抗裂抗氯鹽侵蝕高性能混凝土試驗研究

　　摘要：針對北方寒冷地區(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，進行不同摻合料的混凝土配比試驗，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混凝土的強度、抗氯鹽侵蝕及抗裂性能相關(guān)參數(shù)的變化情況。試驗表明，采用中熱水泥和摻量比例適當?shù)娜M分膠凝材料，可配制出強度等級較高的滿足相關(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,試驗研究

　　1. 引言

　　20 世紀80 年代以來，隨著對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、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)出抗壓強度達90MPa 以上的高強混凝土。但實際工程中除了強度要求外，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。當裂縫達到一定開度，就會影響其使用壽命。如歐盟有報告認為，假如混凝土設(shè)計壽命為50 年，那么從鋼筋開始銹蝕到致使混凝土裂縫開度達到1.0mm 時，就被認為達到壽命極限[2]。為此，香港的青馬大橋及長江的三峽大壩均采用了嚴格的措施防止產(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，對此類混凝土，既要求有抗氯離子侵蝕能力，又要求控制其水化熱過高以避免收縮開裂。

　　本文針對用于北方寒冷地區(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)配制試驗測試結(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混凝土的強度、抗氯鹽侵蝕及抗裂性能相關(guān)參數(shù)的變化情況[3]，為工程實際應(yīng)用提供參考。

　　2. 試驗方案

　?。?） 試驗材料: 水泥采用42.5#硅酸鹽水泥與52.5#中熱水泥；試驗用砂級配良好，細度模數(shù)為2.68；碎石采用二級配石灰?guī)r碎石，含泥量為0.34%，壓碎指標為1.0%，級配良好；拌和用水采用自來水，其氯離子含量為12mg/L；考慮到Mohammed TU[4, 5] 的長期試驗結(jié)果，即混凝土中摻入聚羧酸鹽系高效減水劑會對其抗壓強度的發(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產(chǎn)Ⅰ級灰；礦渣粉采用馬鋼產(chǎn)磨細礦渣，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）采用情況見表1。

　　（3）測試項目: 測試膠凝材料不同齡期的水化熱；測試試件不同齡期的抗拉、抗壓強度；進行混凝土氯離子電通量測試及絕熱溫升測試。各項測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、抗拉壓強度及抗氯離子侵蝕能力等性能變化情況提供試驗數(shù)據(jù)。

　　3. 試驗結(jié)果分析

　　3.1 各因素對混凝土抗裂性能的影響

　　首先是摻合料對水泥膠凝材料水化熱的影響。根據(jù)不同時間不同試樣水化熱的測試結(jié)果（如圖1），當膠凝材料中摻入50%的粉煤灰時， 其1d、3d、7d 水化熱可分別降低36%、30%和30%，當粉煤灰摻量增加到55%時，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%。試驗還證明粉煤灰比磨細礦渣的降低水化熱效果更明顯。另外，當單摻磨細礦渣摻量小于60%時，它對膠凝材料水化熱的降低效果并不明顯。由試驗得知，大摻量的粉煤灰、磨細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]。

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　　其次是水泥品種的影響。為測試不同水泥品種對水化熱的影響，將42.5#硅酸鹽水泥與52.5#中熱水泥進行了試驗對比，并測試各自混凝土的絕熱溫升，試驗按水工混凝土試驗規(guī)程規(guī)定的方法進行?；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#中熱水泥時則為38℃。由此可以認為，在大體積混凝土施工時，應(yīng)盡量避免采用硅酸鹽水泥，同時應(yīng)盡可能采用中、低熱水泥，以提高混凝土的抗裂性能。

　　再次是摻合料對混凝土干縮性能的影響。對試樣7、11、16、18 四組進行了混凝土干縮試驗， 結(jié)果圖2 所示。從不同齡期干縮試驗結(jié)果看，同時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 摻合料對混凝土力學(xué)性能的影響

　　在試驗基礎(chǔ)上，選出試樣編號為5、11、15、16、17、18 共6 組的混凝土試樣進行力學(xué)試驗，并對其試驗結(jié)果進行對比分析，得出所有利用摻合料的混凝土抗壓強度相對于基準情況（水泥中不摻混合料）的強度均有所降低，具體影響結(jié)果見表2。

　　試驗還表明，當采用水膠比為0.30 的配合比時，除礦渣摻量大于70%的兩組配合比外，其它28 天抗壓強度均滿足C45 混凝土的強度要求。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 天抗壓強度也滿足C45 混凝土的要求。所有配合比的90天抗壓強度均滿足C45 的強度要求。并測得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 天抗拉強度在3.9~5.5MPa 之間，拉壓強度比為6.0%~11.0%，滿足C45 混凝土性能要求。

　　3.3 摻合料對混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響

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

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　　結(jié)果表明，當其它條件相同，只摻礦渣時混凝土的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。這也證實了隨著水化反應(yīng)的進行，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 庫侖，說明試驗混凝土具有良好的抗氯離子侵蝕能力[9, 10]，足以滿足橋梁混凝土相關(guān)規(guī)范對抵抗除冰鹽中氯離子侵蝕的性能要求。試驗數(shù)據(jù)分析還表明，氯離子擴散數(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改變膠凝材料中摻合料的比例來實現(xiàn)。

　?。?）大比例單摻粉煤灰或單摻磨細礦渣可顯著降低膠凝材料的早期水化熱，對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。

　　（3）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%左右的磨細礦渣和15%左右的粉煤灰，可配制出強度等級滿足橋梁混凝土設(shè)計規(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

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

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

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

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　　[10]Tarek Uddin Mohammed,Toru Yamaji,Hidenori Hamada. Choride diffusion,
microstructure and mineralogy of concrete after 15 years of exposure in tidal
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