C50抗硫酸鹽水下灌注樁混凝土配合比設(shè)計(jì)研究

曾炎炎

摘 要：本文以龍巖東環(huán)高速公路的某合同段橋梁抗硫酸鹽水下灌注樁基礎(chǔ)施工為例，從混凝土的抗硫酸鹽侵蝕和高工作性能兩個(gè)方面對C50混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。經(jīng)實(shí)踐得出，摻入優(yōu)質(zhì)礦物摻合料和高性能減水劑滿足抗硫酸鹽和工作性能的要求。

關(guān)鍵詞：配合比設(shè)計(jì);抗硫酸鹽侵蝕;高工作性能

中圖分類號：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

龍巖東環(huán)高速公路某合同段地處新羅市區(qū)東部，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，沿線存在煤礦采空區(qū)。由于煤系地層大多形成于還原環(huán)境，煤層開采后處于氧化環(huán)境，硫鐵礦與礦井水和空氣接觸后，經(jīng)過一系列的氧化、水解等反應(yīng)，導(dǎo)致礦洞地下水呈酸性[1]。該合同段中部分橋梁所處位置地下水中SO42-離子含量為1 003.39 mg/L，對混凝土結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性，對混凝土中的鋼筋具微腐蝕性。因此處于此環(huán)境中的橋梁樁基礎(chǔ)必須采用抗硫酸鹽混凝土。與此同時(shí)，該合同段樁基礎(chǔ)均采用水下灌注的施工工藝，要求混凝土的具有較高的工作性能。

1 配合比設(shè)計(jì)技術(shù)思路

根據(jù)工程對混凝土的要求：要有良好的抗硫酸鹽侵蝕性能和高工作性能，本文分別進(jìn)行分析。

（1）混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。水泥是水泥混凝土中的膠凝材料，而水泥熟料中的鋁酸三鈣（C3A）礦物和水化化后水泥漿體中的Ca（OH）2晶體是形成硫酸鹽侵蝕的主要因素?；炷猎诹蛩猁}環(huán)境中，C3A礦物和SO42-離子發(fā)生反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣（又稱鈣礬石），而水泥漿體中的Ca（OH）2和SO42-離子發(fā)生反應(yīng)生成二水石膏（CaSO4·2H2O），二水石膏進(jìn)一步和混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng)生成高硫型水化硫鋁酸鈣，生成物體積均較原生物顯著增大，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)膨脹開裂破壞[2]。因此，減少C3A的帶入，可以從本質(zhì)上解決硫酸鹽侵蝕的問題。主要可以從兩方面實(shí)現(xiàn)：一是選擇C3A含量低（<5%）的水泥;二是摻入優(yōu)質(zhì)礦物摻合料代替部分水泥。

礦物摻合料主要包括粉煤灰、礦粉等。礦物摻合料具有活性效應(yīng)，其中活性SiO2和Al2O3與水泥漿體中的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化氯酸鈣：

xCa（OH）2+SiO2+mH2O=xCaO.SiO2.mH2O

yCa（OH）2+Al2O3+nH2O=yCaO.Al2O3.nH2O

上述反應(yīng)減少了混凝土漿體中Ca（OH）2晶體的含量，可以緩解結(jié)構(gòu)膨脹，同時(shí)新生成的C-S-H凝膠可以填充結(jié)構(gòu)中的孔隙，降低了混凝土內(nèi)部的空隙，提高混凝土的密室性，增大了混凝土抗SO42-離子侵入和擴(kuò)散。

（2）混凝土的高工作性能。用于水下灌注施工的混凝土拌合物應(yīng)具有良好的和易性，在灌注時(shí)應(yīng)能保持足夠的流動性。而本文設(shè)計(jì)的混凝土為C50等級，膠凝材料的用量一般達(dá)到450 kg/m3以上，因此拌合物的黏性較大，不利于施工。解決這個(gè)問題，有以下兩個(gè)途徑：

1）摻入優(yōu)質(zhì)礦物摻合料。粉煤灰中含有大量的玻璃體，表面光滑，在混凝土中起到滾珠作用，同時(shí)粉煤灰還能有效地分散水泥顆粒，釋放更多的漿體來潤滑骨料，大大提高混凝土的工作性能。礦粉在混凝土中前期不直接參與水化，能夠降低混凝土中膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量，在保持相同用水量的情況下可增加流動性，改善混凝土的工作性能。

2）使用高性能減水劑。高性能減水劑具有高減水率（一般大于25%），使用時(shí)能夠較好地控制水泥的早期水化，減少塌落度損失，且具有一定的引氣性能，微小的氣泡能在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生潤滑作用，更好地提高和保持混凝土的工作性能。

（3）基于上述分析，為保證混凝土的抗腐蝕性及高工作性能的要求，以摻入優(yōu)質(zhì)礦物摻合料和高性能減水劑為主要技術(shù)要求進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

2 實(shí)拌混凝土性能分析驗(yàn)證

2.1 原材料

水泥（C）采用福建龍鱗水泥有份有限公司生產(chǎn)的P.O52.5級水泥。細(xì)集料（S）采用江西贛江河砂、Ⅱ區(qū)中砂、細(xì)度模數(shù)2.78。粗集料（G）采用永定鑫東安碎石場生產(chǎn)的5 mm～20 mm碎石、石灰?guī)r、級配良好、壓碎值為12.3%。減水劑（SP）采用廈門興納科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑、緩凝型、減水率為26.8%。粉煤灰（F）采用福建省龍巖南山盂水泥有限公司生產(chǎn)的F類I級粉煤灰。礦粉（K）采用三明市璟晟工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉。拌和用水（W）采用龍巖市自來水。

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)JGJ/55-2011進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)塌落度為180 mm～220 mm。首先確定不摻礦粉摻合料的基準(zhǔn)配合比，其余配合比在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上分別加10%、20%、30%、40%的粉煤灰或礦粉及15%粉煤灰+15%礦粉等量取代水泥用量，混凝土配合比見表1。

2.3 試驗(yàn)項(xiàng)目及方法

根據(jù)抗硫酸鹽侵蝕和高工作性能，混凝土試驗(yàn)項(xiàng)目和方法如下：

1）抗硫酸鹽侵蝕檢測。本文使用廣州大學(xué)和暨南大學(xué)研究發(fā)表的《混凝土抗硫酸鹽試驗(yàn)的一種新方法》中的試驗(yàn)方法，采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試塊，浸泡于5%Na2SO4溶液和5%（NH4）2SO4溶液，測定強(qiáng)度損失率和體積膨脹率[3]。

2）工作性能檢測。混凝土工作性能主要體現(xiàn)于和易性及流動性，用塌落度試驗(yàn)進(jìn)行定量表示。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）從表1可以看出，高性能減水劑和礦物摻合料能有效改善了混凝土的和易性和流動性。

2）從圖1和圖2可以看出，在粉煤灰及礦粉的摻入量為10%混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能有所提升但不明顯;當(dāng)摻入量達(dá)到30%時(shí)，抗硫酸鹽侵蝕性能提升不明顯甚至有所下降。因此可以得出單摻粉煤灰或礦粉在20%～30%之間達(dá)到混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能達(dá)到最佳。而雙摻15%粉煤灰和15%礦粉混凝土在強(qiáng)度、抗硫酸鹽侵蝕性能和工作性能方面均優(yōu)于單摻[4]。

3）本次C50水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)先選定雙摻15%的粉煤灰和15%礦粉，即水泥：水：粗集料：細(xì)集料：粉煤灰：礦粉：減水劑=339：160：1 100：675：73：73：4.85=1：0.48：3.24：1.99：0.22：0.22：0.014。

3 結(jié)語

（1）試驗(yàn)表明，摻入尤其是雙摻優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料能有效提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，但不能過摻;通過使用高性能減水劑和礦物摻合料配制高等級的高工作性能混凝土是一種行之有效的方法。

（2）本文從配合比設(shè)計(jì)出發(fā)，提升混凝土工作性能和抗硫酸鹽侵蝕性能，希望所得經(jīng)驗(yàn)?zāi)転橥刑峁﹨⒖肌?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]孫立勤.酸性礦井水的危害及防治[J].煤炭技術(shù)，2007，26（12）：53-54.

[2]戴文波，蔣世瓊.混凝土抗硫酸鹽侵蝕的研究[J].現(xiàn)代企業(yè)文化，2010，3（15）：122.

[3]廖原，歐陽東.混凝土抗硫酸鹽試驗(yàn)的一種新方法[J].廣東建材，2003，19（09）：14-16.

[4]王杰，付翔，常偉良.礦物摻合料在抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比中的試驗(yàn)研究[J].居舍，2019，39（18）：33-34.