抗裂抗氯鹽侵蝕高性能混凝土試驗(yàn)研究

　　摘要：針對(duì)北方寒冷地區(qū)易受環(huán)境或化冰鹽中氯離子侵蝕的橋墩或塊體混凝土，進(jìn)行不同摻合料的混凝土配比試驗(yàn)，分析在不同水膠比混凝土中摻入不同組分的礦渣與粉煤灰時(shí)混凝土的強(qiáng)度、抗氯鹽侵蝕及抗裂性能相關(guān)參數(shù)的變化情況。試驗(yàn)表明，采用中熱水泥和摻量比例適當(dāng)?shù)娜M分膠凝材料，可配制出強(qiáng)度等級(jí)較高的滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求的具有良好抗裂與抗氯離子侵蝕能力的高性能混凝土。

　　關(guān)鍵詞：高性能混凝土,氯鹽侵蝕,熱裂縫,試驗(yàn)研究

　　1. 引言

　　20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，隨著對(duì)高性能混凝土的不斷研究，混凝土制作水平不斷提高，并形成以高強(qiáng)、高耐久性、高工作性為特征的“高性能混凝土(HPC)”新概念[1]。目前可以做到采用常規(guī)材料和工藝生產(chǎn)出抗壓強(qiáng)度達(dá)90MPa 以上的高強(qiáng)混凝土。但實(shí)際工程中除了強(qiáng)度要求外，往往還要求混凝土具有良好的體積穩(wěn)定性、抗裂及防鹽類(lèi)侵蝕性能。

　　處于氯鹽污染環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)如港口工程、大壩混凝土結(jié)構(gòu)及北方寒冷地區(qū)需撒化冰鹽的路橋工程及其墩塊體結(jié)構(gòu)，一方面因受氯離子的滲透侵蝕作用易導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生鋼筋銹蝕，另一方面由于結(jié)構(gòu)尺寸較大，容易產(chǎn)生溫度熱裂縫。當(dāng)裂縫達(dá)到一定開(kāi)度，就會(huì)影響其使用壽命。如歐盟有報(bào)告認(rèn)為，假如混凝土設(shè)計(jì)壽命為50 年，那么從鋼筋開(kāi)始銹蝕到致使混凝土裂縫開(kāi)度達(dá)到1.0mm 時(shí)，就被認(rèn)為達(dá)到壽命極限[2]。為此，香港的青馬大橋及長(zhǎng)江的三峽大壩均采用了嚴(yán)格的措施防止產(chǎn)生熱裂縫。一般要求采用低熱或超低熱水泥，按ASTM 規(guī)定：7 天相應(yīng)水化熱應(yīng)分別低于250J/g 或185J/g。因此，對(duì)此類(lèi)混凝土，既要求有抗氯離子侵蝕能力，又要求控制其水化熱過(guò)高以避免收縮開(kāi)裂。

　　本文針對(duì)用于北方寒冷地區(qū)易受環(huán)境或化冰鹽中氯離子侵蝕的橋墩或塊體混凝土，根據(jù)配制試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，分析在不同水膠比混凝土中摻入不同組分的礦渣與粉煤灰時(shí)混凝土的強(qiáng)度、抗氯鹽侵蝕及抗裂性能相關(guān)參數(shù)的變化情況[3]，為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。

　　2. 試驗(yàn)方案

　?。?） 試驗(yàn)材料: 水泥采用42.5#硅酸鹽水泥與52.5#中熱水泥；試驗(yàn)用砂級(jí)配良好，細(xì)度模數(shù)為2.68；碎石采用二級(jí)配石灰?guī)r碎石，含泥量為0.34%，壓碎指標(biāo)為1.0%，級(jí)配良好；拌和用水采用自來(lái)水，其氯離子含量為12mg/L；考慮到Mohammed TU[4, 5] 的長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果，即混凝土中摻入聚羧酸鹽系高效減水劑會(huì)對(duì)其抗壓強(qiáng)度的發(fā)展及抗氯化物侵蝕性能產(chǎn)生較大不利影響， 本試驗(yàn)中外加劑采用非聚羧酸鹽系高效減水劑[6]湛江FDN-5高效減水劑，其氯離子含量為0.5%，硫酸鈉含量為13%，其減水率為20%~25%；粉煤灰采用山西霍州電廠(chǎng)產(chǎn)Ⅰ級(jí)灰；礦渣粉采用馬鋼產(chǎn)磨細(xì)礦渣，比表面積為4500m2/kg。

　?。?）試樣制備: 制備18 組試樣，其中1-8 組水膠比采用0.30，9-18 組采用0.35，具體配合比（水泥：砂：石）采用情況見(jiàn)表1。

　?。?）測(cè)試項(xiàng)目: 測(cè)試膠凝材料不同齡期的水化熱；測(cè)試試件不同齡期的抗拉、抗壓強(qiáng)度；進(jìn)行混凝土氯離子電通量測(cè)試及絕熱溫升測(cè)試。各項(xiàng)測(cè)試均為研究分析雙組分（含水泥與礦碴或水泥與粉煤灰）和三組分（含水泥、礦碴、粉煤灰）膠凝材料配制混凝土的抗裂、抗拉壓強(qiáng)度及抗氯離子侵蝕能力等性能變化情況提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　3. 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　3.1 各因素對(duì)混凝土抗裂性能的影響

　　首先是摻合料對(duì)水泥膠凝材料水化熱的影響。根據(jù)不同時(shí)間不同試樣水化熱的測(cè)試結(jié)果（如圖1），當(dāng)膠凝材料中摻入50%的粉煤灰時(shí)， 其1d、3d、7d 水化熱可分別降低36%、30%和30%，當(dāng)粉煤灰摻量增加到55%時(shí)，其水化熱可分別降低53%、35%和32%。若膠凝材料中摻入75%的磨細(xì)礦渣粉，其 1d、3d、7d 水化熱可分別降低到45%、35%和35%。若采用30%水泥和70%摻合料（粉煤灰10%~20%，磨細(xì)礦渣50%~60%）膠凝材料，其1d、3d、7d 水化熱可分別降低65%、31%和28%。試驗(yàn)還證明粉煤灰比磨細(xì)礦渣的降低水化熱效果更明顯。另外，當(dāng)單摻磨細(xì)礦渣摻量小于60%時(shí)，它對(duì)膠凝材料水化熱的降低效果并不明顯。由試驗(yàn)得知，大摻量的粉煤灰、磨細(xì)礦渣或摻用兩種摻合料可以顯著降低膠凝材料的早期水化熱，對(duì)后期水化熱也有較大的降低作用[7]，并因此改善混凝土的抗裂性能。若摻入適量引氣劑（含氣量為3%～ 5%）, 還可大大改善其其抗凍性能[8]。

[Page]

　　其次是水泥品種的影響。為測(cè)試不同水泥品種對(duì)水化熱的影響，將42.5#硅酸鹽水泥與52.5#中熱水泥進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，并測(cè)試各自混凝土的絕熱溫升，試驗(yàn)按水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的方法進(jìn)行?；炷僚浜媳炔捎?.35：1：1.78：2.30。結(jié)果是：采用42.5#硅酸鹽水泥測(cè)得的相應(yīng)混凝土28天齡期的絕熱溫升為48℃，而采用52.5#中熱水泥時(shí)則為38℃。由此可以認(rèn)為，在大體積混凝土施工時(shí)，應(yīng)盡量避免采用硅酸鹽水泥，同時(shí)應(yīng)盡可能采用中、低熱水泥，以提高混凝土的抗裂性能。

　　再次是摻合料對(duì)混凝土干縮性能的影響。對(duì)試樣7、11、16、18 四組進(jìn)行了混凝土干縮試驗(yàn)， 結(jié)果圖2 所示。從不同齡期干縮試驗(yàn)結(jié)果看，同時(shí)摻礦渣與粉煤灰混凝土的干縮值小于只摻礦渣混凝土的干縮值，且隨水泥用量的增加而增大。

　　3.2 摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

　　在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選出試樣編號(hào)為5、11、15、16、17、18 共6 組的混凝土試樣進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，并對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出所有利用摻合料的混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)于基準(zhǔn)情況（水泥中不摻混合料）的強(qiáng)度均有所降低，具體影響結(jié)果見(jiàn)表2。

　　試驗(yàn)還表明，當(dāng)采用水膠比為0.30 的配合比時(shí)，除礦渣摻量大于70%的兩組配合比外，其它28 天抗壓強(qiáng)度均滿(mǎn)足C45 混凝土的強(qiáng)度要求。水膠比為0.35 的配合比，除粉煤灰摻量大于35%的兩組配合比外，其它28 天抗壓強(qiáng)度也滿(mǎn)足C45 混凝土的要求。所有配合比的90天抗壓強(qiáng)度均滿(mǎn)足C45 的強(qiáng)度要求。并測(cè)得6 組配合比的混凝土試樣28 天彈性模量在4.41×104~4.82×104MPa 之間，28 天抗拉強(qiáng)度在3.9~5.5MPa 之間，拉壓強(qiáng)度比為6.0%~11.0%，滿(mǎn)足C45 混凝土性能要求。

　　3.3 摻合料對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響

　　針對(duì)上述6 組配合比試樣進(jìn)行抗氯離子侵蝕試驗(yàn)，表3 為混凝土氯離子電通量試驗(yàn)結(jié)果。

[Page]

　　結(jié)果表明，當(dāng)其它條件相同，只摻礦渣時(shí)混凝土的28 天電通量要小于既摻礦渣又摻粉煤灰的混凝土電通量，并隨混合材取代水泥用量的增大而減小?；炷?0 天的電通量均小于28 天的電通量。這也證實(shí)了隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，混凝土將趨于更加致密的判斷。另外，摻礦渣和粉煤灰的6 組混凝土的電通量均小于500 庫(kù)侖，說(shuō)明試驗(yàn)混凝土具有良好的抗氯離子侵蝕能力[9, 10]，足以滿(mǎn)足橋梁混凝土相關(guān)規(guī)范對(duì)抵抗除冰鹽中氯離子侵蝕的性能要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析還表明，氯離子擴(kuò)散數(shù)量隨深度而遞減，混合摻有礦渣和粉煤灰的三組分混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比僅摻70%礦渣或僅摻50%粉煤灰的二組分混凝土要小。

　　4. 結(jié)論

　　（1）混凝土的抗裂及抗氯離子侵蝕性能可通過(guò)改變膠凝材料中摻合料的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　（2）大比例單摻粉煤灰或單摻磨細(xì)礦渣可顯著降低膠凝材料的早期水化熱，對(duì)后期水化熱也有較大的降低作用，采用三組分（含水泥、礦碴、粉煤灰）膠凝材料配制的混凝土，可以配制出絕熱溫升小并利于改善混凝土的抗裂性能的低熱混凝土。

　?。?）在降低水化熱方面，中熱水泥要優(yōu)于硅酸鹽水泥。利用中熱水泥，采用0.30－0.40的水膠比，摻加55%左右的磨細(xì)礦渣和15%左右的粉煤灰，可配制出強(qiáng)度等級(jí)滿(mǎn)足橋梁混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范要求的高性能混凝土，并具有良好的抗氯離子侵蝕能力。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]趙國(guó)藩. 高性能混凝土發(fā)展簡(jiǎn)介[J]. 施工技術(shù),2002 年4 月第31 卷第4 期:1-3

　　[2]劉秉京編著.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)[M]. 人民交通出版社,2007.02:201-233

　　[3]李淑進(jìn),萬(wàn)小梅,趙鐵軍. 粉煤灰高性能混凝土[J]. 混凝土, 2000 年第8 期:22-25

　　[4]Mohammed TU, Hamada H. Durability of concrete made with different 
water- reducing chemical admixtures in tidal environment[J]. ACI Materials 
Journal,2003,100( 3) : 194 -202.

　　[5]Mohnammed,TU.Yamaji,T.Toshiyuki,A. and Hamada H. “ Marine 
Durability of 15 -year Old Concrete Specimens Made With Ordinary Portland, Slag
 and Fly Ash Cement ”[C]. In:V.M. Malhotra,ed. Seventh CANMET/ACI International 
Conference on Fly Ash ,Slag and Natural Pozzolans in Concrete, SP－199, American
Concrete Institute,Farmington Hills,2001. 2: 541- 560.

　　[6]潘莉莎, 邱學(xué)青, 龐煜霞等.減水劑對(duì)混凝土耐久性影響的研究進(jìn)展[J],混凝土. 2007年第1期. 48-50

　　[7]Schindler A.K.and Folliard K.J. Heat of hydration models for cementitious
 materials[J].ACI Materials Journal,Vol.102,No.1,2005:24-33.

　　[8]劉萍華、許志敏、殷波. 大摻量粉煤灰高性能混凝土試驗(yàn)研究[J],揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007年2月:68-71

　　[9]屠柳青,張國(guó)志,夏衛(wèi)華等. 抗氯鹽污染高性能混凝土及評(píng)價(jià)方法研究[J],混凝土,2004 年第2 期:33-35.

　　[10]Tarek Uddin Mohammed,Toru Yamaji,Hidenori Hamada. Choride diffusion,
microstructure and mineralogy of concrete after 15 years of exposure in tidal
 environment[J].ACI Materials Journal,2002,99(3):256-263