C50抗硫酸鹽水下灌注樁混凝土配合比設計研究

曾炎炎

摘 要：本文以龍巖東環高速公路的某合同段橋梁抗硫酸鹽水下灌注樁基礎施工為例，從混凝土的抗硫酸鹽侵蝕和高工作性能兩個方面對C50混凝土配合比進行設計研究。經實踐得出，摻入優質礦物摻合料和高性能減水劑滿足抗硫酸鹽和工作性能的要求。

關鍵詞：配合比設計;抗硫酸鹽侵蝕;高工作性能

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A

0 引言

龍巖東環高速公路某合同段地處新羅市區東部，地質條件較為復雜，沿線存在煤礦采空區。由于煤系地層大多形成于還原環境，煤層開采后處于氧化環境，硫鐵礦與礦井水和空氣接觸后，經過一系列的氧化、水解等反應，導致礦洞地下水呈酸性[1]。該合同段中部分橋梁所處位置地下水中SO42-離子含量為1 003.39 mg/L，對混凝土結構具有強腐蝕性，對混凝土中的鋼筋具微腐蝕性。因此處于此環境中的橋梁樁基礎必須采用抗硫酸鹽混凝土。與此同時，該合同段樁基礎均采用水下灌注的施工工藝，要求混凝土的具有較高的工作性能。

1 配合比設計技術思路

根據工程對混凝土的要求：要有良好的抗硫酸鹽侵蝕性能和高工作性能，本文分別進行分析。

（1）混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。水泥是水泥混凝土中的膠凝材料，而水泥熟料中的鋁酸三鈣（C3A）礦物和水化化后水泥漿體中的Ca（OH）2晶體是形成硫酸鹽侵蝕的主要因素?；炷猎诹蛩猁}環境中，C3A礦物和SO42-離子發生反應生成水化硫鋁酸鈣（又稱鈣礬石），而水泥漿體中的Ca（OH）2和SO42-離子發生反應生成二水石膏（CaSO4·2H2O），二水石膏進一步和混凝土中的水化鋁酸鈣反應生成高硫型水化硫鋁酸鈣，生成物體積均較原生物顯著增大，導致混凝土出現膨脹開裂破壞[2]。因此，減少C3A的帶入，可以從本質上解決硫酸鹽侵蝕的問題。主要可以從兩方面實現：一是選擇C3A含量低（<5%）的水泥;二是摻入優質礦物摻合料代替部分水泥。

礦物摻合料主要包括粉煤灰、礦粉等。礦物摻合料具有活性效應，其中活性SiO2和Al2O3與水泥漿體中的Ca（OH）2發生反應，生成水化硅酸鈣和水化氯酸鈣：

xCa（OH）2+SiO2+mH2O=xCaO.SiO2.mH2O

yCa（OH）2+Al2O3+nH2O=yCaO.Al2O3.nH2O

上述反應減少了混凝土漿體中Ca（OH）2晶體的含量，可以緩解結構膨脹，同時新生成的C-S-H凝膠可以填充結構中的孔隙，降低了混凝土內部的空隙，提高混凝土的密室性，增大了混凝土抗SO42-離子侵入和擴散。

（2）混凝土的高工作性能。用于水下灌注施工的混凝土拌合物應具有良好的和易性，在灌注時應能保持足夠的流動性。而本文設計的混凝土為C50等級，膠凝材料的用量一般達到450 kg/m3以上，因此拌合物的黏性較大，不利于施工。解決這個問題，有以下兩個途徑：

1）摻入優質礦物摻合料。粉煤灰中含有大量的玻璃體，表面光滑，在混凝土中起到滾珠作用，同時粉煤灰還能有效地分散水泥顆粒，釋放更多的漿體來潤滑骨料，大大提高混凝土的工作性能。礦粉在混凝土中前期不直接參與水化，能夠降低混凝土中膠凝材料的標準稠度用水量，在保持相同用水量的情況下可增加流動性，改善混凝土的工作性能。

2）使用高性能減水劑。高性能減水劑具有高減水率（一般大于25%），使用時能夠較好地控制水泥的早期水化，減少塌落度損失，且具有一定的引氣性能，微小的氣泡能在混凝土內部產生潤滑作用，更好地提高和保持混凝土的工作性能。

（3）基于上述分析，為保證混凝土的抗腐蝕性及高工作性能的要求，以摻入優質礦物摻合料和高性能減水劑為主要技術要求進行配合比設計。

2 實拌混凝土性能分析驗證

2.1 原材料

水泥（C）采用福建龍鱗水泥有份有限公司生產的P.O52.5級水泥。細集料（S）采用江西贛江河砂、Ⅱ區中砂、細度模數2.78。粗集料（G）采用永定鑫東安碎石場生產的5 mm～20 mm碎石、石灰巖、級配良好、壓碎值為12.3%。減水劑（SP）采用廈門興納科技有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑、緩凝型、減水率為26.8%。粉煤灰（F）采用福建省龍巖南山盂水泥有限公司生產的F類I級粉煤灰。礦粉（K）采用三明市璟晟工貿有限公司生產的S95級礦粉。拌和用水（W）采用龍巖市自來水。

2.2 混凝土配合比設計

根據JGJ/55-2011進行配合比設計，設計塌落度為180 mm～220 mm。首先確定不摻礦粉摻合料的基準配合比，其余配合比在基準配合比的基礎上分別加10%、20%、30%、40%的粉煤灰或礦粉及15%粉煤灰+15%礦粉等量取代水泥用量，混凝土配合比見表1。

2.3 試驗項目及方法

根據抗硫酸鹽侵蝕和高工作性能，混凝土試驗項目和方法如下：

1）抗硫酸鹽侵蝕檢測。本文使用廣州大學和暨南大學研究發表的《混凝土抗硫酸鹽試驗的一種新方法》中的試驗方法，采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試塊，浸泡于5%Na2SO4溶液和5%（NH4）2SO4溶液，測定強度損失率和體積膨脹率[3]。

2）工作性能檢測?；炷凉ぷ餍阅苤饕w現于和易性及流動性，用塌落度試驗進行定量表示。

2.4 試驗結果

2.5 試驗結果分析

1）從表1可以看出，高性能減水劑和礦物摻合料能有效改善了混凝土的和易性和流動性。

2）從圖1和圖2可以看出，在粉煤灰及礦粉的摻入量為10%混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有所提升但不明顯;當摻入量達到30%時，抗硫酸鹽侵蝕性能提升不明顯甚至有所下降。因此可以得出單摻粉煤灰或礦粉在20%～30%之間達到混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能達到最佳。而雙摻15%粉煤灰和15%礦粉混凝土在強度、抗硫酸鹽侵蝕性能和工作性能方面均優于單摻[4]。

3）本次C50水泥混凝土配合比設計優先選定雙摻15%的粉煤灰和15%礦粉，即水泥：水：粗集料：細集料：粉煤灰：礦粉：減水劑=339：160：1 100：675：73：73：4.85=1：0.48：3.24：1.99：0.22：0.22：0.014。

3 結語

（1）試驗表明，摻入尤其是雙摻優質的礦物摻合料能有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，但不能過摻;通過使用高性能減水劑和礦物摻合料配制高等級的高工作性能混凝土是一種行之有效的方法。

（2）本文從配合比設計出發，提升混凝土工作性能和抗硫酸鹽侵蝕性能，希望所得經驗能為同行提供參考。

參考文獻：

[1]孫立勤.酸性礦井水的危害及防治[J].煤炭技術，2007，26（12）：53-54.

[2]戴文波，蔣世瓊.混凝土抗硫酸鹽侵蝕的研究[J].現代企業文化，2010，3（15）：122.

[3]廖原，歐陽東.混凝土抗硫酸鹽試驗的一種新方法[J].廣東建材，2003，19（09）：14-16.

[4]王杰，付翔，常偉良.礦物摻合料在抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比中的試驗研究[J].居舍，2019，39（18）：33-34.