嚴重腐蝕環境下混凝土灌注樁制備技術研究

陳思孝 王波濤

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

隨著沿海城市、海島的建設發展，沿海鐵路等基礎工程設施建設不斷增加，受海洋環境影響，建設工程不可避免的有位于嚴重腐蝕環境的情況，需解決混凝土結構的耐久性設計問題。

位于嚴重腐蝕環境下的混凝土結構需采用高標號混凝土，對于非隱蔽工程的高標號混凝土，可通過施工振搗等方法，來滿足高標號混凝土的性能指標。而灌注樁混凝土卻無法振搗，為滿足灌注樁的性能指標要求，需進行相關技術研究。

本文通過對嚴重腐蝕環境下混凝土灌注樁制備技術研究，來解決嚴重腐蝕環境下灌注樁耐久性問題。

1 嚴重腐蝕環境特點

表1 侵蝕離子含量表[1]

2 制備技術

2.1 性能評價指標

灌注樁屬于隱蔽工程，施工時難以振搗，這對混凝土制備提出了特殊要求。因此建立嚴重腐蝕環境下灌注樁混凝土性能評價指標，保證混凝土的性能非常重要。

針對灌注樁施工情況，結合TB 10005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》，通過研究灌注樁混凝土性能評價方法，擴展度、倒坍落度筒流出時間、ormit儀流出時間，擴展度與倒坍落度筒流出時間的關系等，提出滿足高標號灌注樁混凝土性能評價指標體系[2]，如表2所示。

表2 灌注樁混凝土性能評價指標體系表[3-5]

2.2 膠凝材料抗蝕系數研究

通過測定浸泡在硫酸鈉溶液及自配海水溶液中的膠凝材料膠砂試體與浸泡在潔凈飲用水中的同齡期試體抗折強度，計算抗蝕系數，比較膠凝材料抗侵蝕的能力。

海水溶液和硫酸鈉溶液中的膠凝材料膠砂試體在不同粉煤灰摻量(20%、30%、40%、50%、60%、70%)28 d和56 d膠材耐蝕系數的影響如圖1所示。從圖1可以看出，粉煤灰的摻入提高了膠材的耐腐蝕系數，隨著粉煤灰摻量的增加，膠材耐蝕系數先增大后減小,粉煤灰摻量宜在30%以上，但不宜超過50%, 膠凝材料抗蝕系數較佳。

圖1 粉煤灰摻量對膠材耐蝕系數的影響圖

2.3 混凝土配合比參數研究

嚴重腐蝕環境下灌注樁混凝土配合比參數多規定最低水膠比及膠凝材料用量、礦物摻和料摻量、含氣量等，為此進行不同配合比參數研究。

2.3.1 水膠比對抗氯離子滲透性能的影響

分別對不加摻合料不同齡期的C30、C40、C50混凝土，對應0.45、0.38、0.33不同水膠比進行抗氯離子滲透性能研究。

水膠比降低，混凝土電通量和氯離子擴散系數均下降；隨著養護齡期的延長，電通量和氯離子擴散系數也有所下降[6]。即使是水膠比很低(僅為0.33)的混凝土，也不適宜用于氯鹽環境下的混凝土工程[7]。

2.3.2 礦物摻和料對抗氯離子滲透性能的影響

對3種礦物摻和比的混凝土在氯鹽環境下進行電通量及抗氯離子滲透性能試驗：①不摻加引氣劑情況下的C40混凝土，通過對純水泥摻粉煤灰(30%)、礦渣(30%)、硅灰(5%)、偏高嶺土(10%)等量取代水泥[8]；②在0.4水膠比和360 kg/m3膠凝材料時摻不同量粉煤灰；③粉煤灰(20%)、硅灰(5%)雙摻。

氯鹽環境下混凝土必須摻加礦物摻和料，雙摻的效果最好，如圖2所示。氯鹽環境下混凝土的粉煤灰摻量宜為30%～50%；礦渣的適宜摻量為40%～60%。強度等級越高，水膠比越大，膠凝材料中礦物摻和料越低。硅灰與粉煤灰的雙摻可大幅度提高混凝土的抗氯離子滲透性能，因此對于處于嚴重腐蝕環境下的混凝土，應適當摻加硅灰。

圖2 雙摻對混凝土抗氯離子滲透性能的影響圖

2.3.3 含氣量對抗氯離子滲透性能的影響

對不加摻合料的C30、C40及C50混凝土進行不同含氣量的抗氯離子滲透性能試驗，結果表明，隨含氣量增大，混凝土的電通量和氯離子擴散系數均有所降低，強度等級為C50的混凝土，其電通量變化較小。

對加入不同摻和料的混凝土進行不同含氣量的抗氯離子滲透性能試驗，結果表明，含氣量的變化對其電通量和氯離子擴散系數影響比較小。其它配比條件相同時，含氣量越大，混凝土強度越低，抗氯離子滲透性能沒有降低。混凝土強度相同時，引氣混凝土抗氯離子滲透性能優于非引氣混凝土[9]。

嚴重腐蝕環境下混凝土灌注樁，通過摻入摻和料引氣混凝土，含氣量增加1%，其強度約降低5MPa，綜合考慮混凝土的力學及其抗氯離子滲透性能，氯鹽環境下混凝土的含氣量宜為4%～6%。

2.3.4 混凝土配合比優化

針對嚴重腐蝕環境下某橋梁開展灌注樁C50混凝土的配合比設計和比選試驗，主要配合比如表3所示，拌和物性能測試結果如表4所示。

表3 試驗配合比表(kg/m3)

表4 試配混凝土拌和物性能表

由拌和物性能測試結果可得出以下結論：①當粉煤灰摻量由15%增至25%時，混凝土拌和物出機目測擴展度超過500 mm，但測試完成后即損失到僅有300 mm，0.5 h后徹底失去工作性；②單摻礦渣粉混凝土拌和物粘度稍高于雙摻情況，減水劑摻量有所增加；③考慮到混凝土水化溫升控制，建議采用雙摻礦粉和粉煤灰方式，粉煤灰摻量不超過15%。

經試配試驗選出具有代表性的4組混凝土強度發展情況，分別是2組灌注樁混凝土配合比和2組墩承臺混凝土配合比，如圖3所示。從圖3可以看出，4組混凝土28 d抗壓強度均超過50 MPa，其中灌注樁混凝土28 d 抗壓強度超過60 MPa，由此可推斷各組混凝土56 d 強度均能滿足C50強度等級混凝土試配強度要求；單摻礦渣粉混凝土配合比28 d抗壓強度比礦渣粉+粉煤灰雙摻高出約5 MPa。

圖3 試配混凝土抗壓強度圖

2.4 阻銹劑對混凝土性能的影響

在確定灌注樁基本配合比的情況下，研究阻銹劑的摻加對混凝土工作、力學性能的影響。根據砂、石原材料質量情況和混凝土容重情況，對所選定的混凝土試驗配合比進行了優化，試驗配合比如表5所示。

表5 試驗配合比表(kg/m3)

對各試件進行電通量與氯離子擴散系數測試，數據如表6所示。隨阻銹劑摻量提高，28 d的電通量與氯離子擴散系數均呈下降趨勢；但56 d齡期，不同阻銹劑摻量混凝土的電通量與氯離子擴散系數差別不明顯。

表6 抗氯離子滲透能力表

試件經歷30次硫酸鹽溶液干濕循環后的抗壓強度如表7所示，經歷0～150次硫酸鹽溶液干濕循環后表面楊氏彈性模量的變化如表8所示。

表7 抗硫酸鹽侵蝕表

表8 硫酸鹽干濕循環作用下表面楊氏彈性模量變化表(GPa)

研究表明，硫酸鹽干濕循環作用對混凝土表面楊氏彈性模量的影響較小，但對抗壓強度卻有明顯影響。

3 結論

為滿足嚴重腐蝕環境下混凝土灌注樁的工作、力學及耐久性能，本文結合海南環島鐵路某橋梁樁基礎的施工進行了混凝土灌注樁制備技術研究，得出以下結論：

(1)采用坍落度保留值、倒坍落度筒流出時間等指標來評價灌注樁混凝土的性能，建立包括力學、工作和耐久性的灌注樁混凝土性能評價指標體系。

(2)采取降低混凝土粉煤灰與礦渣粉復摻、用水量，適當引氣的混凝土制備技術途徑，可制備出性能高(坍落擴展度550 mm)、抗腐蝕的灌注樁混凝土。

(3)在灌注樁混凝土中通過添加阻銹劑，作為防腐蝕強化措施。阻銹劑應考慮其對混凝土工作、力學性能以及對鋼筋保護性能的影響。