海工輕骨料混凝土力學(xué)和耐久性能的試驗(yàn)研究

周曉朋，曹禹，王娜，曹忠露，李沛

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司軌道交通分公司，北京 100088）

0 引言

為縮小結(jié)構(gòu)斷面，減輕結(jié)構(gòu)自重，需要在海洋環(huán)境中使用氯離子擴(kuò)散系數(shù)低、耐久性好的高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)輕骨料混凝土的配制技術(shù)和制作養(yǎng)護(hù)工藝[1-4]、輕骨料混凝土的強(qiáng)度和耐久性因素[5-8]、輕骨料混凝土施工應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題及其解決辦法[9-13]等進(jìn)行了大量的研究，但涉及海洋和遠(yuǎn)海環(huán)境下輕骨料混凝土性能演化的報(bào)道較少。

對(duì)于水域較淺且地形地貌復(fù)雜的離岸海洋島礁建設(shè)，可采用預(yù)制沉箱快速成陸。采用普通混凝土預(yù)制沉箱因上部結(jié)構(gòu)自重過(guò)大、吃水深，還需對(duì)下部基礎(chǔ)進(jìn)行處理，不僅消耗大量的人力、物力、財(cái)力，而且施工工藝復(fù)雜，不方便運(yùn)輸。此外，遠(yuǎn)海島礁的海洋環(huán)境存在高溫高濕、高氯鹽、高紫外線的“三高”特點(diǎn)，氣候條件惡劣，對(duì)沉箱混凝土自重和耐久性提出了更高的要求。因此，使用輕質(zhì)混凝土建造淺吃水沉箱對(duì)海洋島礁的綠色開(kāi)發(fā)具有重要意義。

本文借鑒國(guó)內(nèi)外輕骨料混凝土制備經(jīng)驗(yàn)，選取不同種類的陶粒，進(jìn)行輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)，對(duì)輕骨料混凝土的拌合物性能、力學(xué)性能及抗氯離子滲透性能進(jìn)行研究，制備出滿足水運(yùn)工程要求的輕骨料混凝土，并對(duì)遠(yuǎn)海地區(qū)輕骨料混凝土的耐高溫高濕、高氯鹽、高紫外線性能進(jìn)行研究，為輕骨料混凝土在海洋工程中的應(yīng)用提供一定參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

①水泥：天津生產(chǎn)的駱駝牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

②細(xì)骨料：綏中河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。

③減水劑：江蘇蘇博特PCA-Ⅰ型聚羧酸高性能減水劑。

④拌合用水：地下水。

⑤粉煤灰：漳州電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰。

⑥礦粉：唐山唐龍S95級(jí)礦粉。

⑦ 陶粒：廣西產(chǎn)600級(jí)、700級(jí)黏土陶粒，天津產(chǎn)700級(jí)、1 000級(jí)黏土陶粒，其各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。廣西產(chǎn)700級(jí)陶粒筒壓強(qiáng)度最大、1 h吸水率最低、性能最佳，廣西產(chǎn)600級(jí)陶粒性能次之，天津產(chǎn)700級(jí)和1 000級(jí)陶粒性能較差。輕骨料孔結(jié)構(gòu)與輕骨料的筒壓強(qiáng)度也有一定的聯(lián)系，若孔的尺度較小，且互不連通，則輕骨料的筒壓強(qiáng)度就高。廣西產(chǎn)700級(jí)黏土陶粒顆粒表面光滑、開(kāi)裂較少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，孔多呈球狀，孔隙封閉不貫通，且不易被水飽和，這也是此類輕骨料吸水率較小的原因。

表1 不同種類黏土陶粒的各項(xiàng)性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of different clay ceramsites

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)工程要求，輕骨料混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C30、坍落度200 mm±20 mm、干表觀密度1 660～1 750 kg/m3、抗氯離子滲透性不大于2 000 C。依據(jù)JGJ/T 12—2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》采用松散體積法進(jìn)行輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)，見(jiàn)表2。首先通過(guò)分析陶粒種類對(duì)輕骨料混凝土性能的影響，選出最佳陶粒；然后再用此陶粒配制基準(zhǔn)混凝土，分析粉煤灰和礦粉等摻合料對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)和耐久性能的影響，確立摻合料的最佳摻量，并確定綜合性能最佳的輕骨料混凝土配合比；最后用此配合比成型兩批試件，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)56 d后取出，放在高溫高濕、高氯鹽、高紫外線模擬試驗(yàn)箱中，一批置于試件架上（模擬大氣環(huán)境），一批置于裝有海水的潮汐槽中（模擬潮汐環(huán)境），以檢驗(yàn)“三高”環(huán)境下輕骨料混凝土力學(xué)和耐久性能的演化。

依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行混凝土拌合物性能試驗(yàn)，依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗氯離子滲透及碳化性能試驗(yàn)。

表2 輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 2 Mix design of lightweight aggregate concrete kg·m-3

高溫高濕、高氯鹽和高紫外線的“三高”環(huán)境，通過(guò)WS-756型恒溫恒濕試驗(yàn)箱進(jìn)行模擬，試驗(yàn)箱內(nèi)設(shè)有試件架、潮汐槽、溫濕度調(diào)控系統(tǒng)和紫外光照射系統(tǒng)。試驗(yàn)箱溫度范圍為-10～+50℃，相對(duì)濕度范圍為60%～98%，使用UVB-313燈產(chǎn)生紫外線照射，輻照強(qiáng)度為1.23 W/m2@310 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 陶粒種類和摻合料對(duì)輕骨料混凝土拌合物性能影響

陶粒種類和摻合料對(duì)輕骨料混凝土拌合物性能的影響見(jiàn)表3。采用1 000級(jí)陶粒的混凝土干、濕表觀密度均最大，700級(jí)陶?；炷恋拇沃?，600級(jí)陶粒的混凝土干、濕表觀密度最小。輕骨料混凝土的密度主要取決于所用骨料的堆積密度，骨料堆積密度越小，輕骨料混凝土的密度越低。

表3 陶粒種類和摻合料對(duì)輕骨料混凝土拌合物性能影響Table 3 Influence of ceramsite type and mineral admixture on mixture performance of lightweight aggregate concrete

與基準(zhǔn)水泥的輕骨料混凝土相比，摻加粉煤灰和礦粉后，輕骨料混凝土干、濕表觀密度均略有降低。粉煤灰、礦粉的摻入可改善輕骨料混凝土拌合物的和易性，隨著摻合料摻量的增加，拌合物的坍落度和擴(kuò)展度提高。

2.2 陶粒種類對(duì)混凝土力學(xué)和耐久性能影響

陶粒種類對(duì)混凝土力學(xué)和耐久性能影響見(jiàn)表4。在水膠比和水泥用量不變的情況下，廣西產(chǎn)700級(jí)陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均最高，廣西產(chǎn)600級(jí)陶粒和天津產(chǎn)700級(jí)陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度次之，天津產(chǎn)1 000級(jí)陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均最低。由表1和表4可知，輕骨料混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度與陶粒的吸水率和筒壓強(qiáng)度密切相關(guān)，陶粒的吸水率越小、筒壓強(qiáng)度越大，輕骨料混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度越高。陶粒的選用對(duì)輕骨料混凝土的力學(xué)強(qiáng)度影響顯著。

表4 陶粒種類對(duì)混凝土力學(xué)和耐久性能影響Table 4 Influence of ceramsite type on mechanical and durability of lightweight aggregate concrete

在水膠比和膠材用量不變時(shí)，陶粒種類和性能的變化對(duì)輕骨料混凝土的耐久性也產(chǎn)生一定的影響。廣西產(chǎn)700級(jí)陶?；炷恋碾娡亢吐入x子遷移系數(shù)均最低，廣西產(chǎn)600級(jí)陶粒和天津產(chǎn)700級(jí)陶粒的混凝土次之，天津產(chǎn)1 000級(jí)陶粒混凝土的電通量和氯離子遷移系數(shù)最高。陶粒的吸水特性與陶?；炷恋碾娡亢吐入x子遷移系數(shù)明顯相關(guān)，陶粒的孔隙特性對(duì)輕骨料混凝土的耐久性能影響顯著。

2.3 摻合料對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)和耐久性能影響

基于上述4種陶粒對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響結(jié)果，選用廣西產(chǎn)700級(jí)陶粒配制基準(zhǔn)輕骨料混凝土（G-7-1），通過(guò)摻加不同比例的粉煤灰和礦粉，分析摻合料對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)和耐久性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 摻合料對(duì)輕骨料混凝土力學(xué)性能影響Table 5 Influence of mineral admixture on mechanical properties of lightweight aggregate concrete

表6 摻合料對(duì)輕骨料混凝土耐久性能影響Table 6 Influence of mineral admixture on durability of lightweight aggregate concrete

與基準(zhǔn)輕骨料混凝土（G-7-1）相比，單摻粉煤灰、雙摻粉煤灰和礦粉后，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均有所降低，碳化深度有所增加；但抗氯離子滲透性能得到改善，且所有混凝土的抗水滲透性能均滿足＞P12的要求。

由表3、表5和表6的試驗(yàn)結(jié)果可知，雙摻15%粉煤灰和15%礦粉的輕骨料混凝土（G-7-5）在拌合物和易性、強(qiáng)度和耐久性方面均具有較好性能。

2.4“三高”侵蝕環(huán)境下輕骨料混凝土性能

選用雙摻15%粉煤灰和15%礦粉的輕骨料混凝土（G-7-5）成型兩批試件，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)56 d后取出，放在高溫高濕、高氯鹽、高紫外線模擬試驗(yàn)箱中，一批置于試件架上（模擬大氣區(qū)），一批置于裝有海水的潮汐槽中（模擬潮汐區(qū)）。模擬試驗(yàn)箱的溫度設(shè)定為35.0℃，相對(duì)濕度設(shè)定為85%，使用UVB-313燈產(chǎn)生紫外線照射，其輻照強(qiáng)度為1.23 W/m2@310 nm。間隔4個(gè)月檢測(cè)1次模擬大氣區(qū)和潮汐區(qū)中的試件強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能，結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1“三高”環(huán)境下輕骨料混凝土強(qiáng)度演化Fig.1 Strength evolution of lightweight aggregate concrete in"three high"environment

圖2“三高”環(huán)境下輕骨料混凝土抗氯離子滲透性能演化Fig.2 Evolution of chloride ion penetration resistance of lightweight aggregate concrete in"three high"environment

在模擬環(huán)境下，置于大氣區(qū)的輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度均高于相同齡期潮汐區(qū)的輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度，“三高”環(huán)境下大氣區(qū)和潮汐區(qū)的混凝土抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加均呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象。位于潮汐區(qū)的輕骨料混凝土在齡期為6個(gè)月時(shí)，抗壓強(qiáng)度值達(dá)最大（53.0 MPa），之后開(kāi)始呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；而置于大氣區(qū)的輕骨料混凝土在齡期為10個(gè)月時(shí)，抗壓強(qiáng)度值達(dá)最大（54.9 MPa），隨后抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低，但降低幅度低于潮汐區(qū)的輕骨料混凝土。這說(shuō)明“三高”環(huán)境下潮汐對(duì)輕骨料混凝土的侵蝕作用相對(duì)更加嚴(yán)酷，對(duì)輕骨料混凝土的力學(xué)性能影響更加明顯。

在模擬環(huán)境下，置于大氣區(qū)的輕骨料混凝土的抗氯離子滲透性能優(yōu)于相同齡期潮汐區(qū)的輕骨料混凝土的抗氯離子滲透性能，“三高”環(huán)境下輕骨料混凝土電通量隨著齡期的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，位于潮汐環(huán)境下的輕骨料混凝土在齡期為6個(gè)月時(shí)，電通量值達(dá)最低（531 C），之后開(kāi)始呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)；“三高”環(huán)境下大氣區(qū)的輕骨料混凝土電通量的增加幅度低于潮汐區(qū)的輕骨料混凝土電通量的增加幅度。潮汐對(duì)輕骨料混凝土抗氯離子滲透性能的退化作用影響更加顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

陶粒的選用對(duì)輕骨料混凝土的力學(xué)強(qiáng)度影響顯著。輕骨料混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度與陶粒的吸水率和筒壓強(qiáng)度密切相關(guān)，陶粒的吸水率越小、筒壓強(qiáng)度越大，輕骨料混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度越高。

摻加粉煤灰和礦粉后，輕骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均有所降低，碳化深度有所增加；但抗氯離子滲透性能得到改善。

在海洋“三高”環(huán)境作用下，大氣區(qū)的輕骨料混凝土強(qiáng)度和耐久性均高于同齡期潮汐區(qū)的輕骨料混凝土強(qiáng)度和耐久性，潮汐對(duì)輕骨料混凝土性能退化的影響更加顯著。