海水環(huán)境下水下不分散混凝土的耐久性研究

趙晶，朱振普，吳會軍

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)*

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海水環(huán)境下水下不分散混凝土的耐久性研究

趙晶，朱振普，吳會軍

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)*

優(yōu)選原材料、外加劑和礦物摻合料，設(shè)計4種配合比的C40水下不分散混凝土，采用陸上(L)、淡水(D)、海水(H)成型，在混凝土力學性能測試的基礎(chǔ)上，進行耐久性能(抗氯離子滲透)測試，特別是在干濕交替部位抗氯離子滲透性能.試驗表明，礦物摻合料能改善混凝土拌合物的流動性，對耐久性有積極的作用.

水下不分散混凝土；流動性；力學性能；耐久性能

0 引言

隨著陸地資源的緊缺，海洋資源的開發(fā)利用勢在必行，使混凝土水下施工工程越來越多[1].水下不分散混凝土從根本上解決了水下施工的問題.水下不分散混凝土是指摻加了抗分散劑后具有水下不分散性的混凝土[2- 5]. 由于水下不分散混凝土所處的環(huán)境特點，常常受到各種鹽離子侵蝕作用，耐久性問題變得嚴峻起來[6- 10]，本文在保證力學性能的基礎(chǔ)上通過摻加摻合料來提高混凝土的耐久性.

1 配合比設(shè)計

水下不分散混凝土的配合比應(yīng)滿足流動性、抗分散性，強度和耐久性的要求，本文設(shè)計C40混凝土，配合比設(shè)計如表1所示.表1中：①水泥基滲透結(jié)晶型防水劑是一種摻入混凝土內(nèi)部的粉狀材料，與水作用后，材料中含有的活性化學物質(zhì)通過載體向混凝土內(nèi)部滲透，在混凝土中形成不溶于水的結(jié)晶體，填塞毛細孔道，從而使混凝土致密、防水;②水下不分散混凝土抗分散劑(絮凝劑)指加入新拌混凝土中，使混凝土具有黏稠性，在水下澆筑施工時抑制水泥漿流失、骨料離析，使混凝土具有好的性能的外加劑;③聚羧酸高效減水劑與抗分散劑的兼容性較好.

表1 配合比設(shè)計

2 水下不分散混凝土力學性能研究

根據(jù)《水下不分散混凝土試驗規(guī)程》，采用陸上(L)、淡水(D)、海水(H)成型，進行標準養(yǎng)護，到測試齡期后進行抗壓強度測試.實驗結(jié)果如圖1、圖2所示.

(a)C1

(b)C2

(c)C3

(d)C4

圖2 海水組混凝土強度

根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn)，不同配合比的水下不分散混凝土淡水成型試件和海水成型試件的強度(抗壓強度)均低于陸上成型試件的強度.這是因為水下不分散混凝土雖然摻加了絮凝劑來增加拌合物的抗水洗能力，但是在水下成型澆筑時拌合物與水接觸，受水沖洗作用仍會造成混凝土拌合物部分水泥漿流失，導致水泥水化產(chǎn)物減少，形成的水泥石結(jié)構(gòu)疏松多孔，對強度產(chǎn)生負面影響.另外，根據(jù)圖1淡水和海水成型試件的強度折線圖發(fā)現(xiàn)，海水組試件的早期(3 d)強度高于淡水組試件的早期強度，而后期(28 d和56 d)強度低于淡水組試件的強度.這是因為海水中含有豐富的硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽等，在混凝土硬化的過程中，能提高水泥顆粒吸附水分子的能力，促使水泥水化使混凝土硬化速度變快.氯鹽能與水泥中的礦物組分C3A作用生成不溶性的復鹽氯鋁酸鈣(3CaO·Al2O3·3CaCl2·32H2O)，還能與C3S的水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成不溶性的復鹽氧氯化鈣(CaCl2·3Ca(OH)2·12H2O和CaCl2·Ca(OH)2·H2O)，這些復鹽降低了水泥水化液相中氫氧化鈣的濃度，從而促進水泥礦物組分水化.硫酸鹽能與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)生成顆粒很細小的石膏，它比水泥組分中的石膏與水泥熟料的反應(yīng)更快，與C3A反應(yīng)生成AFt.這些氯鋁酸復鹽和AFt生成后體積膨脹，使水泥石的結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高了海水養(yǎng)護試件的早期強度.28d以后淡水組試件的水泥水化程度繼續(xù)增大，強度也逐漸提高，而海水組試件在水泥水化的同時還伴隨著各種鹽類(主要是硫酸鹽、鎂鹽、氯鹽)的侵蝕，強度增長變緩.

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)，28 d及以后摻加硅灰試件的強度最高，摻加沸石粉和防水劑試件的強度次之，摻加粉煤灰和礦粉試件的強度最低.

3 抗氯離子滲透試驗

本實驗采用陸上(L)、淡水(D)、海水(H)三種成型方式澆筑尺寸為100 mm×100 mm×300 mm試件.將陸地和淡水成型的試件豎直放入淡水養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，海水成型的試件豎直放入海水養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護；養(yǎng)護時將試件平均分成三段，最下面的一段水養(yǎng)護，中間的一段干濕交替養(yǎng)護(12 h水養(yǎng)護，12 h空氣養(yǎng)護)，最上面的一段空氣養(yǎng)護；養(yǎng)護到測試齡期后，用混凝土切割機從100 mm×100 mm×300 mm的試件上取下三種不同養(yǎng)護方式的中間切片(100 mm×100 mm×50 mm)作為測試氯離子擴散系數(shù)的試件，然后用NEL―PDR型氯離子擴散系數(shù)快速測定儀和配套的NEL―VJH型混凝土智能真空飽水機進行試驗.實驗數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示.

(a)C1

(b)C2

(c)C3

(d)C4

圖4 海水養(yǎng)護部分氯離子滲透系數(shù)

根據(jù)圖3可以看出，不同配合比混凝土的水中養(yǎng)護部分的抗氯離子滲透性最高，干濕交替養(yǎng)護部分的抗氯離子滲透性次之，空氣養(yǎng)護部分的抗氯離子滲透性最低.在同一種養(yǎng)護方式的前提下，不同的成型方式對混凝土抗氯離子滲透的影響是不同的，表現(xiàn)為海水組試件的滲透系數(shù)大于淡水組試件的滲透系數(shù)大于陸上組試件的滲透系數(shù).

根據(jù)圖4可以看出，整體上摻防水劑試件的氯離子滲透性最小，摻加硅灰和沸石粉試件的氯離子滲透系數(shù)居中，摻加粉煤灰礦粉的試件氯離子滲透系數(shù)最大. 防水劑與水作用后，材料中含有的活性化學物質(zhì)通過載體向混凝土內(nèi)部滲透，在混凝土中形成不溶于水的結(jié)晶體，填塞毛細孔道，從而使混凝土致密，增大抗?jié)B性，提高耐久性.

摻加礦物摻合料后，礦物摻合料中的活性氧化硅和氧化鋁與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣凝膠，增強了混凝土對氯離子的結(jié)合和吸附能力；生成的水化硅酸鈣凝膠以及未反應(yīng)的細小礦物摻合料顆粒很好的填充了混凝土的孔隙，使混凝土的孔結(jié)構(gòu)得到改善，孔隙率大幅下降，孔徑減小，孔結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)化.所以摻加礦物摻合料后混凝土的氯離子滲透系數(shù)顯著降低.從實驗數(shù)據(jù)看出，摻加粉煤灰礦粉、海水成型、空氣養(yǎng)護試件的氯離子滲透系數(shù)最大，但是依據(jù)表2仍能達到中等滲透性.

表2 混凝土滲透性評價標準

4 結(jié)論

(1)水下不分散混凝土水中成型組試件強度低于陸上成型組試件強度；

(2)相同配合比，海水組試件的早期強度高于淡水組試件的早期強度而其后期強度則低于淡水組試件.因為海水中有硫酸鹽、氯鹽、鎂鹽等，能提高水泥顆粒吸附水分子的能力，促使水泥水化使混凝土硬化速度變快，起到了早強劑的作用，但到后期淡水組試件水泥繼續(xù)水化，強度提高而海水組試件水泥水化的同時還伴隨著海水侵蝕；

(3)摻加防水劑試件的抗?jié)B性效果最好，硅灰和沸石粉次之，粉煤灰和礦粉最低.礦物摻合料不僅對拌合物的和易性有利，而且對混凝土的強度有積極影響，進而提高混凝土的耐久性.

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[3]左志剛．水下不分散混凝土配合比設(shè)計[J]．港工技術(shù)，2010,47(6):21- 23.

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[5]JOSEPH J,ASSAAD,CAMILLE A,et al.Mechanisms of strength loss in underwater concrete[J].Materials and Structures,2013，46(10):1613- 1629.

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[10]張長民，韓雪燕，周偉，等．水下不分散混凝土的新進展[J]．混凝土，2004(2):7- 9.

Durability Study of Non-Dispersion Underwater Concrete in Sea Water Environment

ZHAO Jing，ZHU Zhenpu，WU Huijun

(School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Raw material, admixture and mineral admixtures are selectied, and four group mix proportions of non-dispersible underwater concrete are designed with strength of C40 and are made in three conditions:on the land,in fresh water and in seawater. Based on testing of physics mechanical Properties,underwater concrete durability the (resistance to chloride ion penetration) is emphatically studied.The results show that mineral admixtures can improve the fluidlity and durability remarkably.

on-dispersible underwater concrete；liquidity;mechanical properties；durability

1673- 9590(2017)01- 0086- 04

2016- 01- 09

國家自然科學基金資助項目(51472040)

趙晶(1964-)，女，教授，博士，主要從事道路工程材料研究

E-mail:zjing@sohu.com.

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