某码头胸墙海工高性能混凝土配制技术及性能研究

2016-10-21王亚州刘毅强

中小企业管理与科技·下旬刊 2016年7期

王亚州刘毅强

摘要：通过对沙特东部地区混凝土原材料试验以及胸墙结构服役耐久性要求，设计出掺入粉煤灰、硅灰、矿粉等不同外掺料的6个初始配合比；通过对各配合比的工作性能和力学性能以及耐久性等指标进行试验对比，优选出双掺粉煤灰和矿粉，满足海工高性能要求的码头胸墙混凝土配合比。

关键词：氯离子渗透；掺合料；水胶比；浆骨比；TG-DSC；孔结构

中图分类号： U2.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）21-109-31 概述

沙特海尔港四期码头工程地处波斯湾海岸，属Ⅲ类环境即海水氯化物引起钢筋锈蚀的近海或海洋环境。该工程主体结构构件包括预制方块及码头胸墙，码头岸线全长1258米（含南北侧拐角段），码头前沿长度1058米。码头胸墙结构构件处于浪溅区内，环境作用等级为E～F级，即腐蚀非常严重或极端严重。为保证码头工程构件达到设计使用寿命50年的要求，需要对混凝土进行耐久性设计。混凝土材料的耐久性是结构耐久性的前提和基础，对混凝土材料耐久性参数的研究和控制是当前土木工程领域保证结构使用寿命的基本方法。

2 环境特点及混凝土技术要求

①工程地处沙特沙漠地带，混凝土用骨料与国内有较大区别，主要体现在细骨料为沙丘沙，细度模数小；粗骨料均来自沙漠地表下的岩石破碎，该岩石普遍存在风化严重，强度较低，吸水率高，石料表面孔洞明显，给高抗渗性混凝土的配制带来一定难度。②沙特地区粉煤灰等矿物掺合料资源匮乏，考虑到工程耐久性与经济性的平衡，同时工程结构为大体积混凝土结构，大体积混凝土温控防裂形式严峻。③沙特地区年均温度高，昼夜温差大，且处于腐蚀等级较高的近海或海洋环境，混凝土抗裂性、抗氯离子渗透性、抗碳化性等耐久性要求高。④本工程胸墙混凝土的强度等级为C40，采用泵送施工工艺，同时胸墙混凝土为大体积混凝土，考虑温度开裂。

3 原材料试验

3.1 水泥

本工程选择的水泥为Easten Cement水泥厂生产的Type I型OPC（Ordinary Portland Cement 普通硅酸盐水泥），其物理力学性能见表3.1。

3.2 粉煤灰

沙特本地以石油为主要燃料，各资源匮乏，硅粉和高炉矿渣均来自中国，粉煤灰来自印度，其物理性能见表3.2。

3.3 细集料

混凝土细集料为沙丘砂，来自沙特东部沙漠地区，其物理性能指标见表3.3。

3.4 粗集料

本工程选择的粗集料均来自沙漠地表下的岩石破碎，该岩石普遍存在风化严重，强度较低，吸水率高。粗集料为2级配碎石，其物理性能指标见表3.4。

3.5 外加剂

本工程选用西卡外加剂，减水率为28%。

4 配合比设计思路及参数选择

4.1 配合比设计原则

码头胸墙混凝土配合比设计以耐久性为核心，抗裂性和抗渗性并重，同时兼顾混凝土工作性能，确保各项性能均衡发展。

4.2 配合比设计参数选择

①水胶比。本结构混凝土所处的环境腐蚀等级较高，根据强度等级、耐久性要求，码头胸墙混凝土水胶比可控制在0.32～0.35。

②浆骨（体积）比。在水胶比一定的情况下的用水量或胶凝材料总量，或骨料总体积用量即反映浆骨比。对于泵送混凝土，按表4.1选择，同时参照国内外规范中对最小和最大胶凝材料的限定范围，由试配拌和物工作性确定，取尽量小的浆骨比值。水胶比一定时，浆骨比小的，强度会稍低、弹性模量会稍高、体积稳定性好、开裂风险低，反之亦然。

③砂率。本工程粗细集料与国内差异较大，其中粗集料多为岩石风化形成，表面较为粗糙，为保证混凝土工作性满足施工要求，需要适当增加混凝土的砂率；同时本工程所用细集料为沙丘沙，细度模数小，当砂率较大时，容易引起混凝土体积稳定性差，导致混凝土开裂，综合两者之间的平衡，通过试验方法确定本工程混凝土的砂率在40%～43%之间。

4.3 矿物掺合料掺量

本工程中，对抗裂要求较高的胸墙大体积混凝土考虑掺入矿粉和粉煤灰。

5 码头胸墙配合比设计及性能研究

根据技术规格书对混凝土的技术要求，对混凝土关键参数的初步范围确定，同时考虑到現浇大体积混凝土的开裂敏感性，提出6个初步配合比采用现场原材料开展了混凝土配制工作，在试验过程中测试了混凝土的坍落度及坍落度损失（5min，30min及60min），含气量及容重。分别留样测抗压强度（1d，7d &28d），劈裂抗拉强度（28d）以及抗氯离子渗透性（28d）和抗水渗性能（28d），比选出最优胸墙海工高性能混凝土配合比。设计配合比如表5.1所示。

5.1 新拌混凝土工作性

混凝土试验过程中，对混凝土的坍落度、出机温度、容重及含气量进行了测量，并测量了混凝土1h内的坍落度损失，试验结果如表5.2所示。

从表5.2中可以看出，新拌混凝土的坍落度均大于160mm，混凝土流动性较好，完全满足泵送混凝土的施工要求。从试验结果可以看出，混凝土坍落度损失较大，尤其是参加硅灰的配合比，与不参加硅灰的配合比比较而言坍落度损失较快，30min后坍落度降低到130mm，造成混凝土流动性变差，不利于混凝土施工。从现场试拌结果看混凝土匀质性较好，不泌水，粘聚性好。

5.2 力学性能及耐久性

混凝土硬化后对其1d、7d、28d抗压强度、劈裂抗拉强度进行了测定用以表征混凝土的力学强度，对其电通量及抗水渗性能测定用以表征混凝土的耐久性能。表5.3为不同配合比下混凝土力学性能及耐久性能检测结果。

从表5.2及表5.3中可以看出，6个配合比的工作性、力学性能及耐久性能均能满足设计要求。4#与6#配合比胶凝材料用量较大，且粉煤灰用量大，考虑到混凝土早期强度较低，服役环境恶劣，容易导致耐久性不能满足要求。2#与5#配合比均使用了硅灰，混凝土的坍落度损失较大，容易使得混凝土的工作性较难控制，开裂敏感性强，硅灰的掺入增加了混凝土的开裂风险，不建议使用。1#配合比与3#配合比性能相近，且力学性能、抗氯离子渗透性能优异，考虑到胸墙混凝土均位于水面以上，除抗渗性外混凝土的抗碳化性能也尤为重要。为保证工程质量，现从抗裂性、抗碳化性能及微观层面对配合比1#和3#进行优选。

5.2.1 抗裂性

。5.2.2 抗渗性

5.2.3 抗碳化

胸墙混凝土位于水面浪溅区和水上区，在当地高温高湿环境下，混凝土很容易因碳化引起腐蚀。为保证混凝土质量，现对两配合比的抗碳化性能进行比较。（表5.5）

由28d碳化深度可知，粉煤灰与矿粉复掺较单掺粉煤灰抗碳化性能略有改善。研究表明，影响碳化的最主要因素是混凝土本身的密实性和碱性物质储备的大小，即混凝土的渗透性及其Ca（OH）2碱性物质

含量的大小。因此，分别从测量混凝土内

Ca（OH）2含量和其孔结构分析两方面来分析。

①TG-DSC分析。TG-DSC分析是一种通过测量不同温度下物质质量的变化来分析物质化学组成及其含量的方法。一般来说，在温度升高的过程中，水泥水化产物中的自由水在100℃以下脱去，在100℃～400℃时孔隙水和层间水脱去，在400℃～600℃时Ca（OH）2分解，

而CaCO3在温度达到700℃之后分解。图5.3为混凝土的TG-DSC曲线。

TG-DSC分析的试样取自不同粉煤灰掺量混凝土未经过碳化的混凝土试样和经过28天碳化的混凝土试样，从混凝土中提取水泥浆体，并磨细过80μm筛后进行热重分析。分析主要针对单掺粉煤灰的1#配合比试样、粉煤灰矿粉复掺的3#配合比试样进行。图5.4为不同配比混凝土在碳化前后的DSC曲线。由图中可以看出水泥浆体中Ca（OH）2的吸热峰大概在

437℃左右，CaCO3的吸热峰大约在723℃左右。对比未被碳化混凝土的DSC曲线，双掺粉煤灰和矿粉的3#配合比试样弱于单掺粉煤灰试样。经过28天的碳化反应后，试样的DSC曲线中均无明显的Ca（OH）2吸热峰出现。

CaCO3的分解区间640℃-800℃计算。表5.6为不同配比混凝土试样内部Ca（OH）2和 CaCO3的含量计算结果。

根据计算结果可看出，对于不同配比的混凝土试样，单掺粉煤灰的试样1#配合比试样与粉煤灰矿粉复掺的3#配合比试样相比，Ca（OH）2含量相对较高一些，这主要由混凝

土配比中的水泥用量决定。3#配合比试样中矿粉替代了部分水泥用量，故其内部Ca（OH）2量更低。

根据碳化机理分析，混凝土的碳化反应基于混凝土内部Ca（OH）2的消耗。对比两种配比的混凝土，Ca（OH）2含量较高的3#试样内部用于碳化反应消耗的碱含量更高，从这方面来说，更有利于混凝土的抗碳化性能。相比起来，1#配合比试样中碱含量相对较低，更易受到外界CO2的侵入而发生碳化。

②孔结构。孔结构的测试结果见图5.2。结果表明，粉煤灰与矿粉的复掺相对于单掺粉煤灰来说，引起混凝土中的大孔向中小孔转化，使其内部结构更为均匀；基于Ca（OH）2量的变化和孔结构的数据能够很好解释粉煤灰和矿粉复掺能提高抗碳化性能。综合以上试验研究结果，3#配合比的耐久性能优于1#配合比。

6 结论

通过对原材料的试验选择和配合比试配，以及对试验样本的性能对比分析，优选出3#配合比为码头胸墙海工高性能混凝土的最佳配合比。

参考文献

[1] ACI 305R-99.Hot Weather Concreting[S].

[2] 劉松，屠柳青，等.荆岳长江公路大桥南塔承台大体积混凝土温度裂缝控制[J].施工技术，2008，12（37）：49-51.

[3] 刘松，屠柳青，等.大掺量粉煤灰混凝土在荆岳长江公路大桥承台中的应用[J].粉煤灰综合利用，2009（1）：41-43.