒壓強度密切相關，陶粒的吸水率越小、筒壓強度越大，輕骨料混凝土的抗壓和劈裂抗拉強度越高。

摻加粉煤灰和礦粉后，輕骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量均有所降低，碳化深度有所增加；但抗氯離子滲透性能得到改善。

在海洋“三高”環境作用下，大氣區的輕骨料混凝土強度和耐久性均高于同齡期潮汐區的輕骨料混凝土強度和耐久性，潮汐對輕骨料混凝土性能退化的影響更加顯著。