海工水泥對提高混凝土工程抗侵蝕能力的實踐研究

謝 放，馬志登，黃康華，童麗芬

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，杭州 310002)

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，沿海水利工程大量興建，海洋環(huán)境中混凝土結(jié)構(gòu)工程的耐久性問題越來越引起關(guān)注。我國在這方面的研究起步較晚，特別是海洋環(huán)境中水利工程大體積混凝土的耐久性研究還沒有系統(tǒng)的研究成果。許多項目建設(shè)單位和施工單位迫切希望解決相關(guān)的技術(shù)問題，為此，本文專題研究沿海水利工程中使用海工水泥制備混凝土結(jié)構(gòu)的抗侵蝕能力問題。

主要研究目的有以下幾點:①提高海洋環(huán)境下大體積混凝土工程的設(shè)計水平和施工質(zhì)量，為待建、在建的類似水利工程提供參考;②研究用海工水泥制備混凝土的抗氯離子侵滲能力;③豐富和發(fā)展海工混凝土在水利工程耐久性控制方面的相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗。

2 沿海水利工程的耐久性問題

沿海水利工程的主要結(jié)構(gòu)大部分是混凝土結(jié)構(gòu)。而且從目前的發(fā)展情況來看，在今后數(shù)十年內(nèi)，沿海水利工程建設(shè)所采用的材料將仍以混凝土結(jié)構(gòu)為主。眾所周知，混凝土工程一旦出現(xiàn)耐久性問題，其修復難度非常大，所以，沿海水利工程應(yīng)十分注重耐久性設(shè)計。長期以來，眾多沿海水利工程主要使用普通水泥，在現(xiàn)場根據(jù)要求拌制相應(yīng)的耐海水侵蝕混凝土，但是由于現(xiàn)場拌制工藝及質(zhì)量控制問題，一些結(jié)構(gòu)很難達到理想的設(shè)計使用壽命。不良施工會影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，如混凝土拌制工藝缺陷、摻合料用量不夠正確、鋼筋保護層厚度不足等，這些都會使混凝土結(jié)構(gòu)無法達到預(yù)定的使用年限。影響沿海水利工程耐久性的原因眾多，除了結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工維護等因素外，其使用的建筑材料是最為重要的因素之一。

針對沿海地區(qū)水利工程的耐久性問題，目前的解決手段主要是采用現(xiàn)場配制高性能抗侵蝕海工混凝土?，F(xiàn)場配制存在的問題有:配制技術(shù)缺乏統(tǒng)一標準，配制過程比較復雜，給施工以及工程質(zhì)量控制帶來不便，也不利于節(jié)約生產(chǎn)和施工成本。近年來各類使用者對海洋工程材料質(zhì)量的要求越來越高，單體工程量越來越大，不僅要求以混凝土為基礎(chǔ)材料的建筑工程具有較高的耐久性，而且對其他性能也提出多方面的要求，如水化熱和抗裂性等等。因此，無論是從原材料生產(chǎn)的角度，還是從設(shè)計和施工的角度，都迫切需要將現(xiàn)場添加各種抗海水侵蝕輔料配制海工混凝土，轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯討?yīng)用海工水泥配制耐侵蝕海工水泥混凝土。

考慮到現(xiàn)場配制海工混凝土在質(zhì)量控制上的復雜性和不確定性，有關(guān)水泥生產(chǎn)廠家研制出了相應(yīng)的海工水泥。它的主要成份是水泥熟料、活性混合材等，由于它應(yīng)用細微化技術(shù)和復合化技術(shù)，激活了礦渣、粉煤灰等材料的潛在活性，從而使得這種水泥的抗侵蝕與耐磨等性能都得到了增強［1］。如浙江三獅集團特種水泥有限公司在1999年就申報并通過了海工水泥新產(chǎn)品專利，2000年被評為國家級新產(chǎn)品，并在臺州椒江某圍涂工程應(yīng)用，當年就使用海工水泥2 000余噸。該產(chǎn)品在初次應(yīng)用時，為保證工程混凝土的各項性能，均在試驗室對所用材料進行試拌檢測，使其各項性能達到設(shè)計指標?；炷吝\到現(xiàn)場后，對其多項工作性能進行了檢測，如坍落度和黏聚性等均符合要求，無離析和泌水現(xiàn)象。

3 耐久性影響因素與提升要點

混凝土耐久性研究已經(jīng)有了相當長的歷史，從20世紀60年代起，每年都要召開相關(guān)國際性學術(shù)會議進行交流探討。截止目前，已有許多成熟的結(jié)論，本課題正是基于這些成果展開進一步的研究分析工作，研究內(nèi)容主要體現(xiàn)在3個方面，即工程所處環(huán)境影響、破壞機理和各種摻合料作用。

3.1 海水環(huán)境影響

研究海洋環(huán)境中工程耐久性問題，首先要了解工程所處環(huán)境情況。我國沿海大部分海水中的鹽類總含量超過3%，其中氯化鈉的含量最高。對于本課題主要研究區(qū)域——浙江省，由于當?shù)赜炅砍渑婕岸鄺l江河的淡水匯入，其沿海地區(qū)的海水鹽度比其他地區(qū)稍低，并隨季節(jié)、溫度、地點、漲落潮而變化，因此浙江海水鹽度是一個變化的值。如寧波海域冬季平均鹽度2.795%，夏季平均鹽度為3.183%。本項目所研究的臺州和溫州2個地區(qū)，其平均海水表層的鹽度為2.8% ～3.34%。

3.2 主要破壞因素

影響海洋環(huán)境中水利工程耐久性及結(jié)構(gòu)破壞的因素主要是鹽類侵蝕作用和鋼筋銹蝕作用，這也是水利工程設(shè)計的主要控制指標［2］。由大量的研究成果可知，氯鹽環(huán)境中最主要的侵蝕介質(zhì)是氯離子(Cl－)。它容易通過混凝土中的毛細孔到達鋼筋表面，導致鋼筋表面鈍化膜的破壞和鋼筋的進一步銹蝕，并隨著鐵銹的體積膨脹，造成結(jié)構(gòu)開裂，此后環(huán)境中的水、CI－等有害物質(zhì)更易侵入混凝土結(jié)構(gòu)，導致工程結(jié)構(gòu)的破壞［3］。因此，要保障沿海地區(qū)水利工程結(jié)構(gòu)的耐久性，研究工作重點是要有效阻斷氯離子的侵入通道，關(guān)注氯離子的滲透量和滲入速度，這些通常與混凝土的水灰比、養(yǎng)護齡期、摻合料的數(shù)量及質(zhì)量［4］等有關(guān)。

3.3 摻合料的作用

研究發(fā)現(xiàn)，由于優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磨細礦渣粉、硅粉等摻合料具有解絮、分散、增漿、微集料效應(yīng)以及水化后期的火山灰活性效應(yīng)，摻入后可以顯著改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)［5］，而孔結(jié)構(gòu)(包括孔隙率和孔徑分布)對氯離子的擴散有較大影響。研究還表明，由于摻合料的合適加入，使得在混凝土中有更多的水化物存在，這些物質(zhì)所具有的結(jié)合能力，促使氯離子相對會比較穩(wěn)定。同時，粉煤灰、礦渣粉等摻合料本身具有化學結(jié)合力，也可有效減慢氯離子的滲入速度?？梢?，混凝土中加入摻合料將使混凝土中的孔結(jié)構(gòu)得到改善，同時結(jié)合大量游離的氯離子，這對阻止氯離子滲透，延緩鋼筋腐蝕起到顯著作用。

因此，要提高沿海水利工程耐久性宜注重以下2點:①應(yīng)用高強度混凝土，工程結(jié)構(gòu)中能夠采用高強度的混凝土，不僅提高了構(gòu)筑物的整體性能和強度，也能夠明顯地提升這些工程的抗海水侵蝕能力，同時，可以大幅度降低工程結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生裂縫。②提高混凝土密實性，密實性越高就意味著混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙越少，氯離子等有害物入侵的數(shù)量和速度自然降低，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗侵蝕能力。

4 應(yīng)用研究實例

根據(jù)上述討論，要解決沿海水利工程大體積混凝土現(xiàn)場配制海工混凝土的質(zhì)量控制問題，應(yīng)用海工水泥是一條可行之路，遺憾的是至今類似研究較少，特別是以實際工程為背景的應(yīng)用研究更小。因此，本課題的研究重點是探討直接應(yīng)用海工水泥拌制成海工混凝土的抗侵蝕能力。

4.1 實例成果

為檢驗海工水泥的實際應(yīng)用效果，本課題對臺州和溫州2個地區(qū)使用海工水泥的工程進行實地踏勘、觀測和鉆孔取樣檢測。這些工程運行時間從1 a到7 a不等。檢測方法是將使用海工水泥與未使用海工水泥的混凝土結(jié)構(gòu)進行工程質(zhì)量對比，并實際獲取混凝土表面裂縫、鋼筋銹蝕程度等第一手資料。

實例工程氯離子濃度實測結(jié)果見表1和表2。方法是分別對普通混凝土結(jié)構(gòu)和海工水泥混凝土結(jié)構(gòu)，在海水基準面以上5 m高程(工程1)和1.5 m(工程2)處進行鉆孔取樣。取樣分8個區(qū)段，每個區(qū)段水平深度間隔為5 m。氯離子濃度測試采用丹麥生產(chǎn)的快速氯離子濃度測試儀。

圖1為某圍墾工程5 m高程處氯離子濃度隨深度變化規(guī)律。各曲線氯離子濃度隨侵蝕深度增加而逐漸減小，且普通混凝土各深度處的氯離子濃度顯著大于海工水泥混凝土，表明海工水泥混凝土抗氯離子侵入能力更加優(yōu)越。

表1 工程1氯離子濃度檢測結(jié)果Table 1 Measured results of the concentration of chloride ion in project No.1

表2 工程2氯離子濃度檢測結(jié)果Table 2 Measured results of the concentration of chloride ion in project No.2

圖1 5 m高程處氯離子濃度隨深度變化規(guī)律Fig.1 Variation of chlorine ion concentration with depth at elevation 5 m

圖2為某海閘1.0，1.5 m高程處海工水泥混凝土中氯離子濃度隨深度變化情況。隨著高程的增加，各深度處氯離子濃度相應(yīng)減小，這是因為隨著高程的增加，混凝土表面接觸海水的時間相應(yīng)減小。1.5 m高程所處的環(huán)境已近似大氣區(qū)域，因此檢測得到的氯離子濃度很小。

4.2 實例數(shù)據(jù)分析

(1)從表1和表2中可以看出，在同一工程中采用海工水泥的混凝土中氯離子濃度比未采用海工水泥的大幅度減小。

(2)表3列出了氯離子擴散系數(shù)的計算結(jié)果。氯離子擴散系數(shù)可更直接反映混凝土抗氯離子的滲入性能。由表中可見:海工水泥混凝土(MC)氯離子擴散系數(shù)較普通混凝土(OPC)整整小了一個數(shù)量級，表明海工混凝土抗氯離子滲透性能較優(yōu)。

圖2 1.0，1.5 m高程處氯離子濃度隨深度變化規(guī)律Fig.2 Variation of chlorine ion concentration with depth at elevations 1.0 and 1.5 m

表3 氯離子侵蝕曲線擬合結(jié)果Table 3 Results of curve fitting of chloride ion corrosion

除了優(yōu)良的耐久性外，海工水泥配制的混凝土還具有良好的工作性能，適應(yīng)性也較好。溫州某水閘工程海工水泥混凝土不同齡期、不同配方試樣的各項常規(guī)指標測試結(jié)果表明:所配制的C40海工水泥混凝土，均滿足目前沿海水利工程的設(shè)計要求。其主要的物理化學試驗數(shù)據(jù)見表4、表5。

對該水閘工程采用某品牌42.5級海工水泥，課題組還委托國家建筑材料測試中心對其潛在膨脹性能、浸泡抗侵蝕性能進行了檢驗。檢測結(jié)果為:潛在膨脹性能為0.053%;浸泡抗侵蝕性能為1.12。

表4 某品牌42.5級海工水泥物理力學性能試驗成果Table 4 Test results of physical and mechanical performance for a 42.5 grade marine cement

表5 某品牌42.5級海工水泥化學性能試驗成果Table 5 Test results of chemical properties of a 42.5 grade marine cement

4.3 實例結(jié)果評價

實例結(jié)果表明，采用海工水泥拌制的海工混凝土各項指標良好，特別是具有較好的抵抗氯離子滲透能力，所以，海工水泥混凝土完全滿足沿海水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求，同時也滿足工程結(jié)構(gòu)其他各項設(shè)計要求。

從工程實例的整體效果來看，各工程采用海工水泥拌制的混凝土在早強要求得到滿足的同時，后期強度增長也達到設(shè)計要求。而且在抗侵蝕和抗沖磨方面的性能明顯優(yōu)于普通水泥，特別適合沿海大體積的水利工程。此外，海工水泥的安定性、三氧化硫、氧化鎂等指標都達到了相關(guān)標準，水化熱也小于普通水泥，對大體積混凝土的裂縫控制特別有利［6］。而且，海工水泥充分利用工業(yè)廢料，從節(jié)能環(huán)保角度來看，值得推廣應(yīng)用。

直接采用海工水泥制備海工混凝土，減少或避免了常規(guī)現(xiàn)場配制海工混凝土過程中的不足，諸如各種摻合料計量誤差、人工操作失誤、材料受氣候環(huán)境影響等不利因素，使得工程施工質(zhì)量控制得到提高，這對于大體積混凝土施工特別有利。

但是，海工水泥沒有大面積使用，除了目前對其有些性能還有待研究之外，還有如下的內(nèi)在原因:首先，其價格相對較高;其次，它的早強時間相對較長，這對潮汐環(huán)境下大體積混凝土施工有不利影響;另外，由于相關(guān)的標準規(guī)范尚在制定中，將其在設(shè)計和施工中大量推廣應(yīng)用還不夠成熟。

5 結(jié)語

當前，我國正處于大規(guī)模的建設(shè)時期，沿海水利工程混凝土建筑物承受氯鹽侵害是不可避免的。為了保證工程項目的正常使用和安全運營，需要提高這些工程混凝土的耐久性能，以降低氯鹽的侵蝕危害。本文的實例數(shù)據(jù)分析表明，對于沿海水利工程而言，為了解決海洋環(huán)境大體積混凝土的抗侵蝕能力問題，積極推廣應(yīng)用海工水泥勢在必行。

本文從水泥基材到實際工程運行多個方面，開展沿海地區(qū)水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的海工水泥應(yīng)用實踐研究，探明了海工水泥混凝土的各項工作性能，特別是取得了抗侵蝕能力方面的成果，對今后水利工程應(yīng)用海工水泥和進一步開展相關(guān)研究有一定的參考價值。

［1］文寨軍，王 晶，張忠倫.海工水泥的試驗研究［J］.中國建材科技，2001，(5):47－49.(WEN Zhai-jun，WANG Jing，ZHANG Zhong-lun，et al.Experimental Study on Marine Cement［J］.China Building Materials Science ＆ Technology，2001，(5):47 － 49.(in Chinese))

［2］亢景富.混凝土硫酸鹽侵蝕研究中的幾個基本問題［J］.混凝土，1995，(3):9 －18.(KANG Jing-fu.Several Basic Problems in the Research of Concrete Sulfate Corrosion［J］.Concrete，1995，(3):9 －18.(in Chinese))

［3］曹雙寅，朱伯龍.酸性腐蝕環(huán)境中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性預(yù)測［J］.結(jié)構(gòu)工程師，1990，(1):37－45.(CAO Shuang-yin，ZHU Bo-long.Prediction of Durability of Reinforced Concrete Structure in the Environment of Acid Corrosion［J］.Structural Engineers，1990，(1):37 －45.(in Chinese))

［4］翁友法，張 東.超細礦渣摻量對高強混凝土力學性能的影響［J］.港口工程，1998，(12):23－26.(WENG You-fa，ZHANG Dong.Influence of Amount of Super Fine Slag Added in High Strength Concrete upon Its Mechanical Property［J］.China Harbour Engineering，1998，(12):23 －26.(in Chinese))

［5］游寶坤，建筑結(jié)構(gòu)裂滲控制新技術(shù)［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，1998.(YOU Bao-kun.New Technology of Controlling Cracking Seepage of Buildings［M］.Beijing:China Building Materials Press，1998.(in Chinese))

［6］王玉香.海洋工程水泥的研究和開發(fā)［J］.上海建材，2005，(4):10 － 12.(WANG Yu-xiang.Research and Development of Marine Engineering Cement［J］.Shanghai Building Materials，2005，(4):10 － 12.(in Chinese ))