王恒林

(大連市碧流河水庫有限公司，遼寧 大連 116200)

我國(guó)東北部地區(qū)氣候寒冷，季節(jié)性溫差較大，河流及地質(zhì)環(huán)境中大都含鹽滯性水，水利工程受硫酸鹽侵蝕和凍融作用極易破壞，多種不利因素的耦合作用導(dǎo)致溢流面、水位變化處等混凝土剝蝕，大壩運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，其耐久性問題更加突出[1-2]。近年來，氣候環(huán)境的改變和工程結(jié)構(gòu)的老化使得人們?cè)絹碓疥P(guān)注耐久性問題。為增強(qiáng)海洋環(huán)境下工程結(jié)構(gòu)的抗氯鹽耐久性，一般選用礦物摻合料、硅酸鹽水泥等材料配制高性能混凝土[3-5]。然而，高性能混凝土早期強(qiáng)度受礦物摻合料作用普遍偏低，在一定程度上影響施工模板的周轉(zhuǎn)[6-7]。因此，為加快施工進(jìn)度、提高預(yù)制構(gòu)件模板的周轉(zhuǎn)速度以及施工效率，本研究探討了海洋環(huán)境下高寒區(qū)水工混凝土耐久性，以滿足快速施工和高耐久性的要求。

1 混凝土試配

1.1 原材料性能

水泥作為活性組分與混凝土強(qiáng)度密切相關(guān)，相同配合比情況下水泥等級(jí)越高則配制成的混凝土強(qiáng)度越高；水泥類型相同時(shí)，水灰比直接決定了混凝土強(qiáng)度。試驗(yàn)檢測(cè)快硬高抗蝕硫鋁酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和比表面積，如表1。結(jié)果顯示，快硬高抗蝕硫鋁酸鹽水泥強(qiáng)度能夠達(dá)到52.5級(jí)，符合技術(shù)規(guī)范質(zhì)量要求。

表2 骨料性能指標(biāo)值

試驗(yàn)選用高貝利特硫鋁酸鹽專用CAS-PCE減水劑，摻量取凝膠材料的0.1%～1.0%(折固摻量)，水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失小且初始流動(dòng)度超過250 mm，將專用減水劑與混凝土復(fù)配可調(diào)凝結(jié)時(shí)間從最初的0.5%～2.0 h延長(zhǎng)至0.5～4.0 h；采用高貝利特硫鋁酸鹽專用CSA-PSR緩凝劑，固含量達(dá)到30%，摻量取膠凝材料的0.2%～1.5%(折固摻量)。

拌和水選用自來水，經(jīng)檢測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》相關(guān)要求，如表3。

表3 拌和水性能檢測(cè)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用專用緩凝劑、減水劑、粗細(xì)骨料和快硬高抗蝕硫鋁酸鹽水泥等原材料，并依據(jù)《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)要求進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，如表4。

1.3 混凝土性能

(1)基本性能。經(jīng)檢測(cè)，拌合物的經(jīng)時(shí)損失、擴(kuò)展度以及坍落度測(cè)試結(jié)果如表5。結(jié)果顯示，拌合物工作性損失較小，混凝土和易性良好可以滿足施工要求。

表4 配合比設(shè)計(jì) kg/m3

表5 混凝土基本性能

(2)力學(xué)性能。經(jīng)檢測(cè)，混凝土試塊4 h、1 d、3 d、28 d、56 d抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表6。結(jié)果表明，混凝土1 d、3 d早期抗壓強(qiáng)度均超過25 MPa，早期強(qiáng)度整體較高；混凝土28 d、56 d齡期抗壓強(qiáng)度達(dá)到53.8 MPa和59.4 MPa，這表明隨著齡期的延長(zhǎng)混凝土強(qiáng)度逐漸增大，最終達(dá)到C50強(qiáng)度等級(jí)。

表6 混凝土抗壓強(qiáng)度

(3)耐久性能。對(duì)于設(shè)計(jì)年限50年且處于浪濺區(qū)、大氣區(qū)以及水位變化區(qū)的高性能混凝土，按《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定其56 d擴(kuò)散系數(shù)不應(yīng)超過4.5×10-12m2/s，56 d電通量不超過1 000 C，測(cè)試混凝土擴(kuò)散系數(shù)和電通量如表7。

表7 擴(kuò)散系數(shù)與電通量值

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場(chǎng)施工

混凝土施工配合比按表4執(zhí)行，攪拌過程中合理控制拌合時(shí)間、稱量精度和原材料質(zhì)量，一般攪拌時(shí)間不宜少于120 s且較普通混凝土增加40 s。施工過程中考慮預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)情況，合理選擇鋼質(zhì)料斗，鋼質(zhì)料斗具有不漏漿、不吸水、內(nèi)壁光潔平整等特點(diǎn)。為滿足施工技術(shù)和坍落度要求，適時(shí)調(diào)整拌合物和易性以及入模工作性，控制坍落度達(dá)到120 mm。

澆筑過程中要防止出現(xiàn)離析，澆筑時(shí)要均勻、連續(xù)，施工時(shí)一般選擇機(jī)械或人工的平常方式，混凝土料充滿倉面，并保證倉面均勻，結(jié)合混凝土振搗時(shí)間及分層厚度確保混凝土澆筑密實(shí)性。控制振動(dòng)棒移動(dòng)間距不超過其半徑的1.5倍，混凝土中振動(dòng)棒的插入深度不小于50 mm，振動(dòng)時(shí)遵循慢拔快插的原則，控制振動(dòng)時(shí)間處于20～30 s之間。

混凝土達(dá)到脫模強(qiáng)度時(shí)將澆筑完成的閘門板脫模養(yǎng)護(hù)，閘門板澆筑溫度為25℃情況下，同等養(yǎng)護(hù)條件下測(cè)得4 h混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到26.0 MPa，該條件下即可進(jìn)行脫模。閘門板脫模后，外觀質(zhì)量整體較好。高抗蝕硫鋁酸鹽水泥混凝土的早期強(qiáng)度較高，強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，相對(duì)于硅酸鹽水泥混凝土其脫模時(shí)間可以明顯縮短，從而滿足海洋工程快速施工技術(shù)要求，達(dá)到提高施工效率和加快模板周轉(zhuǎn)的目的。

2.2 混凝土性能

考慮工程混凝土的技術(shù)要求制作相應(yīng)的混凝土擴(kuò)散系數(shù)、電通量和強(qiáng)壓強(qiáng)度試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至不同齡期后取出依次測(cè)試混凝土的擴(kuò)散系數(shù)、電通量和抗壓強(qiáng)度如表8。結(jié)果顯示，閘門板混凝土早期強(qiáng)度較高，4 h強(qiáng)度可以達(dá)到18 MPa以上，隨著齡期的延長(zhǎng)抗壓強(qiáng)度不斷增大，28 d強(qiáng)度可以達(dá)到55 MPa，強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C50；同時(shí)，混凝土28 d齡期的擴(kuò)散系數(shù)和電通量滿足《水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定要求，28 d擴(kuò)散系數(shù)不超過2.5×10-12m2/s，電通量不超過500 C。

表8 混凝土擴(kuò)散系數(shù)、電通量和抗壓強(qiáng)度

2.3 改善耐久性的措施

(1)增大保護(hù)側(cè)厚度。通過增加保護(hù)層厚度可有效控制侵蝕性離子的侵蝕，時(shí)間的平方根和氯離子滲透深度、碳化深度成正比，保護(hù)層厚度的增加可以延長(zhǎng)外界侵蝕性離子滲入鋼筋表面的時(shí)間，從而達(dá)到保護(hù)鋼筋的目的。一般地，控制最小保護(hù)層厚度如表9。

表9 最小保護(hù)層厚度

(2)鋼筋防腐處理技術(shù)。目前，多采取以下措施預(yù)處理鋼筋：其一，為了封閉內(nèi)部滲漏通道可以涂抹隔離層，以防外界侵蝕性介質(zhì)向內(nèi)部的滲透并造成鋼筋的銹蝕，利用利用環(huán)氧基液、乳化瀝青等土層；其二，利用環(huán)氧涂層保護(hù)鋼筋，通過靜電噴涂的方式生成一層保護(hù)膜，以此阻斷有害介質(zhì)的侵蝕；其三，嘗試?yán)酶鞣N鋼筋阻銹劑、耐銹劑等新產(chǎn)品。

(3)堿骨料反應(yīng)控制。為有效減小堿骨料反應(yīng)所采取的方法如下：有條件的地區(qū)可以利用非活性骨料，條件不允許時(shí)時(shí)要嚴(yán)格控制總堿含量，砂石料的堿含量要符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，為了減少堿含量也可選用低堿水泥；摻入粉煤灰、礦粉等活性混合料時(shí)，可在一定程度上抑制堿骨料反應(yīng)；水分作為反應(yīng)的必要條件，所以要盡量控制水分的滲入。

(4)改善抗?jié)B性。水工混凝土的內(nèi)部構(gòu)造、孔隙大小及其密實(shí)程度與抗?jié)B性密切相關(guān)，因振搗不密實(shí)產(chǎn)生蜂窩、孔洞、內(nèi)部孔隙和毛管通路等都會(huì)降低抗?jié)B能性。目前，影響抗?jié)B性因素有水灰比、水泥品質(zhì)、外加劑、養(yǎng)護(hù)齡期等，具體如下：

水灰比越小則抗?jié)B性越好，所以要控制水灰比不宜過大；實(shí)踐表明，成型后的混凝土抗?jié)B性能主要與水泥品質(zhì)、品種有關(guān)，一般細(xì)度越大則孔隙率越小，相應(yīng)的抗?jié)B性越好；將適量摻合料摻入水工混凝土中，可以發(fā)揮其界面、微骨料、活性和形態(tài)效應(yīng)，通過細(xì)化內(nèi)部孔隙改善混凝土密實(shí)度以及界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)，提高其抗?jié)B性；摻入適量的外加劑有利于改善和易性及密實(shí)性，相應(yīng)的抗?jié)B性也會(huì)改善，隨著水泥的水化和養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，混凝土密實(shí)性和抗?jié)B性逐漸提高。

(5)改善抗侵蝕性。水泥的密實(shí)度、孔隙狀況與水工混凝土抗侵蝕性相關(guān)，環(huán)境水很難侵入孔隙封閉或密實(shí)度較高的混凝土中，故具有較強(qiáng)的抗侵蝕性，可通過提高密實(shí)度、減小水灰比、合理選擇水泥品種、改善內(nèi)部孔隙等方式增強(qiáng)混凝土抗侵蝕性。

3 結(jié)語

本研究利用專用緩凝劑、減水劑以及快硬高抗蝕硫鋁酸鹽水泥等材料，試驗(yàn)配制快速施工高耐久性混凝土，混凝土耐久性和工作性良好，能夠滿足海洋環(huán)境下快速施工和高耐久性要求。在預(yù)制構(gòu)件工程中配制的混凝土得到了實(shí)踐應(yīng)用，結(jié)果表明澆筑完成后4 h即可脫模，達(dá)到了提高施工效率和模板周轉(zhuǎn)速度的目的，所配制混凝土耐久性良好，可滿足海洋環(huán)境下水工結(jié)構(gòu)快速施工技術(shù)要求。