不同摻量礦物摻合料混凝土耐沖刷性能研究

張友來，李曉文，邢衛(wèi)疆，孟玉冰

（山東中建西部建設(shè)有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

混凝土作為當(dāng)今社會(huì)主要建筑材料，其耐久性備受研究人員的關(guān)注。由于施工不當(dāng)或混凝土所處環(huán)境惡劣，會(huì)導(dǎo)致混凝土耐久性降低、混凝土結(jié)構(gòu)破壞，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。美國學(xué)者 Sitter 曾用“五倍定律”形象地描述了由于考慮不周或措施不當(dāng)而導(dǎo)致的混凝土耐久性不足造成的經(jīng)濟(jì)損失。我國是一個(gè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的國家，大量的混凝土結(jié)構(gòu)需要修建，但我國資源有限，所以修建綠色、高耐久的混凝土結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行，加強(qiáng)對(duì)混凝土耐久性的研究具有重大意義[2]。

混凝土耐久性問題有很多種，主要包括鋼筋銹蝕、化學(xué)侵蝕、凍融破壞、堿骨料反應(yīng)以及外界環(huán)境對(duì)混凝土的破壞（風(fēng)、水流沖刷等），尤其是位于海邊的建筑，海水沖刷以及化學(xué)侵蝕表現(xiàn)得尤為突出[3]。當(dāng)高速水流作用在混凝土表面時(shí)，由于水泥基體與粗骨料之間存在的耐磨性能的差異，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)剝落、骨料外露、混凝土結(jié)構(gòu)疏松等現(xiàn)象。位于海邊的混凝土結(jié)構(gòu)，不僅承受水流沖刷帶來的破壞，還要承受海水中的有害離子對(duì)其造成的破壞，在離子侵蝕和水流沖刷耦合作用下，海邊的混凝土結(jié)構(gòu)破壞尤為嚴(yán)重[4-6]。研究礦物摻合料對(duì)混凝土耐沖刷性能的影響對(duì)海邊的混凝土結(jié)構(gòu)有很重要的意義，同時(shí)對(duì)臨海城市的混凝土攪拌站的生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義。

本文制備幾組水膠比相同、膠凝材料用量相同、水泥用量相同，但粉煤灰摻量和礦粉摻量不同的混凝土，對(duì)其進(jìn)行模擬海水沖刷試驗(yàn)，最后確定最優(yōu)的耐沖刷混凝土的粉煤灰（F）和礦粉（K）的最優(yōu)摻量。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

本試驗(yàn)采用的水泥為 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥主要成分見表 1。河砂細(xì)度模數(shù)為 2.6，粗骨料為粒徑在 5～25mm 的玄武巖，減水劑為聚羧酸類減水劑。試驗(yàn)用沖刷液為經(jīng)高溫蒸餾后的高濃度海水。

表 1 水泥成分 %

1.2 混凝土的制備

為了確定礦物摻合料的最優(yōu)摻量，以及減少砂率、水膠比、漿骨比等因素的影響，制定大量的膠砂配合比并按照配比制備 40mm×40mm×160mm 的膠砂試塊，然后進(jìn)行 3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度測(cè)試，最后得出：當(dāng)?shù)V物摻合料的取代率為 37% 時(shí)，膠砂試塊的抗壓強(qiáng)度最大。試驗(yàn)以膠砂配合比為參考，以相同取代率（37%）為條件，對(duì)混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到以下幾組混凝土配合比，如表 2 所示。

1.2.1 混凝土試樣的制備

按照 GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試件制作。根據(jù)設(shè)備需要，試塊尺寸為Ф50mm×100mm 的圓柱體，用于模擬海水沖刷試驗(yàn)。試件振動(dòng)成型后，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度(20±2)℃、濕度＞95%）中養(yǎng)護(hù)。

圖 1 沖刷試驗(yàn)裝置示意圖

圖 2 沖刷試驗(yàn)裝置

表 2 混凝土配合比

表 3 混凝土試塊的質(zhì)量損失率

1.3 模擬海水沖刷試驗(yàn)

取出養(yǎng)護(hù)完成的混凝土試塊，去除混凝土試塊表面的水分，然后放置在自然環(huán)境下，待表面干燥后對(duì)試塊進(jìn)行稱重，記錄每塊試塊的原始重量。然后將試塊安裝在模擬海水沖刷裝置上（如圖 1、圖 2 所示），為防止沖刷液與錨接軸承接觸，在安裝前用防水的乙稀基樹脂對(duì)錨接軸承進(jìn)行密封。試驗(yàn)采用控制變量法，將沖刷速度作為變量，其它因素保持恒定，以一定濃度的海水作為沖刷液進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后，用 PHB-1 型酸度計(jì)（精度為 0.01），實(shí)時(shí)觀測(cè)沖刷液的濃度，同時(shí)釆用固定濃度的濃縮海水進(jìn)行滴定，以保持沖刷液濃度水平（1.07g/cm3）。本試驗(yàn)以沖刷速度為變量（0.5m/s，0.8m/s，1.25m/s），對(duì)不同配合比的試塊進(jìn)行 90d 的模擬海水沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后將試樣取出，使用抹布將試塊表面水分擦掉，并放置于室內(nèi)一段時(shí)間，使試塊自然干燥，然后分別測(cè)量計(jì)算各組試件的質(zhì)量損失。

2 模擬海水沖刷試驗(yàn)結(jié)果分析

表 3 為不同沖刷速度下不同摻量礦物摻合料的混凝土試塊的質(zhì)量損失率。圖 3 為不同沖刷速度下不同摻量礦物摻合料的混凝土試塊的質(zhì)量損失率折線圖。

由圖 3 中可知，當(dāng)模擬海水沖刷速度為 0.5m/s、0.8m/s 時(shí)，SP-1 所對(duì)應(yīng)的配合比制備的混凝土試塊的耐沖刷性能最好；當(dāng)沖刷速度達(dá)到 1.25m/s 時(shí)，SP-2 所對(duì)應(yīng)的配合比混凝土試塊的耐沖刷性能最好。從圖中還可以看出，隨著沖刷速度的增大，SP-1 對(duì)應(yīng)的折線的斜率幾乎不變，但 SP-2 對(duì)應(yīng)的折線的斜率在減小，說明當(dāng)沖刷速度繼續(xù)增大，SP-2 對(duì)應(yīng)的配合比混凝土試塊的質(zhì)量損失率的增加速度與 SP-1 相比逐漸減小，兩者的質(zhì)量損失率的差距逐漸增大。從表 3 中可以看出，當(dāng)沖刷速度為 0.5m/s 時(shí)，SP-1 對(duì)應(yīng)配合比混凝土試塊的質(zhì)量損失率比 SP-2、SP-3、SP-4 分別降低 14%、42% 和 52%；當(dāng)沖刷速度為 0.8m/s 時(shí)，SP-1 對(duì)應(yīng)的配合比混凝土試塊的質(zhì)量損失率比 SP-2、SP-3、SP-4 分別降低 12%、39% 和 44%；當(dāng)沖刷速度為 1.25m/s 時(shí)，SP-2 對(duì)應(yīng)的配合比混凝土試塊的質(zhì)量損失率比 SP-1、SP-3、SP-4 分別降低 7%、40% 和 37%。根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比以及折線圖比較，當(dāng)沖刷速度＜1m/s 時(shí)，SP-1 對(duì)應(yīng)的配合比混凝土試塊的耐沖刷性能最好；當(dāng)沖刷速度＞1m/s 時(shí)，SP-2 對(duì)應(yīng)的配合比混凝土試塊的耐沖刷性能最好，所以試驗(yàn)人員可以根據(jù)混凝土所處的實(shí)際環(huán)境來選擇合適的配合比。

大量研究表明[7-11]，混凝土中摻入粉煤灰可以提高混凝土的后期強(qiáng)度以及混凝土的耐久性，混凝土中摻入礦粉可以提高混凝土的抗?jié)B能力。SP-1 配合比中礦粉摻量要高于粉煤灰的摻量，形成了一種礦粉起主要作用的膠凝體系，從而提高混凝土的抗?jié)B能力。SP-2 配合比中粉煤灰摻量要高于礦粉的摻量，形成了一種粉煤灰起主要作用的膠凝體系，從而提高了混凝土的后期強(qiáng)度。當(dāng)沖刷速度較小時(shí)，混凝土抵抗海水沖刷的性能主要以混凝土的抗?jié)B性能為主，所以 SP-1 配合比制備的試塊質(zhì)量損失小于 SP-2 配合比制備的試塊質(zhì)量損失。當(dāng)沖刷速度較大時(shí)，混凝土抵抗海水沖刷的性能主要以混凝土的強(qiáng)度為主，所以 SP-2 配合比制備的試塊質(zhì)量損失小于 SP-1 配合比制備的試塊質(zhì)量損失。

圖 3 混凝土試塊的質(zhì)量損失率折線圖

3 結(jié)論

本文針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的沖刷問題，通過模擬海水沖刷試驗(yàn)，確定耐沖刷的不同摻量礦物摻合料混凝土的最佳配合比。主要結(jié)論如下：

當(dāng)沖刷速度較小時(shí)，混凝土抵抗海水沖刷的性能主要以混凝土的抗?jié)B性能為主，所以 SP-1 配合比（礦粉摻量 20%，粉煤灰摻量 12.5%）制備的試塊質(zhì)量損失小于 SP-2 配合比（礦粉摻量 12.5%，粉煤灰摻量 20%）制備的試塊質(zhì)量損失。當(dāng)沖刷速度較大時(shí)，混凝土抵抗海水沖刷的性能主要以混凝土的強(qiáng)度為主，所以 SP-2配合比制備的試塊質(zhì)量損失小于 SP-1 配合比制備的試塊質(zhì)量損失。