低溫早強(qiáng)耐久高性能混凝土研究

陳錦華(蘭州交大工程咨詢有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州730070)

低溫早強(qiáng)耐久高性能混凝土的研究和應(yīng)用，對(duì)解決低溫條件對(duì)混凝土的冰凍損害和解決高原地區(qū)混凝土的防腐蝕是一種行之有效的方法。一是研究采取摻加高效減水、早強(qiáng)、防凍、防腐蝕復(fù)合外加劑的技術(shù)措施，使混凝土（負(fù)溫混凝土）既可以在正溫條件下凝結(jié)硬化，又可以在負(fù)溫條件下凝結(jié)硬化，同時(shí)具有良好的抗腐蝕能力，且在負(fù)溫下表現(xiàn)出其特殊的凝結(jié)硬化功能：①負(fù)溫下不會(huì)遭受凍害、強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)；②在規(guī)定的齡期內(nèi)達(dá)到混凝土相應(yīng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，為下一步工程施工打下基礎(chǔ)。二是通過優(yōu)化混凝土設(shè)計(jì)，使混凝土具有良好的工作性能。三是通過對(duì)低溫早強(qiáng)耐久高性能混凝土在負(fù)溫條件下混凝土強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律的研究，為養(yǎng)護(hù)方案的確定提供依據(jù)。四是通過混凝土耐久性的試驗(yàn)研究，確定保證和提高混凝土耐久性的技術(shù)措施，使混凝土結(jié)構(gòu)物在高原嚴(yán)寒干燥多風(fēng)惡劣條件下仍具有良好的工作性能。

研究低溫早強(qiáng)耐久高性能混凝土在不同負(fù)溫條件下混凝土強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律：根據(jù)工程施工期間氣溫變化情況，研究混凝土在10℃、0℃、-10℃、-20℃強(qiáng)度發(fā)展情況和受凍害情況，為養(yǎng)護(hù)方案的確定提供依據(jù)。

1 耐久性混凝土復(fù)合外加劑的選擇與作用機(jī)理分析

高原冬季施工混凝土外加劑為鐵科院鐵峰建筑工程技術(shù)開發(fā)公司生產(chǎn)的DZ-X系列低溫早強(qiáng)高性能耐久混凝土復(fù)合外加劑，具有以下顯著作用。

1.1 抗凍作用

外加劑中含有防凍組分，此防凍組分是指一種能使混凝土拌合物在負(fù)溫環(huán)境下不受凍害的化學(xué)物質(zhì)。它能夠有效降低混凝土中水的結(jié)冰溫度，從而可以使混凝土中的水泥和水在一定的負(fù)溫下起化學(xué)反應(yīng)，保證混凝土硬化。有許多無機(jī)鹽和某些有機(jī)物都具有防凍功能，如亞硝酸鈉、氯化鈉、尿素、甲醇、氯化鈣、碳酸鉀等。

1.2 減水組分

減水組分具有良好的減水效果。在較低的水灰比下就能使混凝土獲得很大的坍落度，達(dá)到泵送混凝土的要求。如本工程中C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土水膠比僅為0.39，基準(zhǔn)混凝土坍落度只有20mm，加入DZ-3外加劑后坍落度達(dá)到180mm。該組分是一種表面活性劑，它能使水泥在水化過程中形成的絮狀結(jié)構(gòu)分散，絮狀結(jié)構(gòu)中包裹的許多水分就釋放出來，從而有效地增加了混凝土拌合物的流動(dòng)性。另一方面，由于減水作用對(duì)水泥的分散作用，使得水泥顆粒與水接觸的表面更多，水化比較充分，從而可提高混凝土的強(qiáng)度，還能提高混凝土的抗?jié)B性能及防腐蝕能力。

1.3 早強(qiáng)組分

該組分可促進(jìn)水泥水化速度，使混凝土獲得較高的早期強(qiáng)度，促進(jìn)混凝土早期結(jié)構(gòu)的形成，提高混凝土早期抵抗凍害的能力。

1.4 引氣組分

引氣組分能在混凝土中產(chǎn)生一定量的微小獨(dú)立空氣泡，氣泡的直徑大小在0.05～1.25mm之間，均勻分布在混凝土中，在拌合物中猶如“滾珠”一樣起到潤滑作用，增加拌合物的流動(dòng)性；引入的微小氣泡，存在于硬化的混凝土中，對(duì)凍融破壞起到一定程度的緩沖作用，提高混凝土的抗凍融性，微小氣泡增加了滲水的阻力，提高了混凝土的抗?jié)B性。

1.5 抗?jié)B組分

該組分為有機(jī)表面活性劑，摻入混凝土中可形成絡(luò)合物，堵塞毛細(xì)孔隙，顯著提高混凝土的抗?jié)B性，從而提高了混凝土的耐久性。

2 耐久性混凝土的優(yōu)化配制

2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)耐久性技術(shù)指標(biāo)要求

為了保證青藏高原嚴(yán)寒干燥多風(fēng)等惡劣條件下各種混凝土構(gòu)件的壽命，高原耐久性混凝土應(yīng)達(dá)到如下指標(biāo)：

抗凍融循環(huán)性能：混凝土的抗凍融循環(huán)次數(shù)不少于300次；

抗?jié)B性：混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)不小于S12；

護(hù)筋性：混凝土砂漿中的鋼筋不得銹蝕；

抗裂性：混凝土表面非受力裂縫的平均寬度不大于0.2mm；

混凝土的抗氯離子滲透性：混凝土抗氯離子滲透值≤1000C。

耐腐蝕性：混凝土耐S042-的極限濃度為2000～l0000mg/L。

耐風(fēng)蝕性：暴露于大氣中的混凝土，其砂漿的磨損率不大于0.5kg/m2。

抗堿—骨料反應(yīng)性能：符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)要求

混凝土配合比設(shè)計(jì)是保證混凝土質(zhì)量的中心環(huán)節(jié)，因此對(duì)混凝土的配合比設(shè)計(jì)、施工工藝均提出了較高的技術(shù)要求。具體技術(shù)要求如下：

混凝土拌合物在環(huán)境氣溫-20℃范圍內(nèi)不結(jié)冰、受凍；

混凝土拌合物溫度不低于20℃；

混凝土早期強(qiáng)度要求：當(dāng)最低氣溫在-10℃以上時(shí)，采用綜合蓄熱法養(yǎng)護(hù)，3～7天達(dá)到拆模強(qiáng)度，15～20天強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)；當(dāng)最低氣溫在-10℃～-30℃時(shí)，采用蒸汽加熱+綜合蓄熱法養(yǎng)護(hù)，3～5天達(dá)到拆模強(qiáng)度，15天強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)；

施工時(shí)混凝土灌注采用泵送，攪拌站與施工點(diǎn)較近時(shí)，直接泵送，與施工點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，混凝土罐車運(yùn)輸泵送；

混凝土具有良好的工作性和可泵性。

2.3 對(duì)原材料的技術(shù)要求

水泥應(yīng)選用普通硅酸鹽系列產(chǎn)品水泥，其性能應(yīng)滿足GB175-1999的規(guī)定。細(xì)骨料應(yīng)選用含泥量小，堅(jiān)固性優(yōu)良、有害物含量少、非堿活性、級(jí)配良好的中粗砂。粗骨料應(yīng)選用含泥量小、針片狀顆粒含量少、壓碎指標(biāo)值小、堅(jiān)固性優(yōu)良、非堿活性、連續(xù)級(jí)配、堅(jiān)固耐久的碎石、卵石或二者的混合物，其最大顆粒直徑不得大于鋼筋最小凈距的3/4，且大于40mm的顆粒含量不超過5%。本項(xiàng)目混凝土工程攪拌用水采用三岔河中水，經(jīng)檢驗(yàn)符合混凝土拌和用水要求。

外加劑應(yīng)選用專用外加劑。摻用外加劑之前，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品性能要求和工程使用的水泥、砂、石、水、摻和料等原料的實(shí)際情況，進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：混凝土的坍落度及其損失、混凝土含氣量、混凝土泌水率、混凝土凝結(jié)時(shí)間、混凝土的強(qiáng)度等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)能滿足設(shè)計(jì)和施工的要求。本項(xiàng)目采用鐵科院與蘭州鐵道學(xué)院聯(lián)合研制的D2-3型低溫早強(qiáng)高性能耐久混凝土外加劑。此外加劑在環(huán)境溫度低于-20。C時(shí)需采用外界加熱的方法輔助養(yǎng)護(hù)。

表1 混凝土的抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

表2 混凝土的膠砂護(hù)筋性能電位經(jīng)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表3 混凝土的膠砂耐腐蝕性能試驗(yàn)結(jié)果

3 低溫早強(qiáng)耐久高性能泵送混凝土長(zhǎng)期性能試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方法

抗凍融性能、抗?jié)B性、抗氯離子滲透性、耐風(fēng)蝕性和耐腐蝕試件按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法成型，在室溫下帶模靜置養(yǎng)護(hù)至此成熟度180℃h后，在負(fù)溫下養(yǎng)護(hù)7天拆模再轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，按《青藏鐵路混凝土耐久性試驗(yàn)方法》進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)。護(hù)筋性和抗裂性按《青藏鐵路混凝土耐久性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法成型、養(yǎng)護(hù)、試驗(yàn)。

3.2 抗裂性能試驗(yàn)

混凝土出現(xiàn)裂縫的時(shí)間直接反映了未成熟混凝土抵抗早期收縮開裂的能力，是混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一。本研究采AASHTO PP34-99標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)?；炷恋目沽研阅茉囼?yàn)結(jié)果見表1。

從表1中的試驗(yàn)結(jié)果來看，摻加D2-3低溫早強(qiáng)多功能外加劑的混凝土平均開裂時(shí)間為9天，最短開裂時(shí)間為6天，因此，混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)小于10天。其最大裂縫寬度平均值為0.130mm，最大裂縫寬度極大值為0.175mm，均滿足《青藏鐵路耐久性混凝土技術(shù)條件》最大裂縫寬度不大于0.20mm的技術(shù)要求。

3.3 護(hù)筋性能試驗(yàn)

本研究采用GB8076-1997標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。混凝土的膠砂護(hù)筋性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2中的試驗(yàn)結(jié)果來看，摻加DZ-3低溫早強(qiáng)多功能外加劑的混凝土陽極極化—時(shí)間曲線為鈍化曲線，滿足《青藏鐵路耐久性混凝土技術(shù)條件》的技術(shù)要求。

3.4 耐腐蝕性能試驗(yàn)

本研究采用GB2420-81標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。混凝土的膠砂耐腐蝕性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

4 結(jié) 語

配制高原地區(qū)高性能耐久混凝土的關(guān)鍵技術(shù)措施是必須在混凝土中摻加具有高效減水、早強(qiáng)、防凍、增實(shí)、保坍多功能的復(fù)合混凝土外加劑，并采取切實(shí)可行的保溫、保濕養(yǎng)護(hù)措施和一系列工藝措施。

對(duì)低溫早強(qiáng)耐久高性能泵送混凝土在負(fù)溫條件下混凝土強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律的研究，為養(yǎng)護(hù)方案的確定提供了技術(shù)依據(jù)。研究表明：在負(fù)溫條件下，尤其是在-10～-20℃氣溫條件下，要想加快施工進(jìn)度，保證工期和混凝土施工質(zhì)量，就必須采取加熱養(yǎng)護(hù)措施，而且養(yǎng)護(hù)溫度不宜低于10℃，養(yǎng)護(hù)保溫時(shí)間不得少于7天。

通過對(duì)混凝土抗凍、抗?jié)B、抗腐蝕等性能的試驗(yàn)研究，DZ-3型高性能耐久混凝土具有一系列優(yōu)越的物理力學(xué)性能和長(zhǎng)期耐久性能，可以滿足高原地區(qū)低溫和嚴(yán)寒干燥多風(fēng)惡劣條件下混凝土施工和使用的需要。

[1]阮靜等. 高強(qiáng)度混凝土水化熱的研究[J]湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，6：96-22

[2]M.C.Lindsey&M.K.Simon,Telecommunications Systems Engineering.2nd edition, Bell System Center for Technical Education,2007

[3]王振波等，混凝土基礎(chǔ)底板溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力分析[J]南京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，4：34-39

[6]李會(huì)銀等.巖性密度測(cè)井儀地面接收控制系統(tǒng).石油儀器,1998(4)