防裂抗蝕增塑（減水）劑在機制砂海工混凝土中的應用

葉軍，張兵文，金文會，李立君

（1.中建港務建設有限公司，上海 200433；2.四川鐵科新型建材有限公司，四川 成都 610404）

0 引言

混凝土從普通混凝土、特種混凝土、高強混凝土到目前倡導的高性能混凝土、綠色高性能混凝土經(jīng)歷了漫長而快速的發(fā)展，在整個發(fā)展變化過程中，外加劑的應用起著重要的推動作用[1-3]。在當今的混凝土工程中已成為不可缺少的第五組分（膠凝材料、砂、石、水、外加劑），外加劑的摻入可滿足滑模、泵送、噴射、自密實、大流動等新型施工工藝的技術要求[4-5]；可獲得良好的混凝土的流動性、可塑性、密實性、抗?jié)B性、抗凍性、抗蝕性、抗沖磨性、抗碳化性、抗堿骨料反應性、抗裂減縮性，以及快硬、緩凝、高強、早強等方面的優(yōu)越性能；可節(jié)約水泥，降低能耗、縮短施工周期和提高施工質(zhì)量、改善勞動條件，提高生產(chǎn)工藝，加快模板周轉和場地利用率，技術、經(jīng)濟和社會效益極其顯著[6]。

吉布提多哈雷港口工程處于亞丁灣地區(qū)航運要道曼德海峽附近，成為紅海進出印度洋的主要水道。由于該地區(qū)上游四季缺水，不少國家通過淡化海水獲取生活用水，海水淡化過程中產(chǎn)生的富含氯離子的廢水回排曼德海峽，造成吉布提多哈雷港口工程周圍海水中鹽度高達150 000 mg/kg，居世界之最，遠高于常規(guī)海水中35 000 mg/kg，其含量是常規(guī)海水中的4.3倍，根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標準JTS 153-2—2012《水運工程結構耐久性設計標準》的劃分規(guī)定，屬于海水環(huán)境中非常嚴重的環(huán)境作用等級；加之該地區(qū)常年平均氣溫在40℃以上，日照強烈，酷熱環(huán)境中氯離子擴散系數(shù)增大，鋼筋銹蝕加劇，混凝土結構耐久性成為該工程中需要重點關注的問題[4]。

對于處于氯鹽環(huán)境中的混凝土構筑物，如海洋環(huán)境、地下鹽漬土環(huán)境等，氯離子侵蝕是沿?；炷两ㄖ锔g破壞的最重要的原因之一[5]。由于混凝土材料的多孔性特點，隨著混凝土結構建筑物投入使用，來自外部海水、鹽霧、鹽漬土中的氯離子就會進入混凝土內(nèi)部，破壞混凝土中鋼筋表面的鈍化膜，進而導致鋼筋銹蝕，混凝土保護層膨脹剝落破壞。同時，鎂鹽在海水中含量較大，滲入混凝土中也會發(fā)生化學反應，削弱骨料界面黏結力，降低混凝土強度，影響混凝土力學性能和耐久性能。

本研究針對以上情況，在超高氯離子含量、常年超高溫酷熱、干濕交替等環(huán)境下，對防裂抗蝕增塑（減水）劑改良機制砂海工混凝土的工作性、力學性和耐久性展開研究。結合海工混凝土使用機制砂過程中存在的難點，結合工程現(xiàn)場施工技術要求[6]，從防裂抗蝕增塑（減水）劑的組份著手研究，調(diào)試配方，提出可提升混凝土工作性和耐久性的防裂抗蝕增塑（減水）劑的配方[7]。對摻入防裂抗蝕增塑（減水）劑的混凝土進行性能測試與評價，再次優(yōu)化防裂抗蝕增塑（減水）劑的設計配方，使海工混凝土的工作性能和耐久性符合要求，并以此指導工程施工。本研究旨在針對項目的實際施工情況，研究高性能功能性防裂抗蝕增塑（減水）劑，除滿足現(xiàn)場施工工作性之外，提升機制砂海工混凝土在極端海工環(huán)境下的防裂抗蝕、抗沖耐磨、密實減縮防滲、防碳化等耐久性能[8]。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

42.5N水泥（巴基斯坦）、F類一級粉煤灰（印度）、硅粉（上海天愷940D）、粗骨料（中國土木碎石）、細骨料（中國土木機制砂）。本試驗采用的高性能防裂抗蝕增塑（減水）劑為針對機制砂混凝土研發(fā)的T-R1型和針對海工混凝土研發(fā)的T-R2型，配方見表1，其中A、B為增加水泥分散性組分，C為保坍組分，DE為無氯增強組分，DA為無機納米級增強組分，DF為消泡組分，W為去離子水，DJ、DT為緩凝組分。

表1 新研發(fā)的不同型號的防裂抗蝕增塑（減水）劑質(zhì)量比配方Table 1 Mass ratio formula of anti-crack corrosionresistant plasticizer(water reducing agent)of different models

以上原材料均符合國家相應標準。

1.2 試驗方案

混凝土性能檢測試驗方法依據(jù)現(xiàn)行國家標準GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》和GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》；對防裂抗蝕增塑（減水）劑的檢測標準依據(jù)GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》。

混凝土設計要求為C40 P8海工混凝土，根據(jù)工程環(huán)境實際情況及設計要求，開展不摻外加劑、分別摻加T-R1和T-R2型防裂抗蝕增塑（減水）劑的混凝土對比試驗研究，試配試驗中，控制混凝土拌合物初始坍落度為（200±20）mm，檢測硬化后的混凝土性能指標，根據(jù)試驗結果，通過對T-R1和T-R2型兩種外加劑配方中的原料組分及作用機理進行分析研究，調(diào)整防裂抗蝕增塑（減水）劑的配方組份比例，從而配制出新的T-F型防裂抗蝕增塑（減水）劑，摻入混凝土后，再開展混凝土的相關性能試驗。

2 數(shù)據(jù)和分析

2.1 兩種試配防裂抗蝕增塑（減水）劑對混凝土性能影響

混凝土設計強度等級為C40 P8海工混凝土，配合比見表2，其中粉煤灰摻量為15%，硅粉摻量為5%，混凝土拌合物的初始坍落度控制在（200±20）mm范圍內(nèi)，其中基準組未摻加任何外加劑，使用兩組不同配方的防裂抗蝕增塑（減水）劑，在控制混凝土拌合物的初始坍落度滿足（200±20）mm時的摻量均為1.0%。

表2 C40 P8海工混凝土配合比Table 2 C40 P8 marine concrete mix proportion

兩種防裂抗蝕增塑（減水）劑對混凝土擴展度、坍落度損失、含氣量的影響見表3，使用T-R1的混凝土初始坍落度、擴展度、1 h坍落度相對較好，使用T-R1和T-R2試驗的含氣量稍有差別。

表3 防裂抗蝕增塑（減水）劑對混凝土拌合物性能的影響Table 3 Influence of anti-crack corrosion-resistant plasticizer(water reducing agent)on concrete mixtures

兩種防裂抗蝕增塑（減水）劑對混凝土的力學性能和耐久性能的影響見表4。數(shù)據(jù)表明，摻加兩種外加劑的試驗組混凝土性能指標均優(yōu)于基準組混凝土，抗?jié)B等級明顯提高，電通量明顯降低，收縮率明顯減小，尤其摻加T-R2型試驗組的收縮率與基準組相比，下降幅度為74%，下降幅度明顯，大大提高了混凝土的抗裂性能。兩種防裂抗蝕增塑（減水）劑對混凝土抗壓強度、抗?jié)B性能、收縮率和電通量性能指標的影響不同，其中摻加T-R1型的混凝土抗壓強度較高，摻加T-R2型的混凝土的抗?jié)B、收縮和電通量性能相對優(yōu)良，試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 抗蝕增塑劑對混凝土力學及耐久性能的影響Table 4 Influence of anti-corrosion plasticizer on mechanics and durability of concrete

對比混凝土性能的試驗結果，通過分析研究T-R1、T-R2的原始配方發(fā)現(xiàn)，配方Ⅰ中增加水泥分散性的A原料和增加混凝土強度的DE原料的用量有別于配方Ⅱ，配方Ⅱ中增加混凝土保坍性的C原料和增加混凝土密實性的DA、DT原料的用量有別于配方Ⅰ。摻入T-R1力學性能較優(yōu)，而摻入T-R2混凝土具備更好的耐久性能。因此，調(diào)整原料間比例，得到T-F型防裂抗蝕增塑（減水）劑，配方見表5。

表5 防裂抗蝕增塑（減水）劑質(zhì)量比配方Table 5 Mass ratio formula of anti-crack corrosionresistant plasticizer(water reducing agent)

2.2 調(diào)整配方后的防裂抗蝕增塑（減水）劑對C40 P8海工混凝土的性能影響

對新調(diào)配的T-F型防裂抗蝕增塑（減水）劑進行勻質(zhì)性檢測，試驗結果見表6。

表6 T-F型防裂抗蝕增塑（減水）劑檢測結果Table 6 Test result of T-F anti-crack corrosion-resistant plasticizer(water reducing agent)

根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標準JTS 153-2—2012《水運工程結構耐久性設計標準》的規(guī)定，海水環(huán)境中浪濺區(qū)鋼筋混凝土結構中混凝土的最大水膠比不應大于0.40，化學腐蝕環(huán)境中非常嚴重的化學作用等級下，混凝土最大水膠比不應大于0.36?，F(xiàn)將混凝土水膠比設定為0.36，T-F摻量1.0%，進行相關性能試驗。試驗數(shù)據(jù)表明，加入T-F防裂抗蝕增塑（減水）劑后，混凝土坍落度為215 mm，擴展度為600 mm，混凝土流動性好，混凝土坍落度經(jīng)時損失小，可以滿足現(xiàn)場海工混凝土施工性能要求。混凝土28 d抗壓強度為55.5 MPa，滿足C40混凝土配制強度要求；混凝土28 d收縮率為0.034%，抗?jié)B等級為P14、抗蝕系數(shù)為0.93，電通量為761 C，混凝土抗?jié)B能力較高，耐久性能指標優(yōu)異。根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標準JTS 153-2—2012《水運工程結構耐久性設計標準》的規(guī)定，對于鋼筋混凝土結構工程，海水環(huán)境高性能混凝土抗氯離子滲透性最高限值不應大于1 000 C；對于有抗?jié)B要求的混凝土，當最大作用水頭與混凝土壁厚抗?jié)B等級大于20時，混凝土抗?jié)B等級不應小于P12，處于硫酸鹽化學侵蝕環(huán)境中的混凝土結構，膠凝材料抗蝕系數(shù)不得小于0.80，試驗結果表明，配制的C40 P8海工機制砂混凝土耐久性能指標均滿足現(xiàn)行標準要求。

3 試驗結果

針對吉布提多哈雷港口項目，研制T-F型防裂抗蝕增塑（減水）劑并開展其在機制砂海工混凝土中的試驗研究。

1）加入T-F防裂抗蝕增塑（減水）劑后，混凝土坍落度為215 mm，擴展度為600 mm，混凝土流動性好，混凝土坍落度經(jīng)時損失小，有效解決了機制砂海工混凝土工作性較差的問題；

2）加入T-F防裂抗蝕增塑（減水）劑后，混凝土28 d抗壓強度為55.5 MPa，滿足C40混凝土配制強度要求；

3）混凝土28 d收縮率為0.034%，抗?jié)B等級為P14，抗蝕系數(shù)為0.93，電通量為761 C，混凝土抗?jié)B能力較高，耐久性能指標優(yōu)異。

4 結語

沿海工程中，在地材滿足相關技術要求的前提下，通過合理搭配摻合料，使用具有功能型的防裂抗蝕增塑（減水）劑配制混凝土，體現(xiàn)出了提高海工混凝土耐久性能、控制混凝土體積穩(wěn)定性、提高工作效率、降低施工成本等顯著優(yōu)點。

通過吉布提多哈雷港口的試點應用，防裂抗蝕增塑（減水）劑充分展現(xiàn)出優(yōu)異性能。隨著技術的不斷創(chuàng)新更替，這種新型復合功能型外加劑必將助力我國“一帶一路”的基礎建設工程前進的步伐。