海工水泥在洞頭南塘中閘的應(yīng)用研究

馬志登，童麗芬，程力群

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院項目管理公司，杭州 310002)

1 研究背景

隨著浙江省現(xiàn)代化進(jìn)程的飛速發(fā)展，沿海地區(qū)水利圍墾工程建設(shè)大量展開，大面積、大體積的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)長期在海洋環(huán)境中使用，其耐久性和經(jīng)濟(jì)性的問題越來越受到重視，這些工程建筑不僅需要有設(shè)計要求的安全性和功能性，而且也要求其在海洋環(huán)境中保持其耐久性，還要求這些工程在設(shè)計年限內(nèi)抵抗侵蝕能力。我國現(xiàn)有海洋環(huán)境下鋼筋混凝土的耐久性是一個非常復(fù)雜和常見的問題，特別是對于水利工程鋼筋混凝土的耐久性研究才剛剛起步。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指混凝土結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件在可預(yù)見的工作環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，在預(yù)期的使用年限內(nèi)抵抗大氣影響、化學(xué)侵蝕和其他劣化過程，而不需要花費大量資金維修，也能保持其安全性和適用性的功能?；炷两Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生耐久性失效是由于混凝土或鋼筋的材料物理、化學(xué)性質(zhì)及幾何尺寸的變化，繼而引起混凝土構(gòu)件外觀變化，不能滿足正常使用的要求，導(dǎo)致承載能力退化，最終影響整個結(jié)構(gòu)的安全。耐久性失效最普通、最嚴(yán)重的原因是氯化物侵蝕引起的銹蝕，其次是凍融侵蝕、硫酸鹽侵蝕、碳化銹蝕、堿集料反應(yīng)和延緩鈣礬石生成［1］。

以洞頭南塘中閘為例，對采用海工水泥為原材料提高混凝土抗氯離子性能的技術(shù)措施應(yīng)用開展研究。溫州洞頭南塘中閘加固改造工程地處浙東南沿海百島之縣洞頭島境內(nèi)，由水閘、泵站、堤防組成。南塘中閘從2010年底開始施工，2012年3月投入使用。正常潮位以下工程澆筑海工混凝土超4 600 m3，主要部位在底板、閘墩、預(yù)應(yīng)力閘門、胸墻及檢修平臺，使用海工水泥2 000 t左右。

2 海工水泥特性

在長期的工程實踐中，人們認(rèn)識到普通水泥混凝土在海洋環(huán)境中存在嚴(yán)重的海水腐蝕、強(qiáng)度降低、混凝土耐久性差等問題，而高摻量的礦渣、粉煤灰水泥混凝土具有耐腐蝕性、后期強(qiáng)度高等特點，但其早期強(qiáng)度低。海工水泥克服了這些缺點，具有抗腐蝕、阻銹、低水化熱、低堿、早強(qiáng)等性能［2］。

(1)抗腐蝕性能:海工水泥抗海水侵蝕系數(shù)k≥0.9，對氯離子 Cl－、硫酸鹽離子 SO42－腐蝕具有很強(qiáng)抵抗能力。

(2)鋼筋阻銹:在水泥礦物組成中添加了鋼筋阻銹組分，使混凝土水化后在鋼筋表面形成保護(hù)膜。

(3)早期強(qiáng)度高:海工水泥與硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥混凝土相比具有較高的早期強(qiáng)度，3 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)28 d抗壓強(qiáng)度的50%以上。

(4)抗?jié)B性能:海工水泥中具有微膨脹劑，增強(qiáng)了混凝土的密實性，提高了其抗?jié)B性和抗裂性。

(5)低水化熱:海工水泥比普通水泥水化熱低1/3。

3 海工水泥物理化學(xué)性能指標(biāo)檢測和混凝土配合比的選用

本工程采用“三獅”42.5海工水泥，物理力學(xué)性能和化學(xué)性能由杭州大業(yè)建設(shè)工程檢測有限公司檢測，對潛在膨脹性能、浸泡抗侵蝕性能通過國家建筑材料測試中心進(jìn)行檢驗。從試驗成果可以得出，海工水泥的比表面積、凝結(jié)時間和3 d抗壓強(qiáng)度、耐腐蝕性等各項指標(biāo)均優(yōu)于普通水泥，結(jié)果見表1和表2。細(xì)骨料砂的細(xì)度模數(shù)為2.44，表觀密度2 620 kg/m3，含泥量1.6%。5～40 mm粗骨料碎石表觀密度2 610 kg/m3，壓碎指標(biāo)8.4%，含泥量0.4%。根據(jù)試驗室級配試驗成果，推薦使用的配合比如表3所示。

4 施工質(zhì)量控制注意要點

為提高海工混凝土的耐久性，必須在施工過程中控制混凝土的質(zhì)量，提高混凝土密實性和抗?jié)B性，減少表面裂縫，從而提高混凝土的抗氯離子Cl－、硫酸鹽離子SO42－腐蝕性能，所以在施工中要注意以下幾點:

(1)混凝土的拌制。本工程采用商品混凝土廠家拌制混凝土，可以嚴(yán)格按配合比控制用量，減少人工拌制材料重量上的誤差?；炷恋陌柚票M量采用二次攪拌法，裹砂法裹砂石法等工藝，提高混凝土拌合料的和易性、保水性，提高混凝土強(qiáng)度，減少用水量;大體積混凝土的澆筑振搗應(yīng)控制混凝土的溫度裂縫、收縮裂縫和施工裂縫，建立混凝土的澆筑振搗制度，提高混凝土密實度和抗?jié)B性，減少混凝土裂縫。

(2)混凝土材料的選用?；炷涟韬凸橇蠎?yīng)避免堿－集料反應(yīng)，骨料應(yīng)盡量避免采用活性集料，限制混凝土的堿含量;限制原材料帶入混凝土的氯離子量，即外加劑、拌和水及骨料等帶入混凝土的氯離子總量一般不得超過混凝土中水泥重量的0.1% ～0.3%。

(3)控制水灰比。針對水化物以及其引發(fā)的問題，在保證混凝土拌和物所需流動性的同時，盡可能降低用水量，減少水灰比，使混凝土的總孔隙，特別是毛細(xì)管孔隙率大幅度降低。技術(shù)上可通過加入高效減水劑，達(dá)到降低水膠比的目的?？蓳饺敫咝Щ钚缘V物摻料，活性礦物摻料中含有大量活性SiO2(二氧化硅)及活性Al2O3(三氧化二鋁)，它們能和水泥水化過程中產(chǎn)生的游離石灰及高堿性水化矽酸鈣產(chǎn)生二次反應(yīng)，生成強(qiáng)度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的低堿性水化矽酸鈣，從而達(dá)到改善水化膠凝物質(zhì)的組成，消除游離石灰的目的，使混凝土結(jié)構(gòu)更為致密，并阻斷可能形成的滲透路徑［3］。

(4)溫度控制?；炷猎跍囟刃?yīng)下的性能受許多因素影響，如材料組成、升溫速度、最高溫度、最高溫度下的持續(xù)時間、冷卻方法及是否存在荷載等。普通混凝土雖然能承受一定程度的溫度作用，但其內(nèi)部化學(xué)組成會發(fā)生一定的變化。在常溫下，水泥漿是完整的，由鈣釩石、C－H凝膠、C－S－H凝膠(水化硅酸鈣)組成。而當(dāng)溫度大于70℃時，鈣釩石就開始破裂并逐步消失，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，C－H凝膠、C－S－H凝膠也會逐漸破壞直至消失，結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸變得酥松，孔隙率增大，甚至出現(xiàn)裂縫［4］。在混凝土澆筑過程中摻入一定量的纖維可以有效降低養(yǎng)護(hù)不足及后期溫度效應(yīng)造成的損傷，聚丙烯纖維可以改善混凝土由于養(yǎng)護(hù)不足或溫度效應(yīng)后的耐久性，減緩混凝土劣化速度［5］。在混凝土拌合和澆筑現(xiàn)場應(yīng)嚴(yán)格監(jiān)控骨料和混凝土出料口的溫度，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設(shè)溫度監(jiān)控儀器，密切收集混凝土水化熱的資料整理分析，根據(jù)資料、天氣變化等因素采取相應(yīng)的溫控措施。

表1 海工水泥與普通硅酸鹽水泥物理力學(xué)性能試驗成果Table 1 Test results of mechanical and physical properties of marine cement and ordinary Portland cement

表2 海工水泥化學(xué)性能試驗成果Table 2 Test results of chemical properties of marine cement

表3 海工水泥混凝土配合比Table 3 The mix proportions of marine concrete

(5)養(yǎng)護(hù)。一般在施工現(xiàn)場采用覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)、噴水養(yǎng)護(hù)、覆膜養(yǎng)護(hù)和涂刷養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)，還有部分結(jié)構(gòu)在澆筑成型后無法得到正常養(yǎng)護(hù)。通過涂刷養(yǎng)護(hù)劑、塑料薄膜密封及濕棉絮覆蓋3種養(yǎng)護(hù)措施對混凝土的強(qiáng)度和耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)混凝土的強(qiáng)度和抗氯離子滲透性依次減小，水化溫升和早期收縮依次升高。濕養(yǎng)護(hù)時間越長，混凝土的強(qiáng)度越高，耐久性及護(hù)筋性越好。早期的養(yǎng)護(hù)不足及后期的溫度效應(yīng)作用會對混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，造成混凝土滲透性和抗氯離子侵蝕能力降低［5］。所以在海工混凝土初凝后必須及時進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù)，有條件地均勻涂刷養(yǎng)護(hù)劑。

(6)二次抹壓?；炷翝仓駬v密實后，首先用木抹子將表面一次抹平。一次抹平后，若不立即養(yǎng)護(hù)，在混凝土初凝前至少要再抹壓一次，將混凝土表面抹壓密實。二次抹壓的主要作用有:①消除混凝土的表面缺陷及早期的塑性裂縫;②提高混凝土表層的密實度;③ 表層密實度提高后，減緩了混凝土內(nèi)水分遷移蒸發(fā)的速度，提高了混凝土的抗裂能力。故在施工過程中必須進(jìn)行二次擠壓。二次抹壓工藝施工現(xiàn)場一般用抹刀手工抹壓，效率低，力度不夠，當(dāng)缺陷由表及里發(fā)展較深時手工抹壓很難消除，建議在護(hù)坦、消力池、閘門底板等較大面積平板混凝土采用圓盤式抹光機(jī)二次抹壓。

(7)保護(hù)層厚度。大量試驗表明，暴露于氯鹽環(huán)境的混凝土，其距表面12 mm深度內(nèi)的氯離子含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25～50 mm深度范圍，即使是高性能混凝土也不例外［6］。因此在這種環(huán)境中工程的混凝土保護(hù)層厚度最好小于50 mm，保護(hù)層厚度建議50～80 mm。實際控制時應(yīng)將鋼筋的安放位置誤差檢查作為質(zhì)量控制的重要內(nèi)容，防止鋼筋偏位造成保護(hù)層不足。

(8)表面涂層。表面涂層可作為降低氯離子滲透速率和降低碳化速率的有效輔助措施，本工程采用的是國外已普遍使用的侵入型有機(jī)硅涂料，國內(nèi)對該類材料的應(yīng)用尚處于推廣使用階段。

(9)混凝土輸送。本工程采用混凝土為商品海工水泥混凝土，澆筑現(xiàn)場采用汽車輸送泵進(jìn)行混凝土輸送。由于海工水泥混凝土黏度大、高密實導(dǎo)致泵送阻力大，泵管堵塞磨損現(xiàn)象，尤其在彎管處爆裂噴漿。所以在澆筑現(xiàn)場要保證混凝土泵送連續(xù)，經(jīng)常敲打檢查泵管，減少彎頭，多備泵管。

5 海工水泥混凝土質(zhì)量綜述

從施工過程檢測看，使用海工水泥拌制的混凝土7 d齡期抗壓強(qiáng)度普遍高于普通水泥拌制的混凝土，其抗?jié)B性能也優(yōu)于普通水泥拌制的混凝土(見表4)。施工過程混凝土狀態(tài)良好，不泌水、不離析，施工過程順利，項目投入運行以來沒有出現(xiàn)鋼筋銹蝕膨脹現(xiàn)象。對海工水泥混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，混凝土拌合質(zhì)量優(yōu)良，結(jié)果見表5。

表4 混凝土抗壓強(qiáng)度比較Table 4 Comparison of the compressive strength between marine concrete and ordinary concrete

對于海工水泥混凝土耐久性，本工程主要從氯離子擴(kuò)散系數(shù)和碳化深度試驗檢測2個方面考慮，本工程由于運行時間較短，未對這2項進(jìn)行檢測。在已經(jīng)運行5 a的類似工程中，選取了同一強(qiáng)度采用2種水泥(海工水泥和普通硅酸鹽水泥)澆筑的混凝土，在同一高程位置現(xiàn)場取樣，進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)和碳化深度對比試驗［7］，檢測結(jié)果如表6所示。

表5 海工水泥混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)理統(tǒng)計Table 5 Mathematical statistics of the compressive strength of marine concrete

表6 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和碳化深度檢測成果Table 6 Detection results of Chloridion diffusion coefficient and carbonation depth

由表6可知，海工水泥混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)較普通水泥混凝土整整小了一個數(shù)量級，表明海工水泥混凝土抗氯離子滲透性能較優(yōu)。

6 結(jié)語

海工水泥混凝土作為一種新型高性能混凝土，優(yōu)點很多，通過在洞頭水閘工程中實際應(yīng)用，表明海洋環(huán)境中其工作性能和強(qiáng)度、耐久性指標(biāo)優(yōu)良。混凝土高性能化方法、措施隨著水利大開發(fā)會越來越多，何種性價比最優(yōu)或最好的方案還有待驗證。海工混凝土的耐久性指標(biāo)能否達(dá)到所預(yù)期的使用壽命，全面完整地探討海洋環(huán)境中海工混凝土耐久性的機(jī)理和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)等有待在工程實踐中深入研究。

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