引洮二期工程卵石混凝土耐久性研究

梁大蘊

（1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅信創(chuàng)水利水電工程質(zhì)量檢測有限公司，甘肅 蘭州730000）

引洮工程是為解決甘肅河?xùn)|地區(qū)水資源匱乏而建的民生工程，工程區(qū)處于黃土高原地帶，品質(zhì)優(yōu)良的骨料資源極其匱乏，碎石運輸?shù)焦こ虆^(qū)的距離普遍在100 km以上，為避免由于骨料資源短缺對工程進(jìn)度、工程質(zhì)量產(chǎn)生影響，研究用當(dāng)?shù)芈咽Y源解決骨料的難題。碎石開采對環(huán)境危害較大，國家對環(huán)境保護(hù)日益重視，研究利用卵石制備水工混凝土具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

混凝土的耐久性是混凝土抵抗自身和環(huán)境介質(zhì)作用并長期保持其良好的使用性能和外觀完整性，從而維持混凝土結(jié)構(gòu)的安全、正常使用的能力。國內(nèi)外關(guān)于卵石混凝土耐久性的研究較少，研究也不全面，尤其水利工程對卵石混凝土耐久性的研究尚不全面。卵石表面光滑，水泥漿水化產(chǎn)生的Ca(OH)2在卵石表面集中較多，對混凝土耐久性有一定的影響[1-4]。

卵石混凝土因其采用的粗骨料較為特殊，導(dǎo)致其材料與性能方面與普通混凝土存在差異，故其耐久性與普通混凝土有相似之處，但也有其特殊性，隨著水利工程設(shè)計使用年限的提高，卵石混凝土的耐久性也更需展開全面的研究。

1 實驗原材料及方法

1.1 粗骨料

根據(jù)水工混凝土施工規(guī)范的要求，粗骨料粒徑要求為5~20mm、20~40mm等，隧洞混凝Z土襯砌施工多采用泵送，結(jié)合泵送混凝土對骨料最大粒徑的要求，研究選用最大骨料粒徑為40mm的二級配骨料，粗骨料的主要性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 實驗用粗骨料物理性能指標(biāo)

為確定粗骨料的最佳摻配比例，通過實驗確定5~20∶20~40骨料最佳摻配比例為4∶6時堆積密度最大，骨料的空隙率最低，后續(xù)實驗研究選用此摻配比例。

1.2 其他原材料

研究所用水泥為祁連山P·O 42.5水泥，性能測試如表2所示。

細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為3.2（以經(jīng)過實驗論證），含泥量為1.2%。粉煤灰為F類Ⅱ級灰，活性指數(shù)為75.2%。外加劑為引氣減水劑，減水率為16.2%，含氣量為3.5%，水工混凝土施工規(guī)范要求具有抗凍性能的混凝土均需摻入引氣劑。

表2 水泥性能測試結(jié)果

2 和易性和力學(xué)性能影響

為了解卵石和碎石作為粗骨料配制出混凝土性能的差異，選取固定用水量，不同水膠比，通過適配使得混凝土工作性能達(dá)到設(shè)計要求并測定其力學(xué)指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。

2.1 初設(shè)配合比

根據(jù)施工經(jīng)驗，泵送混凝土的坍落度要達(dá)到160~180mm才不至于發(fā)生堵管和澆注不密實現(xiàn)象。初設(shè)配合比配置C25混凝土，用水量初選165 kg/m3，外加劑摻量用推薦產(chǎn)量1.6%，實驗測得不同水膠比下坍落度均小于160mm，工作性能不能滿足要求。初設(shè)配合比如表3所示。

2.2 調(diào)整配合比

表3 初設(shè)配合比

調(diào)整用水量為175 kg/m3，測得混凝土的工作性能滿足初設(shè)要求，且拌合物未發(fā)生泌漿、抓地等現(xiàn)象。卵石混凝土水膠比低于0.48時28 d抗壓強(qiáng)度＞31.6MPa，碎石混凝土水膠比低于0.50時28 d抗壓強(qiáng)度>31.6MPa。同配合比卵石混凝土大于碎石混凝土；同配合比碎石混凝土抗壓強(qiáng)度高于卵石混凝土。卵石混凝土抗壓強(qiáng)度為0.48與碎石混凝土水灰比0.50時抗壓強(qiáng)度約相等，確定為同強(qiáng)度等級。測試結(jié)果如表4所示。

同配合比卵石混凝土工作性能優(yōu)于碎石混凝土[5-6]，主要原因是：卵石表面光滑，骨料之間的摩擦阻力較小，流動性好；卵石吸水量較小，自由水多于碎石混凝土，自由水是影響混凝土流動性的最主要因素之一。

表4 調(diào)整后配合比

3 耐久性結(jié)果與討論

目前混凝土結(jié)構(gòu)最顯著地要求是具有良好的耐久性，水工混凝土耐久性表現(xiàn)在具有良好的抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化性能、抗硫酸鹽侵蝕性能等。對比卵石混凝土的耐久性，以確定卵石混凝土耐久性是否滿足配制要求?？紤]到引洮工程處于山大溝深的地段，摻合料架罐困難，只摻入粉煤灰，不能滿足耐久性要求時，通過降低水膠比、砂率和外加劑等措施來實現(xiàn)達(dá)到耐久性的目的。

3.1 抗?jié)B性能

混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部是一種多孔結(jié)構(gòu)，氣體、氯離子等在毛細(xì)管的作用下滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生擴(kuò)散，使混凝土內(nèi)部的鋼筋生銹。鋼筋生銹會發(fā)生體積膨脹致使混凝土開裂，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。同強(qiáng)度、同強(qiáng)度混凝土抗氯離子滲透性能如圖1所示。

圖1 混凝土抗氯離子滲透性能

從圖1可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長抗氯離子滲透性能逐步增強(qiáng)，其中同配合比，碎石混凝土抗?jié)B性能優(yōu)于卵石混凝土，同強(qiáng)度等級卵石混凝土和碎石混凝土抗氯離子滲透性能差異不大。分析其原因為：碎石表面粗糙，水泥漿與骨料粘接更加牢固，氯離子在界面之間的滲透速率低于卵石混凝土。卵石混凝土和碎石混凝土抗氯離子滲透性能均能滿足設(shè)計要求。

3.2 抗碳化性能

混凝土的抗碳化性能也是影響耐久性的主要因素之一。大氣中的二氧化碳與水泥水化生成的Ca(OH)2反應(yīng)，從而使混凝土內(nèi)部堿度減低，使得鋼筋表面鈍化膜破壞而發(fā)生鋼筋銹蝕。同配合比、同強(qiáng)度混凝土抗碳化性能如表5所示。

表5 同配合比、同強(qiáng)度混凝土的抗碳化性能

從表5可以看出，卵石混凝土與碎石混凝土的抗碳化性能差異不大。

3.3 抗凍性能

混凝土的抗凍性能的影響因素有水膠比、水泥品種、礦物摻合料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及孔的多少。其中孔結(jié)構(gòu)最主要的影響因素為水膠比，水膠比過大內(nèi)部孔越大、數(shù)目越多，在寒冷環(huán)境中內(nèi)部水的結(jié)晶壓力很大，結(jié)晶壓力對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

引洮工程處于嚴(yán)寒地區(qū)，設(shè)計要求混凝土抗凍等級有F50、F100、F150、F200等，實驗研究對比卵石混凝土和碎石混凝土抗凍性能的差異，結(jié)合工程實際情況對比同強(qiáng)度卵石混凝土（水灰比0.48）和碎石混凝土（水灰比0.50）是否能夠達(dá)到F200等級的要求。測試結(jié)果如圖2，3所示。

圖2 凍融彈性模量損失

圖3 凍融質(zhì)量損失

從圖2，3可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)在150次以內(nèi)卵石混凝土和碎石混凝土的相對動彈性模量損失至初始值和質(zhì)量損失均滿足F150等級，卵石混凝土在在凍融循環(huán)200次時相對動彈性模量損失至初始值＜60%，抗凍性能不能滿足要求。卵石與水泥漿界面粘接差，界面之間的孔隙大，水結(jié)晶壓力對混凝土產(chǎn)生的破壞大，從而卵石混凝土的抗凍性能略低于碎石混凝土。

通過調(diào)整卵石混凝土水膠比為0.46時，相對動彈性模量損失和質(zhì)量損失均能達(dá)到F200等級的要求。后續(xù)研究確定卵石混凝土水膠比為0.46。

3.4 抗硫酸鹽侵蝕

引洮工程環(huán)境水中硫酸鹽含量較高，混凝土暴露在有硫酸鹽的環(huán)境和介質(zhì)中，有可能遭受化學(xué)侵蝕而破壞。工程化學(xué)侵蝕類型主要為地下水或地表水中的硫酸根離子（SO42-）對混凝土的腐蝕，為確保工程運行的長期性及耐久性，需進(jìn)行耐久性方面的研究。對比卵石混凝土（水膠比0.46）和碎石混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能結(jié)果如圖4所示。

圖4 混凝土抗硫酸鹽侵蝕

從圖4可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)先增大后減小，前期抗壓強(qiáng)度增加是由于在干濕循環(huán)過程中高溫加速膠凝材料水化，后期硫酸鹽侵蝕速率大于水化速率致使抗壓強(qiáng)度降低，其中當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到150次時卵石和碎石混凝土均不能滿足要求。

提高混凝土抗硫酸鹽的措施有：改變水泥品種（抗硫酸鹽水泥）、摻用外加劑、礦物摻合料、降低水膠比等。研究采用對比摻用抗硫酸鹽水泥和抗腐蝕阻銹劑混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，結(jié)果如表6所示。

表6 抗硫酸鹽測試結(jié)果

從表可以看出摻用抗腐蝕阻銹劑和抗硫酸鹽硅酸鹽水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能均能達(dá)到KS150，摻用抗腐蝕阻銹劑優(yōu)于抗硫酸鹽硅酸鹽水泥，抗硫酸鹽水泥成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于抗腐蝕阻銹劑，從經(jīng)濟(jì)和社會效益優(yōu)選抗腐蝕阻銹劑。

摻用抗腐蝕阻銹劑能提高混凝土的密實性，改變混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使得混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能提高。

4 結(jié)論

通過對比卵石混凝土和碎石混凝土的和易性、力學(xué)性能和耐久性，分析得出以下試驗結(jié)論：

（1）卵石和碎石混凝土的耐久性有優(yōu)有劣，通過一定的措施可以用卵石制備出耐久性能達(dá)到引洮工程設(shè)計要求的混凝土。

（2）相同實驗配合比，卵石混凝土的和易性和抗碳化性能優(yōu)于碎石混凝土，抗?jié)B性能、抗凍性能和抗硫酸鹽侵蝕性能均劣于碎石混凝土。

（3）卵石表面較碎石光滑，界面與膠凝材料的粘接強(qiáng)度較碎石略低，通過降低水膠比的方式使得制備出的混凝土和易性和力學(xué)性能達(dá)到設(shè)計要求。

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