王 浩 李 雁 李 兵

（1.徐州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢驗(yàn)中心 江蘇徐州 221000 2.徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院 江蘇徐州 221008 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力建學(xué)院 江蘇徐州 221008）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土木工程尤其是大型基礎(chǔ)設(shè)施所處的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，普通混凝土材料已不適用于新的工程實(shí)踐。如，港口、碼頭和跨海大橋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于荷載、溫度、濕度和氯離子侵蝕等多重因素的影響下，其性能大打折扣[1～2]。因此，研究開發(fā)一種高性能混凝土以適應(yīng)海洋環(huán)境下的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求非常必要。有研究表明[3～4]：在混凝土中摻入復(fù)合礦物摻合料后，其孔隙率會(huì)降低，密實(shí)度將增強(qiáng)，各項(xiàng)性能獲得極大提升。鑒于此，本文在前期研究成果的基礎(chǔ)上，通過(guò)雙摻技術(shù)優(yōu)化混凝土配合比，并研究其基本力學(xué)性能與抗氯離子滲透性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)，從而形成“雙摻”高性能海工混凝土材料。

1 配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥。根據(jù)《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)選用的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分及物理性能進(jìn)行測(cè)試分析，詳見表1、2。

表1 水泥（普通硅酸鹽）主要化學(xué)成分占比

表2 水泥（普通硅酸鹽）物理性能列表

（2）細(xì)骨料。根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ52-2006）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)河砂的主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析，詳見表3。

表3 砂物理指標(biāo)列表

（3）粗骨料。根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ52-2006）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)選用的5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析，詳見表4。

表4 石子物理指標(biāo)列表

（4）減水劑。根據(jù)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GBS0119-2013）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)選用的聚羧酸減水劑主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析，詳見表5。

表5 減水劑物理指標(biāo)列表

（5）粉煤灰。根據(jù)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2005）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)選用的I級(jí)粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析，詳見表6。

表6 粉煤灰化學(xué)成分列表

（6）礦粉。根據(jù)《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》（GB/T18046-2008）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)選用的礦粉主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試分析，詳見表7。

表7 礦粉化學(xué)成分列表

1.2 “雙摻”高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

本文參照《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTJ275-2000）以及《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50476-2008）的要求，配制用于海洋環(huán)境下的礦物摻合料混凝土。在海洋腐蝕和凍融的復(fù)合環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境更加惡劣?，F(xiàn)有研究表明，提高混凝土的強(qiáng)度和致密性是提高其抗侵蝕性介質(zhì)作用的有效方式。而礦物摻合料可顯著影響混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)和致密性。本文在前期試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)選了水膠比、粉煤灰及礦粉的摻量，初步形成了高性能混凝土配比。詳見表8（其中，字母F代表粉煤灰；G代表礦粉）。

表8 “雙摻”高性能混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法及步驟

（1）混凝土力學(xué)性能

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）的相關(guān)要求，本文采用150mm×150mm×150mm的立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，每組取三個(gè)試塊。

試驗(yàn)步驟：①首先，制作并養(yǎng)護(hù)試樣；②達(dá)到試驗(yàn)?zāi)挲g后，取出試樣并擦干；③將試塊放在試驗(yàn)機(jī)的壓板上對(duì)中（如圖1所示）；④啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)上板靠近試樣時(shí)，應(yīng)調(diào)整球座以使接觸均勻；⑤加載應(yīng)連續(xù)均勻，加載速度為0.4～0.6MPa/s；⑥試件接近破壞時(shí)，停止調(diào)整壓力機(jī)閥門直至破壞。⑦最后，紀(jì)錄破壞時(shí)的載荷。

（2）混凝土抗氯離子滲透性能

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法》的相關(guān)要求（本文采用RCM法），采用φ100×50mm的圓柱體試塊，每三個(gè)試塊為一組。

試驗(yàn)步驟：①采用游標(biāo)卡尺測(cè)量試件尺寸；②試件真空飽水3h；③試件常壓浸泡處理18±2h；④試驗(yàn)裝置組裝與密封試件；⑤注入試驗(yàn)溶液；⑥導(dǎo)線連接、通電，并開始紀(jì)錄電流、電壓與溫度等數(shù)據(jù)；⑦到達(dá)規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間結(jié)束通電，試件劈裂與顯色處理，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量氯離子滲透深度；⑧試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)裝置見圖2。

圖1 混凝土試塊放置在壓力試驗(yàn)機(jī)下壓板上

圖2 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試裝置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)性能

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后對(duì)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表9及圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后混凝土試樣單軸抗壓強(qiáng)度值

由表9及圖3可知：通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)并達(dá)到28d后，編號(hào)為C1-0的普通混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度為33.5MPa；編號(hào)為C3-1和C3-7的單摻及雙摻高性能混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度分別為62.1MPa和63.5MPa；而編號(hào)為C3-0、C3-2、C3-3和C3-5的單摻高性能混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度分別為57.0MPa、55.5MPa、55.6MPa 和 54.4MPa。

分析可知：對(duì)于不加入礦物摻合料的混凝土，水灰比從0.44降低到0.32，混凝土強(qiáng)度從33.5MPa提升到57.0MPa，說(shuō)明水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，水膠比0.32符合海工高性能混凝土配比的基本要求；在相同水膠比（0.32）的情況下，隨著粉煤灰的加入及摻量的不斷增加（摻量分別為0%、20%、35%和50%），混凝土強(qiáng)度變化趨勢(shì)為先增后降，并逐漸趨于穩(wěn)定。有研究表明[5]：這主要是由于粉煤灰與水泥的水化產(chǎn)物CH產(chǎn)生二次水化反應(yīng)，當(dāng)粉煤灰添加到適量時(shí)，可以包裹混凝土中的骨料；且由粉煤灰中的活性組分產(chǎn)生的硅酸鈣凝膠可以填充骨料之間的孔隙并提高混凝土的密度，從而增加強(qiáng)度。

當(dāng)粉煤灰摻入量大于20%，隨著摻量的增加（本文為35～50%），混凝土強(qiáng)度逐漸降低并趨于平穩(wěn)。這主要是由于過(guò)量添加粉煤灰，超過(guò)混凝土骨料所需的包裹量所致：二次水化后，多余的粉煤灰顆粒在漿料周圍形成一層界面，使得混凝土內(nèi)部穩(wěn)定性惡化，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降。

對(duì)于大摻量的混凝土（摻入量均為50%），“多摻”混凝土強(qiáng)度顯著高于單摻混凝土強(qiáng)度，單摻粉煤灰混凝土強(qiáng)度為55.6MPa，單摻礦粉混凝土強(qiáng)度為54.4MPa，而復(fù)摻粉煤灰、礦粉混凝土強(qiáng)度達(dá)62.1MPa。根據(jù)復(fù)合材料的“超疊加效應(yīng)”原理可知：不同種類的礦物摻合料（如：粉煤灰、礦粉、硅灰等）按適當(dāng)?shù)谋壤涂偭炕旌?，可以彌補(bǔ)彼此的不足，既可以優(yōu)化混凝土的工作性能，又可以顯著提升其強(qiáng)度和耐久性。此外，有研究表明，使用粉煤灰和磨細(xì)礦粉雙摻，在總量相同時(shí)，混凝土強(qiáng)度隨粉煤灰與礦粉的比例減小而提高；鑒于此，本文雙摻混凝土粉煤灰摻量定為15%，礦粉摻量定為35%，驗(yàn)證效果良好。

2.2 抗氯離子滲透性能

試樣是φ100×50mm的圓柱體。①將樣品放置于專用設(shè)備中抽真空；②吸入飽和的氫氧化鈣溶液；③待樣品干燥后用RCM設(shè)備進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算表達(dá)式見公式（1）。

圖4 噴涂AgNO3指示劑后的混凝土試樣

式中：DRCM：氯離子擴(kuò)散系數(shù)（RCM）；U：絕對(duì)電壓（V）；T：陽(yáng)極溶液的平均溫度（℃）；L：試樣厚度（mm）；Xd：氯離子滲透深度平均值（mm）；t：試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間（h）。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)得經(jīng)28標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后混凝土試樣的氯離子擴(kuò)散系數(shù)見表10。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

表9 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后混凝土單軸抗壓強(qiáng)度值

表10 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)/（×10-12m2/s）

由《東海大橋高性能海工混凝土技術(shù)要求》可知，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后海工混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)指標(biāo)要求如下：①水下區(qū)：氯離子擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)小于3.0×10-12m2/s；②大氣區(qū)或浪濺區(qū)：氯離子擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)小于1.5×10-12m2/s。由表10及圖5可知：編號(hào)為C1-0和C3-0兩種未摻入礦物摻合料混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別為20.6×10-12m2/s和7.0×10-12m2/s，表明：隨著水膠比的降低，混凝土抗氯離子滲透性顯著提升，但由于未摻入礦物摻合料，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)值均未達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。而其它摻入礦物摻合料混凝土的試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)標(biāo)準(zhǔn)，其中雙摻混凝土抗氯離子滲透的效果最好，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)值達(dá)到0.31×10-12m2/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求，表明摻入礦物摻合料可大大提高混凝土的氯離子滲透性。摻合料混凝土尤其是“雙摻”混凝土的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)符合海工高性能混凝土的相關(guān)要求。

3 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了海工雙摻混凝土的原材料性能，混凝土的配方設(shè)計(jì)，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的混凝土試樣進(jìn)行了強(qiáng)度和抗氯離子滲透性檢測(cè)，主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)于不加入礦物摻合料的混凝土，隨著水灰比的降低（從0.44降低到0.32），混凝土強(qiáng)度提升顯著（從33.5MPa提升到57.0MPa），說(shuō)明水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，從而驗(yàn)證了水膠比0.32符合海工高性能混凝土配比的基本要求。

（2）在相同水膠比（0.32）單摻粉煤灰的情況下，隨摻量的不斷增加，混凝土強(qiáng)度變化趨勢(shì)為先增后降，并逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）大摻量的混凝土（摻入量均為50%），“多摻”混凝土強(qiáng)度顯著高于單摻混凝土強(qiáng)度與抗氯離子滲透性。

（4）參照《東海大橋高性能海工混凝土技術(shù)要求》，本文設(shè)計(jì)的以粉煤灰與礦粉為主要摻合料的混凝土在強(qiáng)度與抗氯離子滲透性指標(biāo)方面均達(dá)到了海工高性能混凝土的標(biāo)準(zhǔn)。