張登峰,翟春英,魏 歡

(1.武漢工大土木工程檢測(cè)有限公司，武漢 430070；2.通遼市交通工程局，通遼 028000；3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

錫林郭勒盟某在建一級(jí)公路位于阿巴嘎草原腹地，項(xiàng)目主線橫穿該草原數(shù)個(gè)季節(jié)性鹽堿濕地，穿越濕地主線采用數(shù)孔20 m預(yù)應(yīng)力箱梁水泥混凝土橋結(jié)構(gòu)，墩柱設(shè)計(jì)采用C30鉆孔灌注樁，經(jīng)檢測(cè)主線穿越草原鹽堿濕地不同深度地下水pH值在7.3～7.8之間，水中硫酸根離子(SO42-)含量在1 000～2 000 mg/L之間，氯化物含量在1 500～2 500 mg/L之間，屬于嚴(yán)重侵蝕地區(qū)。已有研究結(jié)果表明，氯離子能夠通過(guò)混凝土毛細(xì)孔滲透到混凝土內(nèi)部，銹蝕鋼筋，降低樁基混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。硫酸鹽可導(dǎo)致樁基混凝土的膨脹開裂，嚴(yán)重影響混凝土的結(jié)構(gòu)安全，縮短橋梁的使用壽命[1,2]。摻加高效減水劑和超細(xì)摻合料制備的混凝土可有效提高混凝土的密實(shí)性，增加混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，提高混凝土的耐久性[3-5]。為此，以該實(shí)體工程為依托，利用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的原材料，開展鹽堿濕地環(huán)境中的水下鉆孔灌注樁混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗侵蝕性能進(jìn)行比對(duì)分析，優(yōu)化水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，提高混凝土耐久性，保證工程質(zhì)量。

1 配合比基本信息

1.1 原材料

1)碎石：蘇尼特左旗滿都拉圖建筑石料廠安山巖碎石，表觀密度2.751 g/cm3，吸水率0.8%，壓碎值13.2%，針片狀含量6.3%。

2)砂子：西烏旗五間房砂場(chǎng)水洗天然砂，細(xì)度模數(shù)2.7；表觀密度2.682 g/cm3。

3)水泥：河北冀東PO42.5硅酸鹽水泥，其物理技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

4)粉煤灰：正藍(lán)旗上都電廠I級(jí)粉煤灰，其物理性能指標(biāo)和礦物成分測(cè)試結(jié)果分別如表2、表3所示。

5)減水劑：聚羧酸類高效減水劑，減水率18%，密度1.056 g/cm3。

6)拌和用水：當(dāng)?shù)仫嬘盟琾H值7.0。

表1 冀東PO42.5硅酸鹽水泥主要技術(shù)性能

表2 正藍(lán)旗上都電廠I級(jí)粉煤灰性能

表3 粉煤灰化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果 w/%

1.2 理論配合比計(jì)算

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55—2011[6]，樁基設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30，泵送混凝土，塌落度180～220 mm，粉煤灰摻量按照等量取代法，分別取代水泥質(zhì)量的0、10%、20%、30%，碎石骨料為19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm三檔，采用5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配，電腦合成計(jì)算三檔碎石的比例為35%∶45%∶20%，減水劑摻量為膠材質(zhì)量的0.8%。

1.2.1 混凝土配制強(qiáng)度(fcu.o)

fcu.o≥fcu,k+1.645σ=30+1.645×5.0=38.2 MPa

(1)

1.2.2 水膠比(W/B)

PO42.5水泥膠砂強(qiáng)度28 d實(shí)測(cè)值fce=48.5 MPa，配制強(qiáng)度f(wàn)cu.o=38.2 MPa，集料回歸系數(shù)αa=0.53，αb=0.20。

W/B=αa×fb/(fcu,o+αa×αb×fb)=(0.53×48.5)/(38.2+0.53×0.20×48.5)=0.59

(2)

1.2.3 水膠比校核

項(xiàng)目所在地有凍害及潮濕腐蝕環(huán)境，允許最大水膠比0.50，計(jì)算水膠比為0.59，因摻加了高效減水劑，根據(jù)類似地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，選用水膠比W/B=0.46進(jìn)行試配。

1.2.4 單位用水量(mw)

混凝土拌和物坍落度為180～220 mm，碎石的最大粒徑為31.5 mm，砂的細(xì)度模數(shù)為2.7，屬2區(qū)中砂，單位用水量選為220 kg/m3。

1.2.5 摻減水劑混凝土的單位用水量(mwo)

減水劑摻量為水泥用量的0.8%，減水率為18%，計(jì)算摻外加劑混凝土的單位用水量為

mwo=220×(1-β)=220×(1-0.18)=180 kg

(3)

1.2.6 摻外加劑混凝土的單位水泥用量(mca)

摻外加劑混凝土單位用水量mwa=180 kg/m3，水膠比W/B=0.46，計(jì)算單位水泥量為

mco=mwo/(W/B)=180/0.46=391 kg/m3

(4)

1.2.7 砂率(βs)

碎石dmax=31.5 mm，5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配，W/B=0.46，砂細(xì)度模數(shù)為2.7，屬2區(qū)中砂，泵送施工，初步選取砂率βs=42%。

1.2.8 碎石及砂子用量(ms、mg)

采用體積法計(jì)算，水泥ρc=3 106 kg/m3，砂ρs=2 682 kg/m3，石ρg=2 751 kg/m3，減水劑ρ減水劑=1 056 kg/m3，單位體積混凝土中各材料計(jì)算用量分別為：水泥mco=391 kg/m3，水mwo=180 kg/m3，砂率βs=42%，由式(5)、式(6)計(jì)算

mco/ρc+mwo/ρw+mso/ρs+mgo/ρg+m減水劑/ρ減水劑=1

(5)

mso/(mso+mgo)=βs

(6)

計(jì)算得：砂mso=793 kg/m3，石mgo=1 095 kg/m3。

1.2.9 理論配合比及基準(zhǔn)配合比驗(yàn)證

根據(jù)式(3)～式(6)計(jì)算結(jié)果，得出混凝土理論配合比：mco∶mwo∶mso∶mgo∶m減水劑=391∶180∶793∶1 095∶3.1；混凝土理論表觀密度ρce=2 462 kg/m3。

按照理論配比在實(shí)驗(yàn)室試拌多盤混凝土，分別測(cè)出新拌混凝土出機(jī)坍落度200～210 mm之間，拌合物裹附飽滿，粘聚性良好，無(wú)泌水現(xiàn)象，拌和混凝土1 h坍落度195 mm，2 h坍落度180 mm，滿足泵送施工要求。實(shí)測(cè)混凝土ρct=2 448 kg/m3，不需進(jìn)行密度修正。

1.2.10 摻粉煤灰混凝土的配合比調(diào)整

根據(jù)基準(zhǔn)配合比分別按照粉煤灰等質(zhì)量取代10%、20%、30%的水泥，進(jìn)行拌合物性能調(diào)整試驗(yàn)，根據(jù)拌合物混凝土的工作性能對(duì)不同水泥取代量條件下的基準(zhǔn)配合比進(jìn)行微調(diào)，具體調(diào)試后的結(jié)果如表4所示。

表4 摻配粉煤灰配合比調(diào)整結(jié)果

從表4可以看出，隨著粉煤灰取代量的逐漸增加，單位體積用水量是逐步增加的。

2 混凝土強(qiáng)度及抗侵蝕試驗(yàn)

根據(jù)表4調(diào)整結(jié)果，按照J(rèn)TG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[7]要求，成型標(biāo)準(zhǔn)試件，分別進(jìn)行混凝土強(qiáng)度、抗氯離子滲透性、抗凍性、抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。

2.1 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)及分析

混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d，到期后按規(guī)程測(cè)試試件抗壓強(qiáng)度，四個(gè)配比的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表5所示。

表5 混凝土強(qiáng)度(28 d)試驗(yàn)結(jié)果

表5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，加入粉煤灰后，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土28 d強(qiáng)度先升高后降低，摻量為20%時(shí)最高，當(dāng)摻量達(dá)到30%時(shí)，強(qiáng)度仍滿足配制強(qiáng)度要求，但與摻10%粉煤灰時(shí)的試件強(qiáng)度接近。

2.2 抗氯離子滲透性能試驗(yàn)及分析

按照J(rèn)TG E30—2005規(guī)程成型φ100 mm×50 mm的圓柱體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生56 d，根據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中氯離子電通量試驗(yàn)評(píng)價(jià)混凝土抗氯離子滲透性能，四個(gè)配比的電通量試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 混凝土電通量Q(56 d)試驗(yàn)結(jié)果

表6混凝土56 d電通量試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土試件電通量逐漸減小，當(dāng)粉煤灰取代量超過(guò)20%時(shí)，電通量下降為不摻粉煤灰時(shí)的一半以下，說(shuō)明摻加粉煤灰能顯著提高混凝土的抗氯離子滲透能力，且摻量超過(guò)20%以上時(shí)，電通量技術(shù)分級(jí)為好。

2.3 抗凍性試驗(yàn)及分析

采用快速凍融循環(huán)法進(jìn)行，按照J(rèn)TG E30—2005規(guī)程進(jìn)行試件的制作和養(yǎng)護(hù)，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，按T0564《水泥混凝土動(dòng)彈性模量試驗(yàn)方法(共振儀法)》測(cè)橫向基頻，并稱其質(zhì)量，作為評(píng)定抗凍性的起始值，然后開始進(jìn)行凍融試驗(yàn)。四個(gè)配比300次凍融循環(huán)的動(dòng)彈模量保留值結(jié)果如表7所示。根據(jù)內(nèi)蒙古中東部的環(huán)境條件，該次混凝土的抗凍耐久性指數(shù)要求按照DF≥80%控制。

表7 混凝土凍融循環(huán)動(dòng)彈模量保留值試驗(yàn)結(jié)果

表7混凝土凍融循環(huán)動(dòng)彈模量保留值試驗(yàn)結(jié)果可以看出，摻粉煤灰試件在凍融 300 次以內(nèi)相對(duì)動(dòng)彈性模量基本都在90%以上，表現(xiàn)出良好的抗凍性。不摻粉煤灰的普通試件在凍融達(dá)到 300 次時(shí)相對(duì)動(dòng)彈性模量為89.1%；摻粉煤灰的混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量均要高于不摻粉煤灰的。因?yàn)榉勖夯业膿饺胩岣吡嘶炷恋拿軐?shí)性，降低了溶液中鹽濃度差造成的滲透壓，從而提高混凝土的抗凍性能。

2.4 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)及分析

按照J(rèn)TG E30—2005規(guī)程成型100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生28 d，根據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中全浸泡方式進(jìn)行加速硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，分別測(cè)試淡水浸泡和5%Na2SO4溶液全浸泡兩種方式下試件的強(qiáng)度，根據(jù)式(7)計(jì)算試件抗侵蝕系數(shù)，浸泡時(shí)間選定30 d、60 d、90 d、120 d、180 d五個(gè)，養(yǎng)護(hù)28 d試件在相同濃度溶液中隨齡期變化的抗侵蝕系數(shù)結(jié)果如表8所示。

抗侵蝕系數(shù)：K=R溶液/R水

(7)

式中，K為試件抗侵蝕系數(shù)，%；R溶液為浸泡在5%Na2SO4溶液中的試件抗壓強(qiáng)度，MPa；R水為浸泡在淡水中的試件抗壓強(qiáng)度，MPa。

表8試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土試件分別在淡水和5%Na2SO4溶液中浸泡，試件抗壓強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，其抗侵蝕系數(shù)逐漸降低，不摻粉煤灰的普通試件經(jīng)過(guò)硫酸鹽溶液的侵蝕浸泡，其抗蝕能力衰減很快，在半年內(nèi)就接近抗侵蝕系數(shù)下限。而摻粉煤灰試件，當(dāng)摻量在10%以上時(shí)，試件抗侵蝕系數(shù)都在90%以上，表現(xiàn)出良好的抗侵蝕性能，摻粉煤灰混凝土試件的抗侵蝕系數(shù)均要高于不摻粉煤灰的，粉煤灰摻量高的抗侵蝕性能優(yōu)于摻量低的。當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到20%以上時(shí)，在不降低混凝土強(qiáng)度的前提下，其抵抗硫酸鹽溶液侵蝕的效果更顯著，說(shuō)明摻20%～30%的I級(jí)粉煤灰對(duì)保證混凝土強(qiáng)度、提高混凝土抵抗硫酸鹽侵蝕的性能的思路是可行的。

3 結(jié) 語(yǔ)

a.在有抗凍要求和抗硫酸鹽侵蝕的鹽堿濕地水下構(gòu)造物混凝土中，采用摻配I級(jí)粉煤灰和高效減水劑的雙摻技術(shù)配制的高性能混凝土，具有良好的密實(shí)性、施工性和物理力學(xué)性能。

b.I級(jí)粉煤灰摻量范圍在20%～30%之間，既能合理地控制混凝土的水膠比不至于過(guò)大，又能保證混凝土的抗凍性、抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)良。

c.粉煤灰的使用，既提高了鹽堿濕地環(huán)境中的混凝土耐久性，保證了混凝土的工作壽命，而且還為工程節(jié)約了資金，經(jīng)濟(jì)效益顯著，推廣應(yīng)用價(jià)值極大。