大摻量摻合料對(duì)海工混凝土耐久性的影響及工程實(shí)證

徐強(qiáng)，李鋒，樂(lè)勇，顧柯燕，方輝，王琦懿

（1.浙江大學(xué) 海洋研究院，浙江 舟山316021；2.舟山市大昌預(yù)拌混凝土有限公司，浙江 舟山316013；3.舟山市匯邦建材有限公司，浙江 舟山 316021）

0 前言

鋼筋混凝土是海洋工程建設(shè)的主體結(jié)構(gòu)材料，在嚴(yán)酷的海洋環(huán)境下會(huì)因腐蝕而過(guò)早失效[1]。為了提高混凝土的耐久性，選用優(yōu)質(zhì)原材料、加入摻合料和化學(xué)外加劑、采用低水膠比是制備海工混凝土的必要前提[2]，其中大摻量粉煤灰或礦粉可以明顯降低氯離子在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)[3]，摻加阻銹劑是抑制鋼筋腐蝕最簡(jiǎn)單有效的方法[4]。海工高性能混凝土已在杭州灣跨海大橋、港珠澳大橋等國(guó)家重點(diǎn)工程中應(yīng)用，所以在海島城市工程設(shè)施中大規(guī)模推廣海工混凝土也顯得非常重要。

本文以提高混凝土抗氯離子侵蝕性能為目標(biāo)，采用摻加粉煤灰、磨細(xì)礦粉、阻銹劑及低水膠比等措施，利用舟山市當(dāng)?shù)卦牧显O(shè)計(jì)抗氯離子侵蝕的高性能混凝土，并在舟山市小干至長(zhǎng)峙跨海通道工程中應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：舟山市銀馬水泥有限公司海螺牌P·O42.5水泥，比表面積351 m2/kg，初、終凝時(shí)間分別為152、240 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28.0%，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為49.8、8.2 MPa。

粉煤灰：國(guó)能浙江舟山發(fā)電有限責(zé)任公司，Ⅱ級(jí)，需水量比99.2%，45μm篩篩余10.5%，燒失量2.42%。

礦粉：舟山市匯邦建材有限公司，S95級(jí)，密度2.87 g/cm3，活性指數(shù)98%，比表面積409 m2/kg，流動(dòng)度比100%。

河砂：細(xì)度模數(shù)2.6，表觀密度2590 kg/m3，含泥量0.6%。

石：5～25 mm連續(xù)級(jí)配凝灰?guī)r碎石，表觀密度2650 kg/m3，含泥量0.7%。

減水劑：舟山市匯邦建材有限公司產(chǎn)HB-Ⅰ萘系減水劑，含固量23.5%，摻量1.5%時(shí)砂漿減水率為16.5%。

阻銹劑：武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，SY-R型，含水量1.32%。

1.2 試驗(yàn)方法

選用工程用量較大的C35強(qiáng)度等級(jí)，礦物摻合料總摻量固定為40%[5]，分別研究單摻礦粉、單摻粉煤灰、復(fù)摻礦粉和粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響?；炷量箟簭?qiáng)度參照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)行測(cè)試，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)參照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)行測(cè)試，阻銹劑腐蝕電流參照J(rèn)GJ/T 192—2009《鋼筋阻銹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測(cè)試?；炷僚浜媳燃昂鸵仔砸?jiàn)表1。

表1 混凝土配合比及和易性

2 結(jié)果分析與討論

2.1 大摻量礦物摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響（見(jiàn)表2）

表2 大摻量礦物摻合料對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響

由表2可見(jiàn)：

（1）由于粉煤灰的活性指數(shù)較低[6]，當(dāng)摻入40%礦物摻合料后，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度都低于JZ組，且隨粉煤灰摻量的增加，下降幅度增大；由于礦粉對(duì)水泥基材料的活性效應(yīng)有積極的促進(jìn)作用[7]，單摻礦粉或粉煤灰與礦粉復(fù)摻時(shí)，混凝土的84 d抗壓強(qiáng)度高于JZ組，單摻粉煤灰組的84 d抗壓強(qiáng)度低于JZ組。

（2）與JZ組相比，單摻粉煤灰會(huì)使混凝土的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大，單摻礦粉或粉煤灰與礦粉復(fù)摻都會(huì)降低混凝土的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)；由于礦物摻合料對(duì)混凝土的密實(shí)作用[8]，84 d齡期時(shí)，摻40%摻合料都會(huì)使混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小，其中FK41組的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，為2.30×10-12m2/s，較JZ組減小了64.6%。

不同混凝土28 d齡期的SEM照片如圖1所示。

由圖1可見(jiàn)，JZ組和KF4、FK41組形貌比較接近，F(xiàn)M4組中含有大量的圓球。這是因?yàn)榉勖夯抑械膱A球漂珠影響了水泥的水化[9-10]，造成混凝土抗壓強(qiáng)度降低、氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大，故粉煤灰摻量不宜過(guò)多?？紤]到混凝土的綜合性能、施工成本以及粉煤灰的后期活性，本文選擇FK41組礦粉和粉煤灰的比例（25%礦粉+15%粉煤灰）進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖1 不同混凝土28 d齡期的SEM照片

2.2 鋼筋阻銹劑對(duì)混凝土耐久性的影響

復(fù)合鋼筋阻銹劑不僅能抑制鋼筋銹蝕反應(yīng)進(jìn)程，還能降低氯離子滲透能力[11]。本試驗(yàn)在FK41配比基礎(chǔ)上，按照膠凝材料質(zhì)量的1%、3%、5%、7%摻加阻銹劑。阻銹劑摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、168 h腐蝕電流的影響如表3所示，不同阻銹劑摻量混凝土腐蝕電流隨時(shí)間的變化如圖2所示。

表3 阻銹劑摻量對(duì)混凝土性能的影響

由表3可見(jiàn)，和對(duì)照組FK41相比，摻加阻銹劑后，混凝土的坍落度、擴(kuò)展度和28 d抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化；摻1%阻銹劑時(shí)混凝土的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)有所提高，當(dāng)阻銹劑摻量為3%、5%、7%時(shí)，混凝土的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)較FK41組分別減小了12.5%、13.4%、8.7%，平均減小了11.5%。

圖2 不同阻銹劑摻量混凝土腐蝕電流隨時(shí)間的變化

由圖2可見(jiàn)，隨著通電時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕電流不斷減小。隨阻銹劑摻量的增加，168 h腐蝕電流逐漸減小。未摻阻銹劑時(shí)，F(xiàn)K41組的168 h腐蝕電流仍有430μA。當(dāng)阻銹劑摻量為3%~7%時(shí)，168 h腐蝕電流小于150μA，參照J(rèn)GJ/T 192—2009可知，能對(duì)鋼筋進(jìn)行有效防護(hù)。從混凝土耐久性及工程成本考慮，阻銹劑摻量以3%為宜。

3 海工混凝土工程應(yīng)用驗(yàn)證

3.1 工程概況

舟山市小干至長(zhǎng)峙跨海通道是舟山嵊泗至定海的控制性工程，工程橫跨新城灣兩側(cè)，該工程全長(zhǎng)1456 m，全線按城市主干道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h。大橋橋面箱梁為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力高性能海工混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55，坍落度（180±20）mm，耐久性設(shè)計(jì)要求抗氯離子滲透小于1.5×10-12m2/s，是JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土抗氯離子滲透性能等級(jí)（RCM法）中最高等級(jí)RCM-V。

3.2 原材料及配合比

橋面箱梁工程混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C55、坍落度（180±20）mm，礦物摻合料及阻銹劑摻量參照本試驗(yàn)研究結(jié)果，混凝土施工配合比如表4所示。

表4 抗氯離子侵蝕高性能混凝土的配合比

水泥：舟山銀馬水泥有限公司海螺牌P·Ⅱ52.5水泥，比表面積355 m2/kg，初、終凝時(shí)間分別為148、225 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28.0%，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為61.2、8.9 MPa。

減水劑：舟山市匯邦建材有限公司產(chǎn)HB-V聚羧酸減水劑，含固量26.3%，摻量1.5%時(shí)砂漿減水率為27%。

粉煤灰、河砂、石、阻銹劑均參照1.1。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

施工單位對(duì)C55海工混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽檢，抗壓強(qiáng)度每100 m3留樣1組，共186組；氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM每1000 m3留樣1組，共15組。送第三方有檢測(cè)資質(zhì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 工程現(xiàn)場(chǎng)海工混凝土性能測(cè)試結(jié)果

表5的測(cè)試結(jié)果表明，抽檢混凝土強(qiáng)度合格，最低強(qiáng)度達(dá)57.8 MPa，平均強(qiáng)度75.9 MPa。84 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)最大值為1.30×10-12m2/s，平均值為1.25×10-12m2/s，符合氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤1.5×10-12m2/s的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）和JZ組相比，單摻礦粉或粉煤灰與礦粉復(fù)摻都會(huì)使混凝土的28 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)減??；84 d齡期時(shí)，摻加40%礦物摻合料都會(huì)使混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)減小，其中復(fù)摻15%粉煤灰+25%礦粉時(shí)混凝土的84 d抗氯離子滲透系數(shù)最小。

（2）摻加阻銹劑后，混凝土的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化；摻3%~7%阻銹劑，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)較未摻組有所減??；隨阻銹劑摻量的增加，168 h腐蝕電流逐漸減小，當(dāng)阻銹劑摻量為3%~7%時(shí)，腐蝕電流小于150μA，能對(duì)鋼筋進(jìn)行有效防護(hù)。

（3）施工單位對(duì)C55海工混凝土進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽檢，結(jié)果表明，所抽檢混凝土強(qiáng)度全部合格，最低抗壓強(qiáng)度達(dá)57.8 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為75.9 MPa；84 d氯離子擴(kuò)散系數(shù)最大值為1.30×10-12m2/s，平均值為1.25×10-12m2/s，符合氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤1.5×10-12m2/s的設(shè)計(jì)要求。