高性能海工混凝土中高吸水率粗骨料的應(yīng)用研究

馮寶君

(葫蘆島市綏中縣水利建筑工程公司，遼寧 葫蘆島 125200)

0 引 言

盤錦市遼濱沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)海堤工程所處海水化學(xué)侵蝕環(huán)境，自然條件復(fù)雜，依據(jù)不同分區(qū)其對結(jié)構(gòu)的腐蝕作用達(dá)到C級中等至F級極端嚴(yán)重程度。研究表明，Cl-侵蝕引起鋼筋腐蝕破壞是海工混凝土耐久性面臨的主要問題[1-5]。因此，良好的抗Cl-滲透性是海堤工程混凝土結(jié)構(gòu)必須滿足的條件，為降低Cl-滲透性國內(nèi)大多選用低水膠比、雙摻摻合料等方法來提高混凝土密實(shí)度[6]。

目前，滿足《建筑用碎石、卵石》壓碎值、級配等指標(biāo)要求的粗骨料大多具有較高的吸水率(2%-5%)，這明顯不滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的≤2%要求。混凝土拌合過程中高吸水率粗骨料會吸收一定的拌合水，從而使得拌合物流動性下降，由于這部分水是物理吸附，在壓力、溫度等外界環(huán)境改變時(shí)吸附水會脫附，致使混凝土澆筑完成后的性能出現(xiàn)改變[7-8]。混凝土設(shè)計(jì)時(shí)若考慮選用高吸水率的輕集料，必然會造成配合比富余系數(shù)偏高、膠凝材料用量過大以及經(jīng)濟(jì)成本的增加。因此，為保證盤錦市遼濱沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)海堤工程混凝土制備，有必要研究高性能海工混凝土配制時(shí)高吸水率(2%-4%)粗骨料的摻量及其最佳配合比。

1 原材料性能

試驗(yàn)選用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分與力學(xué)性能見表1；粉煤灰選用Ⅰ級灰，其主要性能指標(biāo)見表2；細(xì)骨料選用大凌河天然河砂，基本性能和篩分結(jié)果見表3；粗骨料選用5-10mm、10-25mm雙級配P碎石和Q碎石，無潛在堿活性，依據(jù)級配曲線按質(zhì)量比為2:8和3.5:6.5配合使用，基本性能如表4；減水劑選用蘇博特PCA-Ⅲ聚羧酸高性能減水劑，常壓泌水率16%，減水率28.0%，堿含量2.4%，氯離子含量0.01%，28d收縮率100%，經(jīng)檢測各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求；試驗(yàn)用水為自來水。

表1 水泥的化學(xué)成分與力學(xué)性能

續(xù)表1 水泥的化學(xué)成分與力學(xué)性能

表2 粉煤灰的性能指標(biāo)

表3 河砂的基本性能與篩分結(jié)果

表4 粗骨料的基本性能

2 配合比試驗(yàn)研究

2.1 不同粗骨料品種混凝土性能

為進(jìn)一步明確不同碎石的適用范圍對比分析了粗骨料的吸水率，隨時(shí)間變化兩種粗骨料(P石、Q石)的吸水率變化趨勢見圖1。

圖1 碎石吸水率變化曲線

由圖1可知，P碎石的飽和吸水量以及吸水速率均高于Q碎石，吸水1h和3h的P碎石、Q碎石逐漸趨于飽和。然后利用BJH法測試了碎石中石粉(顆粒<75μm)的孔分布見圖2，粗骨料的孔分布見表5。

圖2 石粉孔徑分布

表5 粗骨料孔徑分布

結(jié)合比表面積，2種粗骨料中石粉(顆粒<75μm)的比表面積均>水泥，骨料的平均孔徑依次為20.6nm和14.5nm。深入分析化學(xué)成分，粗骨料的多孔結(jié)構(gòu)直接決定了高吸水率，由于P碎石的孔體積高于Q碎石，因此其吸附的水也就更多，吸水率高于Q碎石。

在C40海工混凝土配制時(shí)使用以上兩種粗骨料，配合比設(shè)計(jì)為m水∶m水泥∶m粉煤灰∶m粗骨料∶m細(xì)骨料∶m減水劑=168∶325∶115∶930∶757∶5.20，基本性能見表6。

表6 C40海工混凝土基本性能

從表6可以看出，在配合比完全相同的條件下，混凝土工作性能因配制碎石不同而存在較大差異，混凝土配制時(shí)選用Q碎石具有相對更大的初始流動性，其力學(xué)性能也相對更優(yōu)，且經(jīng)時(shí)損失也略高于P碎石。深入分析，這是由于Q碎石的吸水量低于P碎石，Q碎石的孔徑較小使得其吸附的水釋放速度較慢，因此經(jīng)時(shí)損失高于P碎石；Q碎石的表觀密度較高使得其堅(jiān)固性較好，抗壓強(qiáng)度高于P碎石。綜合考慮施工成本、運(yùn)輸條件、石材儲量等因素，擬選用施工性保持更為良好的P碎石和力學(xué)性能更優(yōu)的Q碎石配制C50、C40海工混凝土。

2.2 C40海工混凝土配合比設(shè)計(jì)

粗骨料選用P碎石，設(shè)計(jì)混凝土密度2300kg/m3，用水量168kg/m3，砂率45%，減水劑摻量1.2%，結(jié)合設(shè)計(jì)水膠比調(diào)整膠凝材料用量。通過試驗(yàn)研究探討20%、25%、30%、35%、40%五種粉煤灰摻量和0.36、0.38、0.40三種水膠比硬化混凝土力學(xué)性能以及新拌混凝土的工作性能，見表7。

表7 C40海工混凝土性能

由表7可知，各組混凝土抗壓強(qiáng)度具有較高的富余系數(shù)，這與水膠比越低則混凝土抗壓強(qiáng)度越高的變化規(guī)律相符；粉煤灰摻量相同條件下，水膠比為0.36與0.38的抗壓強(qiáng)度相差不大，0.40水膠比的抗壓強(qiáng)度明顯較高。因此，考慮生產(chǎn)成本和抗壓強(qiáng)度等要求，C40海工混凝土的最優(yōu)水膠比取0.38。

考慮0.38水膠比下C40海工混凝土力學(xué)性能及工作性變化特點(diǎn)，混凝土初始坍落度隨粉煤灰摻量的增加而增大，說明水泥的需水量高于粉煤灰，并且粉煤灰摻量越高坍落度保持更佳。混凝土中的粉煤灰發(fā)揮著“滾珠”作用，摻入適量的粉煤灰有利于改善混凝土施工性和工作性。從抗壓強(qiáng)度上，混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加而下降，7d降幅較明顯而28d降幅較小。粉煤灰摻量不超過30%時(shí)的7d抗壓強(qiáng)度降幅較小，為了提高海工混凝土的耐久性以及降低早期的水化熱，該條件下可以進(jìn)一步增加粉煤灰摻量。粉煤灰摻量不超過35%時(shí)的28d強(qiáng)度變化較小，為了不影響后期強(qiáng)度并且達(dá)到降低早期水化熱的目的，以35%作為粉煤灰的最優(yōu)摻量。綜上分析，C40海工混凝土選用高吸水率粗集料的最優(yōu)配比為粉煤灰摻量35%、水膠比0.38、凝膠材料用量442kg/m3。

2.3 C50海工混凝土配合比設(shè)計(jì)

粗骨料選用Q碎石，設(shè)計(jì)混凝土密度2350kg/m3，用水量160kg/m3，砂率40%，減水劑摻量1.2%，結(jié)合設(shè)計(jì)水膠比調(diào)整膠凝材料用量。通過試驗(yàn)研究探討20%、25%、30%、35%、40%五種粉煤灰摻量和0.30、0.32、0.34三種水膠比硬化混凝土力學(xué)性能以及新拌混凝土的工作性能，見表8。

表8 C50海工混凝土性能

由表8可知，各組混凝土抗壓強(qiáng)度具有較高的富余系數(shù)，這與水膠比越低則混凝土抗壓強(qiáng)度越高的變化規(guī)律相符。考慮到C50混凝土使用部位的特殊性，實(shí)際工程對混凝土的7d強(qiáng)度具有較高要求，即7d強(qiáng)度必須達(dá)到設(shè)計(jì)值的110%。結(jié)合表8中的數(shù)據(jù)，0.34水膠比下的強(qiáng)度不符合要求，水膠比為0.32和0.30的抗壓強(qiáng)度能夠滿足要求。因此，考慮生產(chǎn)成本和抗壓強(qiáng)度等要求，C50海工混凝土的最優(yōu)水膠比取0.32。

考慮0.32水膠比下C50海工混凝土力學(xué)性能及工作性變化特點(diǎn)，粉煤灰摻量>25%時(shí)坍落度并未呈現(xiàn)出明顯變化，這可能是該條件下的漿骨比達(dá)到最優(yōu)，即漿液：骨料=35：65，從而降低了水對混凝土的影響，坍落度經(jīng)時(shí)變化較低。因此，水膠比為0.32時(shí)混凝土的工作性受粉煤灰摻量變化的影響較低。從抗壓強(qiáng)度上，混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度均隨著粉煤灰摻量的增加而下降，7d降幅較明顯而28d降幅較小。為獲取更高的7d以滿足施工要求，以20%作為粉煤灰的最優(yōu)摻量。綜上分析，C50海工混凝土選用高吸水率粗集料的最優(yōu)配比為粉煤灰摻量20%、水膠比0.32、凝膠材料用量500kg/m3。

2.4 混凝土耐久性分析

根據(jù)最優(yōu)配合比見表9。試配C40和C50海工混凝土，并對比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和海水浸泡條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度及其耐久性，應(yīng)用非穩(wěn)態(tài)電遷移試驗(yàn)法(RCM法)測試標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，如表10所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的相對濕度≥95%，環(huán)境溫度(20±2)℃；海水浸泡環(huán)境為遼濱沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)海水，混凝土試塊浸泡至海水中而容器置于室外，浸泡一段時(shí)間后取出測試。

表9 海工混凝土最優(yōu)配合比

表10 耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表10可知，海水浸泡條件下的強(qiáng)度基本無損失，2種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的混凝土試樣強(qiáng)度于180d齡期時(shí)相差不大。結(jié)合氯離子擴(kuò)散系數(shù)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長不斷減少，表明混凝土抗氯離子侵蝕能力不斷提升[9-14]。

3 結(jié) 論

1)P碎石的飽和吸水量以及吸水速率均高于Q碎石，綜合考慮施工成本、運(yùn)輸條件、石材儲量等因素，擬選用施工性保持更為良好的P碎石和力學(xué)性能更優(yōu)的Q碎石配制C50、C40海工混凝土。

2)粗骨料選用P碎石，探討不同粉煤灰摻量和不同水膠比硬化混凝土力學(xué)性能以及新拌混凝土的工作性能，其最優(yōu)配比為粉煤灰摻量35%、水膠比0.38、凝膠材料用量442kg/m3，以保證不影響后期強(qiáng)度并且達(dá)到降低早期水化熱的目的。

3)粗骨料選用Q碎石，探討不同粉煤灰摻量和不同水膠比硬化混凝土力學(xué)性能以及新拌混凝土的工作性能，其最優(yōu)配比為粉煤灰摻量20%、水膠比0.32、凝膠材料用量500kg/m3，以更好地滿足早期抗壓強(qiáng)度要求。

4)對比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和海水浸泡條件下混凝土的抗壓強(qiáng)度及其耐久性，海水浸泡條件下的強(qiáng)度基本無損失，2種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的混凝土試樣強(qiáng)度于180d齡期時(shí)相差不大，氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長不斷減少，混凝土抗氯離子侵蝕能力不斷提升。