超保塑自密實水下混凝土的試驗研究與應(yīng)用

袁啟濤，羅作球，張新勝，梁國立

（中建商品混凝土天津有限公司，天津 300450）

0 引言

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，各種超高型建筑物的不斷出現(xiàn)對高性能混凝土提出了更高的要求，同時對建筑物樁基混凝土的強度等級和耐久性要求也越來越高。天津 117 大廈地下 3層，地上 117 層，設(shè)計高度 597 米，建成后將成為華北第一高樓。其樁基設(shè)計混凝土強度等級 C50，長度為 121m，長徑比為 120∶1，創(chuàng)下全國民用工程樁長度之最。加之地處天津鹽堿腐蝕較為嚴(yán)重的地區(qū)，樁基混凝土不但要滿足強度要求，各項相關(guān)指標(biāo)更要滿足在當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件下耐久性 100 年的要求。

對于應(yīng)用范圍日益廣泛的高性能混凝土，要求新拌混凝土具有優(yōu)異的工作性能、硬化混凝土長期使用的物理力學(xué)性能及耐久性等。由于混凝土的運距長，樁身細(xì)長，澆筑時間較長，施工現(xiàn)場操作機(jī)器較多，且夏季溫度高，為保證混凝土通過導(dǎo)管下料填充到樁內(nèi)，混凝土應(yīng)具有良好的施工性能和澆筑的連續(xù)性。同時樁基混凝土容易受到地下水中化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，常導(dǎo)致混凝土發(fā)生不同程度的劣化，其耐久性降低，無法達(dá)到設(shè)計使用年限的要求[1]。本文將高強混凝土與自密實混凝土技術(shù)要求相結(jié)合，采用低堿水泥、優(yōu)質(zhì)礦物摻合料和超保塑聚羧酸高效減水劑，嚴(yán)格控制混凝土中氯離子含量，根據(jù)地下水的成分有針對性地開展混凝土耐久性試驗。并建立了一套質(zhì)量控制體系，為以后的質(zhì)量控制提供有力保證。

1 原材料與試驗方法

1.1 混凝土及原材料指標(biāo)的確定

本工程施工正值炎熱的夏季，根據(jù)混凝土的運距、澆灌條件，夏天炎熱的氣候和現(xiàn)場實際情況，要求混凝土保坍效果較好，而且天津地區(qū)屬于鹽堿區(qū)，地下水對混凝土具有中等腐蝕（水質(zhì)分析報告見表 1），在 Ⅳ-D 和Ⅴ1-D 環(huán)境作用下，設(shè)計混凝土的使用年限為 100 年，其耐久性相關(guān)要求和自密實混凝土的相關(guān)指標(biāo)按照 CCES01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》、CECS 207:2006《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，對混凝土和原材料的性能提出相關(guān)指標(biāo)，見表 2。

1.2 原材料選擇

水泥：選用冀東 P·O42.5 水泥，其化學(xué)成分分析見表 3；粉煤灰：選用北疆電廠 II 級粉煤灰；礦粉：選用河北唐山特種水泥廠的 S95 級礦粉；碎石：河北玉田 5～25mm 連續(xù)級配的碎石；砂：石家莊的河砂，所用砂石經(jīng)檢測均為非活性集料；外加劑：采用聚羧酸高效減水劑。

1.3 配合比設(shè)計

本工程超大長徑比樁的混凝土設(shè)計強度等級 C50，在進(jìn)行配合比設(shè)計時采用高強混凝土和自密實混凝土兩者相結(jié)合的思路。而且天津地區(qū)屬于鹽堿區(qū)，地下水對混凝土具有中等腐蝕。根據(jù)設(shè)計使用年限 100 年對混凝土的耐久性相關(guān)要求及自密實混凝土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。通過前期試驗，對配合比進(jìn)行初步的篩選，并根據(jù)混凝土工作性能對配合比進(jìn)一步的優(yōu)化，確定具體的配合比見表 4，其工作性和力學(xué)性能試驗結(jié)果見表 5。

表 1 地下水質(zhì)分析結(jié)果 ml

表 2 混凝土和原材料的相關(guān)指標(biāo)

表 3 水泥化學(xué)成分分析

表 4 試驗配合比 kg/m3

表 5 工作性和力學(xué)性能試驗結(jié)果

表 6 超長樁混凝土氯離子含量測定結(jié)果

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 混凝土氯離子含量試驗

對于鋼筋銹蝕來說，最重要的是氯離子濃度。因此，測定混凝土孔溶液中的游離氯離子含量，對于評價混凝土的耐久性能具有重要的意義。采用離子選擇電極法快速測定氯離子含量，其試驗結(jié)果見表 6。

試驗結(jié)果顯示，混凝土實測氯離子含量較理論計算值偏小，混凝土中氯離子含量完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 混凝土抗氯離子滲透性能試驗

抗氯離子滲透性能是混凝土耐久性的一個重要方面，由于化學(xué)侵蝕通常發(fā)生在特定的環(huán)境下，氯離子侵入鋼筋混凝土內(nèi)部會引起鋼筋銹蝕，從而嚴(yán)重影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和安全性[2]。由于天津地區(qū)屬于鹽堿地帶，地下水環(huán)境氯離子含量較高，由水質(zhì)分析結(jié)果可知，潛水和承壓水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，但在交替作用下對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均具有中等腐蝕性，因此，本文分別采用電通量法和快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM 法）對混凝土抗氯離子滲透性能進(jìn)行評價。

2.2.1 電通量法

本方法以通過混凝土試件的電通量為指標(biāo)來確定混凝土抗氯離子滲透性能，具體的評價方法見表 7，其試驗結(jié)果見表8。

表 7 氯離子滲透能力對使用年限的等級劃分

表 8 氯離子抗?jié)B透性能試驗結(jié)果

分析表 8 可知，超長樁混凝土 28d 抗氯離子滲透較好，按照表 7 中的評價方法，該混凝土滲透能力很低，能保證混凝土有較好的抗?jié)B透性能，從而提高混凝土對鋼筋的保護(hù)作用。

2.2.2 快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM 法）

混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)能夠定量評價混凝土抵抗氯離子擴(kuò)散的能力?？孤入x子滲透性能的等級劃分情況見表 9。根據(jù) CCES01—2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南》提出混凝土抗氯離子侵入性指標(biāo)，作為耐久性質(zhì)量的一種控制標(biāo)準(zhǔn)，各項指標(biāo)如表 9 所示。

表 9 混凝土抗氯離子侵入指標(biāo)

根據(jù)檢測的氯離子擴(kuò)散系數(shù)（3.9×10-12m2/s）以及電通量（200～300C）的試驗結(jié)果來看，混凝土抗氯離子侵入性指標(biāo)完全滿足在作用等級為 D 的環(huán)境條件下設(shè)計使用年限 100年的要求。

2.3 抗硫酸鹽侵蝕試驗

水泥基材料的硫酸鹽侵蝕破壞被認(rèn)為是引起混凝土材料失效破壞的四大主要因素之一，其對國民經(jīng)濟(jì)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益及對工程安全性的重要性愈來愈被人們所重視[3]。天津有大片鹽堿地，地下水中含有一定量的硫酸根離子，可能存在著地下水對混凝土構(gòu)筑物的硫酸鹽侵蝕破壞問題。本工程設(shè)計使用年限為 100 年，因而本試驗抗硫酸鹽干濕循環(huán)為150 次。

表 10 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗結(jié)果

由表 10 可知，樁基混凝土的抗硫酸鹽等級在 KS150 以上，滿足設(shè)計要求。

2.4 工程實用效果

2010 年 4 月至 9 月，大廈主樓樁基混凝土施工，單樁混凝土澆筑時間約為 3 小時，混凝土 28 天強度以及鉆芯結(jié)果顯示混凝土澆筑質(zhì)量較好，其抗壓強度結(jié)果見圖 1。

圖 1 生產(chǎn)與鉆芯取樣混凝土的抗壓強度

2.5 機(jī)理分析

由圖 1 可以看出，實際生產(chǎn)和鉆芯取樣混凝土的抗壓強度相差不大，但都大于設(shè)計的強度。這主要是因為粉煤灰和礦渣的“超疊效應(yīng)”：一是雙摻時改善了膠凝材料的顆粒級配，使系統(tǒng)顆粒堆積更加緊密與合理，從而使得硬化混凝土的密實度提高；二是水化進(jìn)程的互補，粉煤灰的火山灰活性發(fā)展緩慢，3 天時在水泥水化產(chǎn)物的堿性激發(fā)下并沒有參與水化反應(yīng)，直到 28 天才有一部分粉煤灰參與反應(yīng)，而礦渣活性較高，到 7 天時就會參與水化反應(yīng)，與早期水泥水化生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，形成大量水化硅酸鈣，使得漿體結(jié)構(gòu)較為致密，可以提高混凝土的早期強度和完善其早期結(jié)構(gòu)，彌補由于粉煤灰水化慢造成的早期強度低的損失。到了后期，超細(xì)礦物粉中的活性組分與大量 Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣及水化鋁酸鈣，增加了水泥石的致密程度，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，大大提高了混凝土的強度和抗?jié)B性，從而提高混凝土的耐久性。

3 結(jié)論

（1）選用優(yōu)質(zhì)原材料，合理優(yōu)化配合比，嚴(yán)格控制原材料的堿含量及氯離子含量是提高混凝土耐久性的前提條件。在滿足自密實的要求下，混凝土具有良好的保塑性能。

（2）通過檢測混凝土中氯離子含量、抗氯離子侵蝕、抗硫酸鹽侵蝕等性能，驗證了此配合比的混凝土能滿足該環(huán)境條件下的耐久性要求。

[1] 呂大為，朱曉菲.基于耐久性設(shè)計的樁基混凝土應(yīng)用研究[J].混凝土與水泥制品，2011, (5): 1-2.

[2] 王睿，王信剛，齊瑞文.高性能混凝土的抗氯離子滲透性與耐久性評估[J].混凝土，2010, (6): 1-2.

[3] MEDEIROS M H F，HELENE P.Surface treatment of reinforced concrete in marine environment：influence on chloride diffusion coefficient and capillary water absorption[J].Construction and Building Materials, 2009, 23(3): 1476-1484.

[4] 黃士元.混凝土的耐久性與混凝土結(jié)構(gòu)物的安全性[J].混凝土與水泥制品，1996, (1): 4-9.