某碼頭C40大體積海工混凝土的制備及試驗研究

楊瓊輝，黃輝，向佳瑜，冷政，林超

（1.中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南　長沙　410000；2.92304部隊，海南　572018）

某碼頭C40大體積海工混凝土的制備及試驗研究

楊瓊輝1，黃輝1，向佳瑜1，冷政1，林超2

（1.中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南長沙410000；2.92304部隊，海南572018）

本文采用礦渣水泥、普硅水泥、粉煤灰和礦粉制備某碼頭 C40大體積海工混凝土。通過改變膠凝材料比例、水膠比來考察其對混凝土性能的影響，借助掃描電子顯微鏡和壓汞儀分別分析了試樣微觀形貌及孔徑分布，得出礦渣水泥和普硅水泥試樣相關(guān)耐久性的差異，最后通過優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比和采用保溫保濕養(yǎng)護(hù)等措施制得大體積海工混凝土實體模型。研究表明：礦渣水泥試樣比普硅水泥試樣擁有更突出的抗硫酸鹽侵蝕性能，經(jīng)歷干濕循環(huán)150次后，礦渣水泥試樣抗蝕系數(shù)保持在95左右，而普硅水泥試樣抗蝕系數(shù)約為80；普硅水泥試樣抗氯離子滲透性能較好，整體孔徑分布趨于細(xì)化，有害孔比例較小。所有試樣6h 總電通量低于1000C，達(dá)到Ⅰ類抗?jié)B標(biāo)準(zhǔn)。大體積實體模型未出現(xiàn)明顯裂縫，無砂斑、砂線等缺陷，表觀質(zhì)量良好。

海工混凝土；大體積；硫酸鹽侵蝕；氯離子滲透；實體模型

0　引言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，開發(fā)海洋空間的進(jìn)程加速，海洋混凝土結(jié)構(gòu)工程，如防浪堤、碼頭、海上空港、鉆井平臺、海底隧道和跨海大橋等應(yīng)用愈來愈廣泛。由于海水長期浸泡、硫酸鹽侵蝕、氯離子滲透和干濕循環(huán)等因素的作用，嚴(yán)重危害著海洋混凝土結(jié)構(gòu)工程長期有效安全運行，因此，大體積海工混凝土的制備技術(shù)及耐久性問題也愈來愈受到重視。

某大體積海工混凝土碼頭工程位于海南省某市，主要由重力式大體積實心方塊、卸荷板等結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計使用年限100年以上。方塊、卸荷板通過預(yù)制方式生產(chǎn)，工期緊張，要求澆筑完畢后12h 可以拆模，5d 可以吊裝，因此對混凝土早期強(qiáng)度要求較高，且實體不允許出現(xiàn)有害裂縫。同時，要求所有試樣電通量抗?jié)B測試達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，抗硫酸鹽等級達(dá)到相應(yīng)的環(huán)境和使用年限的要求。針對本工程的特殊要求和高溫高濕的環(huán)境條件，本文通過優(yōu)選原材料，精品化骨料，優(yōu)化配合比設(shè)計，控制礦物摻合料和外加劑摻量等措施，制備出工作性能良好的混凝土。在此基礎(chǔ)上研究其抗硫酸鹽侵蝕和抗氯離子滲透等方面的耐久性能，采用掃描電子顯微鏡（SEM）和壓汞儀分別分析了試樣微觀形貌及孔徑分布，以期闡明相關(guān)機(jī)理。成型大體積方塊實體模型，通過合理的養(yǎng)護(hù)方式，觀測其實體狀況和施工可行性，為該碼頭大體積混凝土的應(yīng)用提供理論參考。

1　試驗部分

1.1原材料及配比

試驗所用普硅水泥、礦渣水泥、粉煤灰和礦粉等膠凝材料的化學(xué)成分如表1所示，水泥由華潤紅水河（上思）有限公司生產(chǎn)，均為42.5等級；石子為5～25mm 連續(xù)級配碎石；黃砂為中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量2.2%；粉煤灰采用?？诨痣姀S Ⅱ 級粉煤灰，細(xì)度19.0%，需水量比98.5%；礦粉采用張家港恒昌 S95級，比表面積440m2/kg，28d 活性指數(shù)109%；外加劑采用湖南湘鑫公司生產(chǎn)的 HPC-S-5聚羧酸高性能減水劑，減水率20%。通過改變膠凝材料比例和水膠比制備六種編號混凝土，試樣編號1～3采用礦渣水泥，試樣編號4～6采用普硅水泥，相關(guān)配比如表2所示。將原材料拌合，觀察并測試相關(guān)工作性能指標(biāo)。然后振搗成型試塊，放在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，分別跟蹤測試7d、28d 抗壓強(qiáng)度，測試結(jié)果如表2所示。

表1　主要膠凝材料的化學(xué)成分　wt, %

表2　混凝土配合比及抗壓強(qiáng)度　kg/m3

1.2測試方法

將養(yǎng)護(hù)至28d 后的混凝土試件進(jìn)行耐久性測試。硫酸鹽侵蝕和氯離子滲透均參照 GB/T50082－2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進(jìn)行試驗。試驗中設(shè)計抗硫酸鹽等級為 KS120，在干濕循環(huán)30次、60次、90次、120次和150次時觀察試樣侵蝕情況并測試試樣抗壓強(qiáng)度得出抗壓強(qiáng)度抗蝕系數(shù)。試樣的抗壓強(qiáng)度抗蝕系數(shù)按式（1）進(jìn)行計算。

式中：Kf——抗壓強(qiáng)度抗蝕系數(shù)；

fcn——N 次循環(huán)后試樣抗壓強(qiáng)度測定值；

fc0——同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣強(qiáng)度測定值。

采用 S-3500N 型 SEM 進(jìn)行試樣形貌分析；氯離子滲透采用電通量法，取3個試樣電通量算術(shù)平均值作為該組試樣電通量測定值；采用 AutoPoreIV9500V1.09全自動壓汞儀測定混凝土孔徑分布情況。

2　試驗結(jié)果與討論

2.1硫酸鹽侵蝕試驗

按照試驗要求測試并計算試樣1～6各自抗蝕系數(shù)，試驗結(jié)果如圖1所示。試樣浸泡在5% 的 NaSO4溶液中，抗蝕系數(shù)基本呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。在試驗初期試樣抗壓強(qiáng)度在緩慢增長，但隨著侵蝕介質(zhì)在混凝土內(nèi)部的遷移，侵蝕介質(zhì)與水泥漿體的組分發(fā)生離子交換反應(yīng)，生成易溶解或沒有膠結(jié)能力的產(chǎn)物，同時水泥水化產(chǎn)物與 SO42-反應(yīng)生成鈣礬石和石膏，伴隨著體積膨脹引起混凝土開裂，破壞漿體結(jié)構(gòu)[1-2]，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。從圖1、表3可以看出，礦渣水泥試樣1～3比普硅水泥試樣4～6具有更好的抗硫酸鹽侵蝕的性能，經(jīng)歷干濕循環(huán)150次后，礦渣水泥試樣抗蝕系數(shù)保持在0.95左右，而相同條件下普硅水泥試樣抗蝕系數(shù)在0.80左右，表明礦渣水泥試樣1～3抗硫酸鹽侵蝕性能較好。相同條件下，水膠比對試樣的抗蝕系數(shù)也有很大的影響，試樣2、試樣5水膠比為0.3，抗蝕系數(shù)分別大于水膠比為0.35的試樣1、試樣4，較大的水膠比試樣水化后留下更多的孔洞，使水泥漿體不夠密實，更容易受到侵蝕介質(zhì)的破壞。試樣3、試樣6分別比試樣1、試樣4摻入更多的摻合料，其抗硫酸鹽侵蝕能力相對較好，尤其經(jīng)歷干濕循環(huán)100次以上效果更為突出。

圖1　混凝土抗蝕系數(shù)經(jīng)時變化結(jié)果

表3　混凝土不同齡期抗蝕系數(shù)經(jīng)時變化結(jié)果

圖2反映的是試樣1和試樣4養(yǎng)護(hù)90d 后形貌圖。從圖2中可以看出，試樣1水化漿體存在大量的細(xì)針狀或柱棒狀鈣礬石晶體，并與纖維狀的水化硅酸鈣凝膠彼此間交叉、連生在一起，共同構(gòu)成漿體的骨架，為試樣提供強(qiáng)度保證。礦粉和粉煤灰的摻入使不同尺寸、不同形狀的顆粒在漿體中分散存在，級配更加合理，使孔徑和孔隙連通度降低，能夠有效阻礙外部 SO42-進(jìn)入水泥基材料內(nèi)部，提高抗硫酸鹽侵蝕性能[3]。從試樣1形貌圖中可以明顯看到片狀礦渣顆粒被周圍水化硅酸鈣凝膠包圍，以及與部分殘缺氫氧化鈣晶體緊密結(jié)合的形態(tài)特征，這說明體系中的活性 SiO2及 Al2O3組分與氫氧化鈣發(fā)生了火山灰反應(yīng)，而且礦渣水泥中加入了礦渣取代了水泥熟料，從而減少了易被侵蝕成分氫氧化鈣和鋁酸三鈣的含量[4-5]。相比之下試樣4形貌圖中可以看到六方板狀氫氧化鈣晶體，火山灰反應(yīng)不夠充分，因而試樣1比試樣4擁有更好的抗硫酸鹽侵蝕能力。

圖2　混凝土試樣 SEM 形貌圖

2.2氯離子滲透試驗
按照試驗要求測試六組混凝土試樣電通量，結(jié)果如圖3所示。

圖3　混凝土電通量測試結(jié)果

從圖3可以看出，試樣2、試樣5電通量小于試樣1、試樣4，說明隨著試樣水膠比增加，試樣電通量增大。試驗中各試樣6h 總電通量都低于1000C，均有較好的抗氯離子滲透性能，達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)。水泥品種對試樣抗?jié)B性影響較大，相比之下普硅水泥試樣4～6比礦渣水泥試樣1～3擁有更突出的抗氯離子滲透性能。礦渣顆粒疏松多孔，呈尖銳的異形，水泥漿體不易包裹[5]，因而普硅水泥試樣抗氯離子滲透性能較好。同理可知，摻入大量礦物摻合料的試樣3、試樣6電通量值分別高于試樣1、試樣4。

試樣的抗氯離子滲透性主要取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性，與對應(yīng)漿體內(nèi)部孔徑分布密切相關(guān)。為探索試樣抗氯離子滲透性的差異，通過壓汞試驗測定了試樣1和試樣4的孔隙率、孔徑分布情況，結(jié)果如圖4、表4所示?；炷量壮叽绶植伎煞譃樗膫€范圍：凝膠微孔(＜4.5nm)，間隙孔(4.5～50nm)，中等毛細(xì)管孔(50～100nm)，粗毛細(xì)管孔(＞100nm)。大于50nm 的毛細(xì)孔常被看作宏觀孔，對強(qiáng)度、滲透性影響較大，小于50nm 的毛細(xì)孔被看作微觀孔，對干縮和徐變具有重要影響[4-6]。從圖4可以看出，試樣1孔隙率和平均孔徑都高于試樣4，試樣1中大于50nm 的中等毛細(xì)管孔和粗毛細(xì)管孔含量較高。而試樣4含有大量的間隙孔，大孔比例降低，小孔比例增大，孔徑分布更加合理，因而其抗氯離子滲透性較好，電通量更低。

圖4　試樣孔結(jié)構(gòu)分析

表4　試樣孔結(jié)構(gòu)分析

3　工程實體模型

根據(jù)以上試驗結(jié)論可知，通過優(yōu)化普硅水泥混凝土的膠凝材料組成，水膠比及骨料后能夠滿足該工程抗氯離子滲透和抗硫酸鹽侵蝕的性能，并綜合考慮強(qiáng)度發(fā)展情況，故采用編號5的配比進(jìn)行試驗段澆筑。大體積實體模型尺寸為7m×6m×3.5m，采用履帶機(jī)直卸連續(xù)澆筑成型，澆筑至150cm 厚布一層冷卻水管，間距50cm，充入循環(huán)冷卻水。中心及側(cè)表面埋設(shè)測溫線。從模板四周向中心攤鋪混凝土，采用插入式振動棒按50cm 的分層厚度進(jìn)行振搗，不漏振不過振。初凝后至終凝前采取二次振搗，并進(jìn)行了人工光面直至終凝。澆注完終凝后，表面進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。12小時后拆模，拆模后采取土工布+薄膜+土工布的養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行保溫保濕[7]，通冷卻水養(yǎng)護(hù)5d。實體試驗結(jié)果表明，材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化和保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施均取得了良好的效果，實體試驗塊中心溫度峰值出現(xiàn)時間點在澆注完后第42小時，中心最高溫度68.3℃，內(nèi)表溫差均在25℃ 以內(nèi)。本次實體模型混凝土均未出現(xiàn)明顯裂縫，無砂斑、砂線等缺陷，表觀質(zhì)量良好（如圖5所示），達(dá)到設(shè)計的要求。

圖5　某工程大體積混凝土實體模型

4　結(jié)論

（1）試驗中礦渣水泥試樣比普硅水泥試樣具有更好的抗硫酸鹽侵蝕的性能。經(jīng)歷干濕循環(huán)150次后，礦渣水泥試樣抗蝕系數(shù)保持在0.95左右，而相同條件下普硅水泥試樣抗蝕系數(shù)約為0.80。試樣抗蝕系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，隨著SO4

2-在試樣內(nèi)部的遷移，固相組分逐漸溶解，并生成鈣礬石和石膏伴隨體積膨脹引起試樣開裂，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

（2）試驗中普硅水泥試樣比礦渣水泥試樣具有更好的抗氯離子滲透性能。壓汞試驗顯示普硅水泥試樣平均孔徑比礦渣水泥試樣小37.1%，僅為8.80nm。普硅水泥試樣整體孔分布趨于細(xì)化，有害孔比例較小。試樣6h 總電通量都低于1000C，達(dá)到Ⅰ類抗?jié)B標(biāo)準(zhǔn)，滿足該工程抗?jié)B要求。水膠比對試樣抗氯離子滲透性影響較大，在條件允許情況下盡量選用低水膠比。

（3）力學(xué)試驗結(jié)果表明，試樣1～6基本滿足強(qiáng)度要求，尤其普硅水泥試樣28d 達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求，并有一定的富余。通過原材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化和保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施制得大體積試驗?zāi)Ｐ停闯霈F(xiàn)明顯裂縫，無砂斑、砂線等缺陷，表觀質(zhì)量良好，滿足設(shè)計要求。

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［通訊地址］ 湖南省長沙市天心區(qū)芙蓉南路西湖村（410000）

楊瓊輝，男，高級工程師，主要研究方向：混凝土裂縫防治及耐久性分析、高性能混凝土設(shè)計。