某碼頭胸墻海工高性能混凝土配制技術(shù)及性能研究

王亞州 劉毅強(qiáng)

摘 要：通過對沙特東部地區(qū)混凝土原材料試驗以及胸墻結(jié)構(gòu)服役耐久性要求，設(shè)計出摻入粉煤灰、硅灰、礦粉等不同外摻料的6個初始配合比；通過對各配合比的工作性能和力學(xué)性能以及耐久性等指標(biāo)進(jìn)行試驗對比，優(yōu)選出雙摻粉煤灰和礦粉，滿足海工高性能要求的碼頭胸墻混凝土配合比。

關(guān)鍵詞：氯離子滲透；摻合料；水膠比；漿骨比；TG-DSC；孔結(jié)構(gòu)

中圖分類號： U2.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）21-109-31 概述

沙特海爾港四期碼頭工程地處波斯灣海岸，屬Ⅲ類環(huán)境即海水氯化物引起鋼筋銹蝕的近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境。該工程主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括預(yù)制方塊及碼頭胸墻，碼頭岸線全長1258米（含南北側(cè)拐角段），碼頭前沿長度1058米。碼頭胸墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于浪濺區(qū)內(nèi)，環(huán)境作用等級為E～F級，即腐蝕非常嚴(yán)重或極端嚴(yán)重。為保證碼頭工程構(gòu)件達(dá)到設(shè)計使用壽命50年的要求，需要對混凝土進(jìn)行耐久性設(shè)計?；炷敛牧系哪途眯允墙Y(jié)構(gòu)耐久性的前提和基礎(chǔ)，對混凝土材料耐久性參數(shù)的研究和控制是當(dāng)前土木工程領(lǐng)域保證結(jié)構(gòu)使用壽命的基本方法。

2 環(huán)境特點(diǎn)及混凝土技術(shù)要求

①工程地處沙特沙漠地帶，混凝土用骨料與國內(nèi)有較大區(qū)別，主要體現(xiàn)在細(xì)骨料為沙丘沙，細(xì)度模數(shù)小；粗骨料均來自沙漠地表下的巖石破碎，該巖石普遍存在風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，吸水率高，石料表面孔洞明顯，給高抗?jié)B性混凝土的配制帶來一定難度。②沙特地區(qū)粉煤灰等礦物摻合料資源匱乏，考慮到工程耐久性與經(jīng)濟(jì)性的平衡，同時工程結(jié)構(gòu)為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，大體積混凝土溫控防裂形式嚴(yán)峻。③沙特地區(qū)年均溫度高，晝夜溫差大，且處于腐蝕等級較高的近?；蚝Ｑ蟓h(huán)境，混凝土抗裂性、抗氯離子滲透性、抗碳化性等耐久性要求高。④本工程胸墻混凝土的強(qiáng)度等級為C40，采用泵送施工工藝，同時胸墻混凝土為大體積混凝土，考慮溫度開裂。

3 原材料試驗

3.1 水泥

本工程選擇的水泥為Easten Cement水泥廠生產(chǎn)的Type I型OPC（Ordinary Portland Cement 普通硅酸鹽水泥），其物理力學(xué)性能見表3.1。

3.2 粉煤灰

沙特本地以石油為主要燃料，各資源匱乏，硅粉和高爐礦渣均來自中國，粉煤灰來自印度，其物理性能見表3.2。

3.3 細(xì)集料

混凝土細(xì)集料為沙丘砂，來自沙特東部沙漠地區(qū)，其物理性能指標(biāo)見表3.3。

3.4 粗集料

本工程選擇的粗集料均來自沙漠地表下的巖石破碎，該巖石普遍存在風(fēng)化嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，吸水率高。粗集料為2級配碎石，其物理性能指標(biāo)見表3.4。

3.5 外加劑

本工程選用西卡外加劑，減水率為28%。

4 配合比設(shè)計思路及參數(shù)選擇

4.1 配合比設(shè)計原則

碼頭胸墻混凝土配合比設(shè)計以耐久性為核心，抗裂性和抗?jié)B性并重，同時兼顧混凝土工作性能，確保各項性能均衡發(fā)展。

4.2 配合比設(shè)計參數(shù)選擇

①水膠比。本結(jié)構(gòu)混凝土所處的環(huán)境腐蝕等級較高，根據(jù)強(qiáng)度等級、耐久性要求，碼頭胸墻混凝土水膠比可控制在0.32～0.35。

②漿骨（體積）比。在水膠比一定的情況下的用水量或膠凝材料總量，或骨料總體積用量即反映漿骨比。對于泵送混凝土，按表4.1選擇，同時參照國內(nèi)外規(guī)范中對最小和最大膠凝材料的限定范圍，由試配拌和物工作性確定，取盡量小的漿骨比值。水膠比一定時，漿骨比小的，強(qiáng)度會稍低、彈性模量會稍高、體積穩(wěn)定性好、開裂風(fēng)險低，反之亦然。

③砂率。本工程粗細(xì)集料與國內(nèi)差異較大，其中粗集料多為巖石風(fēng)化形成，表面較為粗糙，為保證混凝土工作性滿足施工要求，需要適當(dāng)增加混凝土的砂率；同時本工程所用細(xì)集料為沙丘沙，細(xì)度模數(shù)小，當(dāng)砂率較大時，容易引起混凝土體積穩(wěn)定性差，導(dǎo)致混凝土開裂，綜合兩者之間的平衡，通過試驗方法確定本工程混凝土的砂率在40%～43%之間。

4.3 礦物摻合料摻量

本工程中，對抗裂要求較高的胸墻大體積混凝土考慮摻入礦粉和粉煤灰。

5 碼頭胸墻配合比設(shè)計及性能研究

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書對混凝土的技術(shù)要求，對混凝土關(guān)鍵參數(shù)的初步范圍確定，同時考慮到現(xiàn)澆大體積混凝土的開裂敏感性，提出6個初步配合比采用現(xiàn)場原材料開展了混凝土配制工作，在試驗過程中測試了混凝土的坍落度及坍落度損失（5min，30min及60min），含氣量及容重。分別留樣測抗壓強(qiáng)度（1d，7d &28d），劈裂抗拉強(qiáng)度（28d）以及抗氯離子滲透性（28d）和抗水滲性能（28d），比選出最優(yōu)胸墻海工高性能混凝土配合比。設(shè)計配合比如表5.1所示。

5.1 新拌混凝土工作性

混凝土試驗過程中，對混凝土的坍落度、出機(jī)溫度、容重及含氣量進(jìn)行了測量，并測量了混凝土1h內(nèi)的坍落度損失，試驗結(jié)果如表5.2所示。

從表5.2中可以看出，新拌混凝土的坍落度均大于160mm，混凝土流動性較好，完全滿足泵送混凝土的施工要求。從試驗結(jié)果可以看出，混凝土坍落度損失較大，尤其是參加硅灰的配合比，與不參加硅灰的配合比比較而言坍落度損失較快，30min后坍落度降低到130mm，造成混凝土流動性變差，不利于混凝土施工。從現(xiàn)場試拌結(jié)果看混凝土勻質(zhì)性較好，不泌水，粘聚性好。

5.2 力學(xué)性能及耐久性

混凝土硬化后對其1d、7d、28d抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測定用以表征混凝土的力學(xué)強(qiáng)度，對其電通量及抗水滲性能測定用以表征混凝土的耐久性能。表5.3為不同配合比下混凝土力學(xué)性能及耐久性能檢測結(jié)果。

從表5.2及表5.3中可以看出，6個配合比的工作性、力學(xué)性能及耐久性能均能滿足設(shè)計要求。4#與6#配合比膠凝材料用量較大，且粉煤灰用量大，考慮到混凝土早期強(qiáng)度較低，服役環(huán)境惡劣，容易導(dǎo)致耐久性不能滿足要求。2#與5#配合比均使用了硅灰，混凝土的坍落度損失較大，容易使得混凝土的工作性較難控制，開裂敏感性強(qiáng)，硅灰的摻入增加了混凝土的開裂風(fēng)險，不建議使用。1#配合比與3#配合比性能相近，且力學(xué)性能、抗氯離子滲透性能優(yōu)異，考慮到胸墻混凝土均位于水面以上，除抗?jié)B性外混凝土的抗碳化性能也尤為重要。為保證工程質(zhì)量，現(xiàn)從抗裂性、抗碳化性能及微觀層面對配合比1#和3#進(jìn)行優(yōu)選。

5.2.1 抗裂性

。5.2.2 抗?jié)B性

5.2.3 抗碳化

胸墻混凝土位于水面浪濺區(qū)和水上區(qū)，在當(dāng)?shù)馗邷馗邼癍h(huán)境下，混凝土很容易因碳化引起腐蝕。為保證混凝土質(zhì)量，現(xiàn)對兩配合比的抗碳化性能進(jìn)行比較。（表5.5）

由28d碳化深度可知，粉煤灰與礦粉復(fù)摻較單摻粉煤灰抗碳化性能略有改善。研究表明，影響碳化的最主要因素是混凝土本身的密實性和堿性物質(zhì)儲備的大小，即混凝土的滲透性及其Ca（OH）2堿性物質(zhì)

含量的大小。因此，分別從測量混凝土內(nèi)

Ca（OH）2含量和其孔結(jié)構(gòu)分析兩方面來分析。

①TG-DSC分析。TG-DSC分析是一種通過測量不同溫度下物質(zhì)質(zhì)量的變化來分析物質(zhì)化學(xué)組成及其含量的方法。一般來說，在溫度升高的過程中，水泥水化產(chǎn)物中的自由水在100℃以下脫去，在100℃～400℃時孔隙水和層間水脫去，在400℃～600℃時Ca（OH）2分解，

而CaCO3在溫度達(dá)到700℃之后分解。圖5.3為混凝土的TG-DSC曲線。

TG-DSC分析的試樣取自不同粉煤灰摻量混凝土未經(jīng)過碳化的混凝土試樣和經(jīng)過28天碳化的混凝土試樣，從混凝土中提取水泥漿體，并磨細(xì)過80μm篩后進(jìn)行熱重分析。分析主要針對單摻粉煤灰的1#配合比試樣、粉煤灰礦粉復(fù)摻的3#配合比試樣進(jìn)行。圖5.4為不同配比混凝土在碳化前后的DSC曲線。由圖中可以看出水泥漿體中Ca（OH）2的吸熱峰大概在

437℃左右，CaCO3的吸熱峰大約在723℃左右。對比未被碳化混凝土的DSC曲線，雙摻粉煤灰和礦粉的3#配合比試樣弱于單摻粉煤灰試樣。經(jīng)過28天的碳化反應(yīng)后，試樣的DSC曲線中均無明顯的Ca（OH）2吸熱峰出現(xiàn)。

CaCO3的分解區(qū)間640℃-800℃計算。表5.6為不同配比混凝土試樣內(nèi)部Ca（OH）2和 CaCO3的含量計算結(jié)果。

根據(jù)計算結(jié)果可看出，對于不同配比的混凝土試樣，單摻粉煤灰的試樣1#配合比試樣與粉煤灰礦粉復(fù)摻的3#配合比試樣相比，Ca（OH）2含量相對較高一些，這主要由混凝

土配比中的水泥用量決定。3#配合比試樣中礦粉替代了部分水泥用量，故其內(nèi)部Ca（OH）2量更低。

根據(jù)碳化機(jī)理分析，混凝土的碳化反應(yīng)基于混凝土內(nèi)部Ca（OH）2的消耗。對比兩種配比的混凝土，Ca（OH）2含量較高的3#試樣內(nèi)部用于碳化反應(yīng)消耗的堿含量更高，從這方面來說，更有利于混凝土的抗碳化性能。相比起來，1#配合比試樣中堿含量相對較低，更易受到外界CO2的侵入而發(fā)生碳化。

②孔結(jié)構(gòu)?？捉Y(jié)構(gòu)的測試結(jié)果見圖5.2。結(jié)果表明，粉煤灰與礦粉的復(fù)摻相對于單摻粉煤灰來說，引起混凝土中的大孔向中小孔轉(zhuǎn)化，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為均勻；基于Ca（OH）2量的變化和孔結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)能夠很好解釋粉煤灰和礦粉復(fù)摻能提高抗碳化性能。綜合以上試驗研究結(jié)果，3#配合比的耐久性能優(yōu)于1#配合比。

6 結(jié)論

通過對原材料的試驗選擇和配合比試配，以及對試驗樣本的性能對比分析，優(yōu)選出3#配合比為碼頭胸墻海工高性能混凝土的最佳配合比。

參 考 文 獻(xiàn)

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