礦物摻合材料在高性能海工混凝土中的應(yīng)用

2005/07/20 00:00 來源：

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一、前言
上海為了建設(shè)全國乃至世界的物流中心和開發(fā)海洋自然資源，海洋工程的發(fā)展十分迅速。作為世人矚目的工程，深水港項目對上海經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展將起到十分重要的拉動作用。而作為上海深水港重要組成之一的東海大橋南起浙江崎嶇列島小洋山島的深水港區(qū)，北至上海南匯蘆潮港的海港新城，跨越杭州灣北部海域，全長31公里，是我國較為罕見的大型海洋工程。由于東海大橋是連接港區(qū)和大陸的集裝箱物流輸送動脈，對上海深水港的正常運轉(zhuǎn)起到不可或缺的支撐保障作用，因此在國內(nèi)首次采用100年設(shè)計基準(zhǔn)期。為了保證大橋混凝土在海洋嚴(yán)酷的環(huán)境中有較高的耐用壽命，采用了高性能混凝土技術(shù)方案。

高性能海工混凝土即針對混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的使用特點，通過合理的配制技術(shù)，形成耐久性能、施工性能、物理力學(xué)性能以及相關(guān)性能俱佳的混凝土材料。高性能海工混凝土的突出特點表現(xiàn)在其高耐久和耐腐蝕性能，尤其是混凝土抵抗氯離子侵蝕的性能方面。

高性能海工混凝土與普通混凝土在原材料、配合比以及生產(chǎn)和施工工藝等方面有所差別。具體表現(xiàn)在，（1）高性能海工混凝土膠凝材料的原材料除水泥外，還要摻用至少一種礦物細(xì)摻料，并保證一定的膠凝材料用量，從而使得混凝土微結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，孔隙結(jié)構(gòu)得以改善。（2）高性能海工混凝土通過高性能混凝土減水劑的合理使用，降低混凝土單方用水量，有利于形成混凝土致密結(jié)構(gòu)。（3）高性能海工混凝土在保證其良好的施工性能和物理力學(xué)性能的同時，最大化地提高其耐久性能，尤其是抵抗海洋環(huán)境中的氯離子侵蝕作用。

    本文根據(jù)課題組在深水港東海大橋高性能海工混凝土技術(shù)的研制結(jié)論，著重分析礦物摻和材料在其中的應(yīng)用。

    二、 高性能海工混凝土專用摻和料的研究開發(fā)

使用粉煤灰、硅粉和磨細(xì)礦渣等礦物摻和材料作為混凝土摻和料，并保證一定的摻量，可大幅度提高混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性，降低混凝土的滲透性，改善混凝土的耐久性能。研究首先選用上海地區(qū)有穩(wěn)定供應(yīng)源的高爐礦渣微粉、低鈣粉煤灰以及硅灰材料，考察其與水泥復(fù)合膠凝體系的力學(xué)及耐久性能。

2.1 原材料及試驗

試驗用水泥為H牌52.5RP.Ⅱ水泥，其主要物理性能指標(biāo)見表1，主要化學(xué)成分見表2。

表1 水泥其主要物理性能指標(biāo)

細(xì)度 80um 篩余量%	初凝時間 (min)	終凝時間(min)	安定性	抗壓強(qiáng)度(MPa)		抗折強(qiáng)度(MPa)		密度 g/cm³	標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量 %	比表面積m²/kg
				3d	28d	3d	7d
1.4	90	135	合格	46.2	74.0	7.6	11.0	3.12	26.2	383

?；郀t礦渣的比表面積488m²/kg，密度ρ=2.86g/cm³。Ⅱ級低鈣粉煤灰的細(xì)度（≤45μm篩余量）為10.9％，需水量比為98％。礦渣微粉、粉煤灰和硅灰的主要化學(xué)成分如表2所示。

表2 H牌525#水泥、礦渣、粉煤灰、硅灰的主要化學(xué)成分(%)

化學(xué)成分膠凝材料	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	Na₂O	K₂O	SO₃
H牌525#水泥	20.40	5.25	3.38	64.1	1.28	0.06	0.64	2.88
礦渣	32.81	14.10	2.88	2.55	1.07	-	-	0.55
粉煤灰	48.70	27.60	7.90	1.50	1.50	1.70	3.40	0.80
硅灰	91.10	1.33	3.68	0.33	1.44	0.55	1.51	0.28

配制混凝土?xí)r，選用細(xì)度模數(shù)μ_f=2.8的河砂，粒徑5～25mm碎石，LEX-9H 聚羧酸高效減水劑。

為考察礦物摻合料—?；郀t礦渣、粉煤灰、硅灰等入后對混凝土力學(xué)性能及耐久性能的綜合影響，并比較各種摻入方式下的復(fù)合效應(yīng)。分別選用純水泥組（編號H1）、水泥與礦粉組（編號H2）、水泥，礦粉及粉煤灰三元組（編號H3）以及水泥，礦粉，粉煤灰和硅粉四元組（編號H4），分別測試在等條件下的混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B、耐氯離子腐蝕性能，并分析各元膠凝材料的粉體學(xué)特征。

2.2試驗結(jié)果及分析

(1) 混凝土的力學(xué)性能

各系列混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見圖1。結(jié)果表明，H₂、H₃系列混凝土的早期強(qiáng)度較H₁系列混凝土低，強(qiáng)度發(fā)展慢，而H₄系列混凝土的早期強(qiáng)度與H₁相當(dāng)。但各系列摻合料混凝土的60天強(qiáng)度幾乎達(dá)到或超過了H₁普通混凝土，且在總摻量一定時，H4混凝土大于H3混凝土，且比H2的混凝土早期及后期強(qiáng)度高。

    圖1混凝土立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢

    圖2 混凝土滲透高度比

(2) 混凝土的耐久性能

    圖3 混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)

    圖4 膠凝材料顆粒平均粒徑

摻加了粉煤灰和礦粉等摻合材料的混凝土的抗氯離子滲透能力明顯強(qiáng)于普通混凝土。即摻合材料的引入，明顯地改善了混凝土的抗?jié)B性能。如圖2、圖3所示，摻合料混凝土滲透高度比和抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯較普通混凝土小。從混凝土的抗?jié)B透能力上來說，H₄最好，H₃次之，H₂再次，但都強(qiáng)于H₁膠凝材料僅為硅酸鹽水泥的普通混凝土。

(3) 膠凝材料顆粒粒度分析

顆粒粒度分析表明，如圖4所示，在混凝土粉料中，水泥顆粒粒徑最大，磨細(xì)礦渣、粉煤灰次之，硅灰最小。

Rosin-Rammler分布的均勻性系數(shù)n是粉料粒度分析的一個重要表征參數(shù)。n值越小，表明顆粒群體分布范圍越廣，大小顆粒相互搭配，其顆粒級配越好。粉料的空隙率的大小也可以比較各粒徑范圍內(nèi)的顆?；ハ嗵畛涞男Ч纯障堵试叫〖壟湓胶?。分析混凝土粉料的微級配，以比較各膠凝材料復(fù)合時的互相填充效果。分析結(jié)果如圖5、6所示。

    圖5 粉料顆粒R-R分布均勻性系數(shù)

    圖6 粉料空隙率

從圖5、6可以看出，H₄的均勻性系數(shù)n值最小，H₃、H₂次之，H₁最大；也就是說相比較而言，水泥、礦渣、粉煤灰、硅灰等四種復(fù)合的膠凝材料的級配最為密實，水泥、礦渣、粉煤灰等三種復(fù)合的膠凝材料次之、水泥、礦渣等復(fù)合的膠凝材料次之，水泥最差。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，粒化高爐礦渣、粉煤灰、硅灰等多元礦物摻合材料在微集料效應(yīng)復(fù)合、火山灰效應(yīng)復(fù)合、形態(tài)效應(yīng)復(fù)合以及界面效應(yīng)交互復(fù)合作用下，對混凝土綜合性能有明顯改善。復(fù)摻?；郀t礦渣、粉煤灰、硅灰四元復(fù)合膠凝材料的混凝土，其綜合性能要優(yōu)于復(fù)摻礦粉、粉煤灰的三元復(fù)合膠凝材料的混凝土，亦優(yōu)于單摻礦粉的二元復(fù)合膠凝材料的混凝土。這說明只要比例控制適當(dāng)，使得三種礦物摻合料交互復(fù)合達(dá)到正效應(yīng)的最大化，協(xié)同水泥，形成四元復(fù)合膠凝體系，有助于混凝土良好微級配的形成，從而改善混凝土的宏觀性能。

根據(jù)上海地區(qū)原材料的供應(yīng)情況以及多元礦物摻合材料復(fù)合交互效應(yīng)特點，并根據(jù)海工混凝土構(gòu)件所處腐蝕環(huán)境的不同以及耐久性要求的不同，開發(fā)了高性能海工混凝土專用摻和材料Ⅰ型和Ⅱ型。高性能海工混凝土專用摻合料以礦渣微粉為主要原料，以粉煤灰、硅粉等活性礦物摻合材料為輔摻材料，采用適度球磨混合工藝生產(chǎn)。兩種型號摻和料的選材、配比和工藝控制參數(shù)有所區(qū)別，主要是針對海工混凝土構(gòu)件不同的耐用環(huán)境要求以及保護(hù)層等結(jié)構(gòu)因素，通過摻合材料而對混凝土達(dá)到不同的改善效果。通過多批試驗生產(chǎn)，確定了高性能海工混凝土專用摻合料的質(zhì)量控制參數(shù)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并取得產(chǎn)品發(fā)明專利。在東海大橋工程以及港區(qū)碼頭工程中得到應(yīng)用。

三、高性能海工混凝土專用摻和料在混凝土中的應(yīng)用

3.1 高性能海工混凝土專用摻合材料摻量范圍的選擇

圖7表示將高性能海工混凝土專用摻合料以30～80％的比例替代水泥后，混凝土強(qiáng)度和電通量（28d）指標(biāo)的變化。根據(jù)其變化趨勢，可以看出，當(dāng)高性能海工混凝土專用摻合材料摻量比例在50％～70％時，混凝土可在滿足強(qiáng)度等級要求的條件下，耐腐蝕性能較好（小于1000C）。根據(jù)對Ⅰ型和ⅠI型高性能海工混凝土專用摻合材料的多次試配，發(fā)現(xiàn)兩種專用摻合材料的合理摻量范圍在50％～70％之間。

圖7 高性能海工混凝土專用摻合料摻量對混凝土性能的影響

3.2 高性能海工混凝土專用摻合料對混凝土的性能影響

試驗中采用硅酸鹽PⅡ52.5#水泥、高性能海工混凝土專用摻合料(包括Ⅰ型和Ⅱ型兩種)、聚羧酸鹽類LEX-9H減水劑， 5-25mm連續(xù)級配粗骨料，細(xì)度模數(shù)2.6中砂。

3.2.1試驗用混凝土配合比

研究考察了C35和C50兩系列高性能海工混凝土的性能，其編號分別為普通混凝土(基準(zhǔn)組)的35J/50J，摻Ⅰ型摻合料的35Ⅰ/50Ⅰ組，摻Ⅱ型摻合料的35Ⅱ/50Ⅱ組，混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比

編號	摻合料類型	水膠比	每立方砼中材料用量(kg/m³)
編號	摻合料類型	水膠比	水泥	摻合料	砂	石	外加劑
35J	基準(zhǔn)組	0.36	400	0	686	1168	3.6
35Ⅰ	Ⅰ	0.36	120	280	668	1188	3.6
35Ⅱ	Ⅱ	0.36	120	280	668	1188	3.6
50J	基準(zhǔn)組	0.32	470	0	641	1139	4.23
50Ⅰ	Ⅰ	0.32	188	282	641	1139	4.23
50Ⅱ	Ⅱ	0.32	188	282	641	1139	4.23

注：35系列中摻合材料的摻量為70％，50系列中摻合材料的摻量為60％，外加劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.9％。

3.2.2 新拌混凝土性能

試驗結(jié)果見表4，結(jié)果表明高性能混凝土35Ⅰ、35ⅠI、50I、50Ⅱ的坍落度、粘聚性、保水性等方面性能比基準(zhǔn)的普通混凝土好，而其中摻Ⅱ型坍落度比I型小。這是因為高性能海工專用摻合料本身具有一定的減水作用，同時由于其良好的顆粒組成，與水泥匹配后形成連續(xù)微級配，可改善新拌混凝土的性能。故其坍落度較大而粘聚性和保水性較好；Ⅱ型摻合料的比表面積較Ⅰ型大，且其中含有一定量的超細(xì)粉料，其需水量較Ⅰ型大，因此同水膠比和用水量時其坍落度較Ⅰ型稍小。

表4 新拌混凝土性能

編號	坍落度(mm)	粘聚性	保水性	坍落度經(jīng)時損失(mm)
編號	坍落度(mm)	粘聚性	保水性	30min	60min	90min	120min
35J	165	一般	一般	150	120	90	70
35Ⅰ	175	良好	良好	175	150	135	130
35Ⅱ	170	良好	良好	170	150	130	110
50J	160	一般	一般	155	120	80	60
50Ⅰ	165	良好	良好	165	150	140	110
50Ⅱ	160	良好	良好	160	145	140	110

3.2.3 混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢

表5 混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢

編號	抗壓強(qiáng)度(MPa)
編號	3d	7d	14d	28d	60d	90d
35J	34.6	43.2	48.3	51.2	56.3	60.1
35Ⅰ	26.9	33.8	38.9	46.6	52.6	60.3
35Ⅱ	28.5	37.1	40.8	47.4	58.8	62.9
50J	40.8	50.9	58.7	64.3	66.8	67.4
50Ⅰ	31.3	42.5	53.2	63.4	67.5	70.2
50Ⅱ	35.9	44.2	54.5	65.7	68.9	70.6

表5趨勢說明了在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，相對普通混凝土(純水泥混凝土)而言，摻有Ⅰ型和Ⅱ型高性能海工混凝土專用摻和料的高性能海工混凝土的早期抗壓強(qiáng)度較低，28天抗壓強(qiáng)度則基本相當(dāng)，而后期強(qiáng)度則較高，并且各齡期Ⅱ型高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度均大于Ⅰ型。

3.2.4混凝土其它力學(xué)性能

表6 混凝土其它力學(xué)性能

編號	抗折強(qiáng)度(Mpa)	劈拉強(qiáng)度(Mpa)	軸壓強(qiáng)度(Mpa)	彈性模量（104MPa）
35J	8.0	4.3	36.6	3.00
35Ⅰ	7.4	3.8	29.7	3.27
35Ⅱ	7.9	4.0	27.2	3.35
50J	9.5	4.4	43.8	3.69
50Ⅰ	8.9	3.9	36.8	3.65
50Ⅱ	9.3	4.5	36.6	4.13

根據(jù)表6，大摻量有高性能海工混凝土專用摻合料的混凝土其常規(guī)力學(xué)性能與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。

3.2.5 收縮變形性能

以35系列混凝土為例，比較高性能混凝土和普通混凝土的收縮變形性能。如圖8所示。

圖8 35系列混凝土收縮變形性能

可得出，較基準(zhǔn)混凝土，高性能混凝土的收縮發(fā)展趨勢基本相同，但其收縮量要小一些。極限收縮量為0.5E-3左右。

3.2.6混凝土的絕熱溫升變化趨勢

絕熱溫升實驗就是在絕熱條件下，直接測定混凝土水化過程中的溫度變化和最高溫升值。實驗采用JR型混凝土絕熱溫升測定儀，實驗結(jié)果見表7。

表7：混凝土絕熱溫升試驗結(jié)果

編號	絕熱溫升值（℃）	峰值時間（小時）
50J	74.2	45
50Ⅰ	65.5	61
50Ⅱ	67.4	53

根據(jù)表7，高性能海工混凝土在配制過程中大摻量引入活性礦物摻合材料，故其絕熱溫升峰值較基準(zhǔn)混凝土有不同程度的降低，且峰值出現(xiàn)時間推遲。在相同摻量條件下，Ⅱ型摻合料其絕熱溫升較Ⅰ型摻合料要高，峰值出現(xiàn)時間提前。故采用Ⅰ型高性能海工混凝土專用摻合料的混凝土可用于大體積混凝土的澆筑。

3.2.7 混凝土常規(guī)耐久性能

比較高性能混凝土和普通混凝土在抗碳化、抗?jié)B和抗凍性能的不同，試驗結(jié)果如表8。

表 8 混凝土的碳化、滲透和抗凍性能

編號	碳化深度(mm)		滲透高度(mm)		抗凍(凍融循環(huán)100次)
編號	碳化深度（mm）	碳化后混凝土強(qiáng)度損失（％）	最大滲水壓力（MPa）	滲水高度（mm）	質(zhì)量損失（％）	相對動彈性模量損失（％）
35J	0.30	0.63	2.5	26.3	0.9	8.1
35Ⅰ	0.16	0.42	2.5	7.1	0.6	6.9
35Ⅱ	0.16	0.46	2.5	6.5	0.6	7.2
50J	0.25	0.50	2.5	20.5	0.7	7.2
50Ⅰ	0.17	0.38	2.5	6.6	0.5	6.8
50Ⅱ	0.14	0.37	2.5	5.4	0.4	6.4

表中數(shù)據(jù)表明，高性能混凝土的抗碳化、抗?jié)B和抗凍性能均較基準(zhǔn)混凝土有不同程度的提高，尤其是高性能混凝土抗?jié)B能力的改善十分明顯，說明較基準(zhǔn)混凝土，高性能混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得以致密或曲化，使得滲透通路阻塞或延長。

為對比摻有Ⅰ和Ⅱ型摻合料的高性能海工混凝土與純水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能和抵抗堿骨料反應(yīng)性能，同時進(jìn)行了復(fù)合膠凝體系與純水泥體系的抗蝕系數(shù)和堿骨料反應(yīng)試驗。表9結(jié)果表明，將高性能海工混凝土專用摻合料引入純水泥膠凝體系后，其抗硫酸鹽、抑制堿骨料反應(yīng)的能力有明顯改善。

表 9混凝土膠凝材料抗硫酸鹽、抑制堿骨料反應(yīng)的性能

編號	抗蝕系數(shù)	堿骨料反應(yīng)
純硅酸鹽水泥（100％）	0.92	0.2
純硅酸鹽水泥（40％）＋Ⅰ型摻合料（60％）	1.25	0.05
純硅酸鹽水泥（40％）＋Ⅱ型摻合料（60％）	1.12	0.03

3.2.8混凝土抗Cl-滲透性能研究

3.2.8.1混凝土電通量、表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗

表10 混凝土電通量、表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)測試結(jié)果

編號	電通量(C)	表觀Cl^-擴(kuò)散系數(shù)Da(E-12m²/s)	備注
35J	1263	4.85	此中Da值為浸泡90天時的測試值
35Ⅰ	826	1.28
35Ⅱ	741	1.10
50J	1112	4.26
50Ⅰ	750	1.15
50Ⅱ	637	0.95

試驗結(jié)果表明，摻有海工專用摻和料的混凝土電通量均小于1000C，且Ⅱ系列較Ⅰ系列小，但均比基準(zhǔn)混凝土組小。這說明高性能海工混凝土的抗氯離子滲透性能比普通混凝土有極大提高，Ⅱ型高性能海工混凝土專用摻合料對于混凝土抗氯離子滲透性能的改善程度較Ⅰ型摻合料高。90天表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測試結(jié)果也與電通量試驗結(jié)果有相類似的趨勢。

3.2.8.2恒電壓鋼筋快速銹蝕試驗

恒電壓銹蝕快速試驗可對混凝土阻止其內(nèi)部鋼筋銹蝕的能力作以定性描述。與用混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)來間接計算混凝土的耐用壽命不同，該試驗定量反映了高性能混凝土在快速試驗條件下，其壽命相對于基準(zhǔn)混凝土的變化。如圖9所示，摻有Ⅰ型和Ⅱ型高性能海工混凝土專用摻合料的混凝土破壞時間是基準(zhǔn)混凝土的1.5～2.0倍左右，假設(shè)基準(zhǔn)混凝土的一般壽命為50年，則高性能海工混凝土的壽命可達(dá)100年左右。

圖9 混凝土鋼筋銹蝕快速試驗結(jié)果

四、結(jié)論

4.1粒化高爐礦渣、粉煤灰、硅灰等礦物摻合料的復(fù)合引入是實現(xiàn)高性能混凝土的有效途徑之一。多元復(fù)合膠凝材料對混凝土性能的改善與其在混凝土中形成良好微級配，微集料效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)、界面效應(yīng)、火山灰效應(yīng)等復(fù)合交互迭加有關(guān)。合理控制各種礦物摻合料的物理性能和摻量比例等參數(shù)，可最大化發(fā)揮多元膠凝材料的復(fù)合效應(yīng)，改善混凝土的綜合性能。

4.2 高性能海工混凝土專用摻合料基于各種礦物摻合材料的交互疊加效應(yīng)，通過各種礦物摻合材料的合理匹配，以特殊工藝形成的可滿足高性能海工混凝土配制的礦物外摻材料，對新拌混凝土性能，混凝土的物理力學(xué)性能，混凝土溫升，混凝土抑制堿骨料反應(yīng)等具有改善效果。尤其對混凝土耐久性能，抗氯離子侵蝕性能等有顯著的增益效果。

參考文獻(xiàn)：

1. 徐強(qiáng) 俞海勇王瓊等，《高性能海工混凝土在上海深水港工程中的應(yīng)用技術(shù)研究》技術(shù)鑒定報告，2002.

2．俞海勇王瓊等，《高性能混凝土中多元膠凝材料復(fù)合效應(yīng)的研究》，上海市建筑科學(xué)研究院科技論文集，2002.

3.徐強(qiáng)等，東海大橋結(jié)構(gòu)混凝土耐久性策略。

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