蘇開春 張杰 許圣祥 周孝軍 薛吉虬

摘要：為了滿足南充嘉陵江大橋C45水下樁基礎(chǔ)混凝土高流動性施工要求，并考慮工程所處高硫酸鹽侵蝕服役環(huán)境，文章探討了消泡劑、流變密實劑和抗硫酸鹽侵蝕抑制劑等復(fù)摻對混凝土性能的影響，同時通過硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕試驗，對樁基混凝土的耐蝕性進行了研究。結(jié)果表明：消泡劑的摻入有利于混凝土工作性能與力學(xué)性能的提升；流變密實劑可增加混凝土的稠度與粘聚性，但一定程度上會降低混凝土和易性與力學(xué)性能；抗侵蝕抑制劑的加入，與消泡劑、流變密實劑適配性較高，混凝土坍落度均在250 mm以上，擴展度在600 mm以上，所制得的混凝土耐蝕系數(shù)達到KS150，滿足實際工程樁基施工與耐蝕性需要。

關(guān)鍵詞：樁基混凝土；抗硫酸鹽侵蝕；配合比設(shè)計；干濕循環(huán)；抗侵蝕抑制劑

中圖分類號：U416.03? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4974（2024）04-0022-04

0 引言

硫酸鹽侵蝕破壞是影響混凝土材料損傷破壞與耐久性的重要因素之一，且損傷后難以修復(fù)［1-4］。嘉陵江大橋A4標(biāo)段樁基礎(chǔ)處于硫酸鹽環(huán)境，地下水循環(huán)交替強烈，水內(nèi)SO2-4含量高達1 691.36 mg/L。服役環(huán)境中的SO2-4進入樁基混凝土內(nèi)部，與混凝土中的水化產(chǎn)物氫氧化鈣、水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成石膏和鈣釩石等難溶的鹽類礦物，難溶的鹽類礦物吸收水分子而產(chǎn)生體積膨脹，形成膨脹內(nèi)應(yīng)力和龜裂。硫酸鹽侵蝕不僅破壞混凝土微結(jié)構(gòu)，而且會使混凝土酸性增強，溶解混凝土中的鈣化合物和金屬補償材料，降低混凝土的強度和耐久性，影響樁基承載能力，增加結(jié)構(gòu)的變形和破壞風(fēng)險［5-8］。因此有必要對硫酸鹽環(huán)境中的樁基混凝土進行抗硫酸鹽侵蝕設(shè)計。

抗硫酸鹽侵蝕混凝土設(shè)計應(yīng)保證混凝土的密實度與早期強度，能夠減緩硫酸根離子遷移，避免其侵蝕混凝土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)［9-10］?？紤]嘉陵江大橋樁基混凝土采用導(dǎo)管法水下施工，質(zhì)量要求高，為實現(xiàn)高流態(tài)且具有抗硫酸鹽侵蝕能力的混凝土制備，本文選擇消泡劑［11-12］、流變密實劑以及抗侵蝕抑制劑混摻對混凝土性能進行調(diào)整，以改善混凝土流變性與早期強度［13-14］，并結(jié)合抗硫酸鹽侵蝕耐久性試驗研究混凝土耐蝕性能［15-16］，為嘉陵江大橋樁基混凝土澆筑施工與耐蝕性能的提升提供技術(shù)支撐。

1 原材料與配合比設(shè)計

1.1 原材料

試驗所采用的水泥為海螺牌P瘙簚O42.5水泥，水泥的技術(shù)指標(biāo)詳見表1。粉煤灰采用江油Ⅱ級粉煤灰，細度22.5%（45 [WTBZ]μm方孔篩篩余），需水量比100%，燒失量6.8%，技術(shù)指標(biāo)詳見表2。硅灰采用成都東藍星新材料有限公司EBS-94微硅粉，SiO2含量95.2%，需水量比107%，燒失量2.4%，技術(shù)指標(biāo)詳見表3。細集料采用機制砂，表觀密度2 605 kg/m3，堆積密度1 640 kg/m3，空隙率39.6%，細度模數(shù)2.7，石粉含量8.6%，MB值1.0。粗集料采用卵碎石，按大、小石子比例6∶4選用，壓碎指標(biāo)8.6%、針片狀含量7.7%，表觀密度2 645 kg/m3，堆積密度1 550 kg/m3，空隙率41.6%。減水劑采用山西誠鑫聚生產(chǎn)的減水劑CXJ-AH，其減水率為26.3%。抗侵蝕抑制劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的SBT-TIA抗侵蝕抑制劑，技術(shù)指標(biāo)見表4。

1.2 試驗方案

試驗旨在探究消泡劑、流變密實劑與抗侵蝕抑制劑復(fù)摻，對新拌混凝土工作性能、力學(xué)性能的影響。工作性能測定包括坍落度、擴展度；力學(xué)性能主要測試7 d抗壓強度、28 d抗壓強度。通過試驗選出適宜配合比再進行耐蝕性能研究。

試驗采用100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試件。試件成型后自然養(yǎng)護24 h后拆模，將試件移入養(yǎng)護箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護。坍落度、擴展度、倒坍時間及7 d、28 d抗壓強度測試方法均按《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50080-2016）執(zhí)行測定。

耐蝕性能測試選用干濕循環(huán)試驗裝置進行，采用5% Na2SO4溶液浸泡，分別在干濕循環(huán)侵蝕90次、120次、150次時進行耐蝕系數(shù)測定。試驗方法均按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50082-2009）執(zhí)行。

1.3 配合比設(shè)計

試驗共設(shè)計8組配合比，詳見表5。XA、XB組分別設(shè)計消泡劑摻量為0.15%、0.20%。L25、L50組分別設(shè)計流變密實劑復(fù)合摻量為25 g/t、50 g/t。JC1、JC2、JC3分別對應(yīng)三種不同膠材體系，水泥用量分別為340 kg/m3、330 kg/m3、350 kg/m3。S1組改變用水量，調(diào)節(jié)水膠比至0.36。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 摻入消泡劑的影響

消泡劑摻量變化對混凝土工作與力學(xué)性能的影響規(guī)律如圖1所示。隨消泡劑摻量的增加，混凝土工作性能與力學(xué)性能均有所提升。消泡劑摻量從0.15%增加至0.20%，混凝土坍落度與擴展度均有所提升，有利于樁基礎(chǔ)的灌注；混凝土7 d、28 d抗壓強度分別增長6.5 MPa、4.7 MPa，且7 d抗壓強度均達到28 d的80%左右。這是由于消泡劑能減少新拌混凝土中的氣泡，大氣泡的減少有利于增加混凝土密實性，使混凝土的強度得到了提升。氣泡的減少還會降低混凝土硬化后的孔隙，孔隙是有害離子傳輸?shù)耐ǖ?，孔隙的減少也會提升混凝土抗侵蝕能力，從而提升混凝土耐久性。因此，消泡劑摻量宜為0.20%。

2.2 摻入流變密實劑的影響

隨流變密實劑摻量的增加，混凝土和易性有所降低，摻量為50 g/t時下降幅度過大，不利于水下樁基混凝土澆筑。消泡劑與流變劑的復(fù)摻增加了混凝土的稠度與粘聚性，提升了混凝土包裹性、潤滑性，但流動性有所損失。此外，由于混凝土拌和物稠度增加，影響消泡、排氣效果，混凝土容重有所降低，且隨流變密實劑摻量增加，混凝土強度也有一定程度下降（如圖2所示）。工程應(yīng)用應(yīng)考慮流變密實劑與消泡劑的匹配，摻0.20%消泡劑時，流變密實劑的摻量宜為25 g/t。

2.3 摻入抗侵蝕抑制劑影響

復(fù)摻抗侵蝕抑制劑對混凝土性能影響如圖3所示。抑制劑的摻加對混凝土和易性有少許影響，但混凝土流動性、包裹性與粘聚性仍然較好，坍落度在250 mm以上，擴展度在600 mm以上；混凝土早期抗壓強度較不摻時均有增長。如圖4所示，消泡劑+流變密實劑+抗侵蝕抑制劑復(fù)摻時，不同膠材體系的混凝土工作性能變化不大，力學(xué)性能主要與水泥用量相關(guān)，摻合料基本不變時，水泥用量越多，早期強度越高?？梢姡种苿┑膿郊訉ぷ餍阅芘c力學(xué)性能沒有明顯影響。

2.4 水膠比的影響

各組混凝土均有較好均質(zhì)性，漿體飽滿，流動性好。混凝土性能變化規(guī)律如圖5所示，用水量每增加7 kg/m3后，混凝土坍落度與擴展度明顯增加，而7 d抗壓強度基本不變，28 d抗壓強度僅少許下降。摻加高品質(zhì)粉煤灰與硅灰后，混凝土對用水量敏感度下降，一定程度上可增加混凝土性能穩(wěn)定性，減少因砂石材料含水率波動對混凝土性能的影響。

3 混凝土耐蝕性能

嘉陵江大橋A4標(biāo)段樁基礎(chǔ)所處環(huán)境中SO2-4高達1 691.36 mg/L，且地下水循環(huán)交替強烈，對樁基混凝土的抗侵蝕性能要求高。按照表6配合比制備試件，進行硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕試驗研究，其中組別A為前述研究推薦配合比（與表5中JC1組一致）；在A組配合比基礎(chǔ)上，組別B將普通硅酸鹽水泥替代為抗硫水泥，而組別C則不摻加抑制劑。各組試件在經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)侵蝕后，混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)見下頁表7。

結(jié)果表明，抗侵蝕抑制劑能明顯提升混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，在經(jīng)過150次干濕循環(huán)后抗壓強度耐蝕系數(shù)仍有90%，且抗侵蝕效果比采用抗硫水泥更佳。若不摻入抗侵蝕抑制劑，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，耐蝕系數(shù)下降幅度最明顯，不利于混凝土在硫酸鹽環(huán)境下的長期抗侵蝕耐久性。如下頁圖6所示。

4 工程應(yīng)用

根據(jù)上述試驗結(jié)果，嘉陵江大橋A4標(biāo)段樁基礎(chǔ)混凝土采用表6中A組推薦配合比。按照0.2%消泡劑+25 g/t流變密實劑+20 kg/m3抗侵蝕抑制劑復(fù)摻，并與優(yōu)質(zhì)活性摻合料相結(jié)合的技術(shù)方案，制備出了高抗硫酸鹽侵蝕混凝土，其到場后的工作性能以及現(xiàn)場養(yǎng)護各齡期的力學(xué)性能測試結(jié)果見表8?；炷翝仓^程順利，14 d后經(jīng)檢測樁基混凝土質(zhì)量為合格，且均為Ⅰ類樁基?，F(xiàn)場取樣混凝土試件經(jīng)歷150次干濕循環(huán)侵蝕后，滿足KS150等級要求，且抗壓強度耐蝕系數(shù)為89%，具有較好的長期抗侵蝕性能。

5 結(jié)語

本文通過系列試驗研究了消泡劑、流變密實劑和抗硫酸鹽侵蝕抑制劑對混凝土工作性能、力學(xué)性能的影響，同時對制備的樁基混凝土耐蝕性能進行了測試分析，結(jié)論如下：

（1）消泡劑+流變密實劑+抗侵蝕抑制劑復(fù)摻，與活性摻合料結(jié)合后對混凝土和易性影響較少，三者適配度較高。采用該方案制備的樁基混凝土對用水量敏感性低，施工性能與力學(xué)性能好。

（2）摻加高活性摻合料后，采用普通硅酸鹽水泥與采用抗硫水泥制備的混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕等級均能達到KS150，且耐蝕系數(shù)沒有明顯差異；而摻入抗侵蝕抑制劑后，樁基混凝土耐蝕性能有較大提升。摻入高活性摻合料與抗硫酸鹽侵蝕抑制劑，能滿足樁基混凝土長期耐蝕性能要求。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金“高海拔地區(qū)泵送鋼管混凝土氣泡形成與遷移機制及其對灌注密實度的影響機理”（編號：52008340）；國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金“橋梁動力效應(yīng)下超高性能混凝土材料微結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能優(yōu)化機理”（編號：U21A20149）

作者簡介：蘇開春（1976—），碩士，政工師，主要從事高速公路建設(shè)管理與新材料推廣應(yīng)用工作。