增效剂与减缩增韧剂复掺优化高标号海工大体积混凝土.pdf

2 0 1 5年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 201 5 No 3 Ma r c h 增效剂与减缩增韧剂复掺优化高标号 海工大体积混凝土 丁庆 军 ， 陶瑞鹏 ， 刘 小清 ， 陈儒发 ， 刘红胜 ( 1 武汉理工大学材料科学与工程学院 ， 4 3 0 0 7 0 ； 2 广东省长大公路工程有限公司 ， 广州 5 1 0 0 0 0 ) 摘要 ： 依托 港珠澳大桥 重点工程 ， 针对 该工程预 制承 台高标号大体积混凝土水化温升和海 洋服役环境的性能 要 求 通过 复掺 C T F增效剂和减 缩增韧剂 ， 有效降低 了水 泥用量和混凝土绝热 温升 ， 提 高了抗裂性能 ， 开发 出高耐 久低温升抗裂 C 4 5海工大体积混凝土 。 设计 出的混凝 土成功应用于港珠澳大桥预制承 台， 应 用效果 良好 ， 没有 出现 温度裂缝。 关 键 词 ： 海 工 大体 积 混 凝 土 ； CTF增 效 剂 ； 减 缩 增 韧 剂 Ab s t r a c t ： F u n d e d b y H o n g k o n g Z h u h a i - Ma c a o b ri d g e ma j o r p r o j e c t ， i n t h e d ri v e t o m a k e t h e t e m p e r a t u r e r i s e o f h y d r a t i o n o f p r e c a s t p i l e h i g h g r a d e ma s s c o n c r e t e a n d i t s p e r f o r ma n c e me e t t h e n e e d o f ma ri n e s e r v i c e e n v i r o n me n t ， b y o p t i mi z i n g t h e c o mp o s i t i o n o f c e me n t i t i o u s ma t e ria l s a n d i n c o r p o r a t i n g CT F s y n e r g i s t i c a g e n t c o mb i n e d wi t h s h rin k a g e r e _ d u c i n g t o u g h e n i n g a g e n t ， t h e c e me n t c o n t e n t a n d a d i a b a t i c t e mp e r a t u r e r i s e o f t h i s c o n c r e t e a r e e f f e c t i v e l y d e c r e a s e d a n d i t s c r a c k r e s i s t a n c e a b i l i t y i s i n c r e a s e d Hi g h s u s t a i n a b i l i t y ，l o w t e mp e r a t u r e ris e a n d c r a c k r e s i s t a n t C 4 5 ma ri n e ma s s c o nc r e t e i s de v e l o pe d a n d a pp l i e d i n Ho ng ko n gz hu ha i ma c a o b rid g e p r e c a s t pi l e c a ps s uc c e s s f u l l y ，wi t h a g o o d co n s t r u c t i o n e f f e c t a n d wi t h o u t a n y t e mp e r a t u r e c r a c k Ke y wo r ：Ma rin e ma s s c o nc r e t e ；CTF s y n e r g i s t i c a g e n t ；S hrink a g e r e d uc i ng t o ug he ni n g a g e nt 中图分 类号 ： T V 4 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 3 - 1 7 - 0 4 0前言 港珠澳大桥 C B 0 4合 同段位于大桥主体桥梁工 程 的中部位 置 包括通航孔桥及非通航孔桥两部 分 ， 全 长 7 1 5 4 m， 桥 面标 准 宽度 3 3 1 m。非 通 航 孑 L 桥 承 台 为六 边 形 ， 采 用 C 4 5海 工 混凝 土 ， 顺 桥 向 宽 为 1 2 1 2 5 m， 横桥向宽 1 6 m， 高 4 5 5 m 采用在预制场 预制 的方 案进行施工 ， 一 次浇筑完成 属 于典型的 海工大体积混凝土 。一般海工大体积混凝土中矿粉 和胶凝材料用量较高 ， 混凝土收缩大 ， 绝热温升高 ， 并且易因氯离子渗透 、 硫酸盐侵蚀等导致耐久性下 降【 l - 7 1 。因此 ， 需要研究一种低温升抗裂高耐久的海 工大体积混凝土 用 以满足港珠澳大桥桥梁工程要 求 。 1 海 工大体 积 混凝 土配 合 比优化 设计 1 1 原 材料 水 泥 ： 华 新 P O 4 2 5级普 通硅 酸盐 水 泥 ， 细 度 ( O 0 8 m m方孑 L 筛筛余 ) 2 8 ， 技术性能指标见表 1 。 粉煤灰 ： 级粉煤灰 ， 烧失量为 6 8 ， 需水量 比 为 9 6 ， 细度为 8 ( 0 0 8 mm方孔筛筛余 ) 。 基金项 目： 国家 “ 9 7 3 ” 计 划( 2 0 1 5 C B 6 5 5 1 0 1 ) 。 表 1 华新 P O 4 2 5普通硅酸盐水泥技术性能指标 矿 粉 ： $ 9 5级 矿 粉 ， 比表 面 积 4 5 0 mV k g ， 流 动 度 比为 9 9 ， 7 d活性 指数为 8 9 1 ， 2 8 d活性指数 为 1 0 0 。 砂 ： 中砂 ， 细度模数 2 5 2 9 。 石 ： 5 - 2 0 m m连续级配碎石 ， 压碎值 8 9 。 减水剂 ： 山东产 聚羧酸 系高效减水 剂 ， 减水 率 2 7 。 减缩增韧剂 ： 江苏产高效减缩增韧剂 。 C T F增效剂 ： 广州某公司生产 。 1 2 密实 骨架堆 积 法进 行混 凝 土配合 比设 计 采用密实骨架堆积法进行混凝土配合 比设计 ， 粉 煤灰 的密度 和细 度 比砂 要 小 ， 从 材 料 堆积 理 论 得 知 ， 密度小的材料填充密度大 的材料 ， 密度会 出现 带有峰值 的抛 物线形式 图。根据公式 ( 1 ) 确定粉煤 灰填充砂的比例 o t ， 以 o t 比例的细集料 ( 含粉煤灰与 一 1 7 2 0 1 5年第 3期 混 凝土 与水 泥制 品 总第 2 2 7期 砂 ) 根据公式 ( 2 ) 填充粗集料得最大堆积因子 13 ： c = w ( w j + w ) ( 1 ) fl = ( ) ( w f - w + 。 ) ( 2 ) 式 中： ， 、 W s 、 。 分别 表示粉煤灰 、 砂 、 石子的单位重 量 。 由 O 得出最大单位重为 ， 因而可以找出最 大 单 位 重 时 粉 煤 灰 、 砂 和 石 的重 量 ， 进 而 求 出水 泥 和水的重量。密实骨架堆积法不仅可以优化集料的 组 成 级配 ， 而 且 可 以显 著提 高 混凝 土 材 料 的结 构 致 密性 ，在保证混凝土具有 良好工作性的条件下 ， 最 大限度地降低胶凝材料 的用量 ， 进而提高混凝土 的 力学性能 、 耐久性能和经济性 从而确定混凝土的 初步基准配合比， 见表 2 。 由表 2的试 验 结果 表 明 ， 采 用 密实 骨 架 堆积 法 设计 的单掺粉煤灰混凝 土工作性能 和力学性能均 满 足设计要求 ， 并有很大的强度富余 系数 。海工大 体积混凝土对耐久性和水化放热量有较高要求 ， 用 矿粉取代部分水 泥后 ， 矿粉的微集料效应和二次水 化作用能显著提高混凝土的致密性 ， 从而大幅提高 混凝土耐久性。同时 ， 矿粉与水泥相比， 能大幅降低 水化放 热量 ， 降低绝热温升 。 因而通过掺入矿粉替 代部分水泥进行胶凝材料体系的优化。 1 3 C 4 5海工大体积混凝 土胶凝材料体系优化 采用矿粉取代部分水泥 ， 对混凝土基准配合 比 进行优 化调整 ，得到 C 4 5海工大体积混凝土配合 比 见表 3 。 由表 3可以看 出 ， 矿粉取代部分水泥后 ， 水泥 用量降低 ，混凝土的工作性能和力学性能满足 C 4 5 海工 大体积混 凝土 的设计 和施 工要求 。根据 G B 5 0 4 9 6 2 0 0 9 ( 大体积 混凝 土施 工规范 中绝热温升 计算方法 ， 计算得绝热温升在 3 4 左右 ， 与未掺矿 粉相 比， 绝热温升大大降低。 2 C TF增 效 剂与 减 缩增 韧剂 优化 高 标 号海 工 大体 积 混凝 土配 合 比 港珠澳大桥设计使用寿命为 1 2 0年 因而对混 凝土的耐久性能提出了更高要求 ， 必须确保混凝土 有 优 良的抗 开裂 性能 。为 了防止 大体 积混 凝 土温度 应力和收缩变形耦合作用下产生裂缝 ， 最直接最经 济的技术措施为降低胶材用量 ， 特别是降低水泥的 使用量来减少混凝土 的温度应力和减少混凝 土收 缩。但水泥用量的减少 ， 将降低混凝土的强度 ， 使混 凝土难 以满足设计要求 。C T F增效剂作为一种新型 的小分子混凝土表面活性剂 ， 能在降低 1 0 2 0 左 右水泥 的情况下 ， 使混凝土 的强度保持不变 ： 并且 研究表明 减缩增韧剂能明显 降低混凝土干燥收缩 8 1 ，对提高混凝土抗裂性能有较好作用。现利用 C T F 增效剂 与减 缩增韧剂复掺对 昆凝土配合 比进 行优 化 。 2 1 C T F增效剂对混凝土抗压强度的影响 在混凝土中掺入一定量的 C T F增效剂 ， 使水泥 用量从 1 9 0 k g降至 1 6 0 k g 。 保证砂率和水胶 比不变 ， 对比分析混凝土强度的变化。在表 3配合比的基础 上掺人 占胶材重量 0 4 、 0 6 和 O 8 的 C T F增效 剂 ， 实验 结果 见表 4 。 表 2 混凝 土基准 配合 比及力学性能 强度 原材料用量， ( k m ) 坍落度， m m 抗压强度 MP a 等级 水泥粉 煤灰 矿粉 砂 石 减 水剂C T F增效剂， 水 0 h 2 h 7 d 2 8 d 6 0 d 一 1 8 丁庆军 ， 陶瑞鹏 ， 刘小清 ， 等增效剂与减缩增韧剂复掺优化高标号海工大体积混凝土 由表 4实 验结 果 可 知 ， C 4 5混 凝 土 的抗 压 强 度 值 随 C T F增 效 剂 掺 量 的增 加 出 现 先 增 加后 减 小 的 趋 势 。 当 C T F增 效剂 掺量 为 0 6 时 ，混 凝 土 的 7 d 强度达 到 3 4 6 M P a 比未 掺增效剂 的提 高 1 0 5 ， 2 8 d强 度 达 到 5 3 0 MP a ， 比 未 掺 增 效 剂 的 提 高 1 2 5 ， 6 0 d强度达到 5 8 7 MP a ，比未掺增效剂的提 高 7 1 。 7 d 、 2 8 d和 6 0 d强度 与表 3中的数据 相 比 强度略微降低 ， 但也能满足设计要求 。由试验数据 可知 。 当 C T F增效剂掺量为 0 6 时 ， 混凝土 的强度 达 到最 大值 。故 确定 C T F增效 剂 的最 佳 掺量 为 0 6 。 2 2 减缩 增韧 剂对 混凝 土性 能 的影 响 在 混凝 土 结 构 中 ， 随着 龄 期 的增 加 ， 混 凝 土 在 空气 中硬化 ， 发生收缩 当混凝 土收缩拉应力大于 混凝土 的劈裂抗拉强度时 ， 混凝土产生裂纹 ， 易使 混凝土耐久性降低。海工大体积混凝土对耐久性有 较高的要求 ， 必须确保混凝土表面不产生裂纹。所 以 在 编号 为 C 4 5 6组 混凝 土配 合 比的基 础上 ， 掺 人减 缩增 韧剂 以减少 混凝 土 的收缩 。通过 在 混凝 土 中掺人胶凝材料重量的 0 1 、 0 3 、 0 5 和 0 7 的 减缩 增 韧 剂 。 对 比分 析 普通 混 凝 土 的 干燥 收缩 。试 验配合 比见表 5 。减缩增韧剂对混凝土性能的影响 见表 6 。 由表 6中的试验结果可知 ， C 4 5海工大体积混 凝土 的劈裂抗拉强度 随着减缩增韧剂掺量 的增 加 出现了先增长后下降的趋势 ， 而混凝土的收缩率则 随着减缩增韧剂掺量的增大不断降低。当其掺量为 0 5 时 ， 7 d劈 裂抗 拉强度 达 到 3 2 4 MP a ， 2 8 d达 到 3 9 8 MP a 7 d的干燥收缩率为 1 5 7 1 0 ， 2 8 d为 2 4 1 1 0 相 比不掺 减缩 增 韧剂 的空 白组 ， 7 d和 2 8 d的劈 裂抗拉强度分别提高 2 0 9 和 1 9 9 ， 7 d和 2 8 d的 收缩率分别降低 1 5 1 和 1 2 7 。由试验结果可知 ， 综合考虑两种性能 ， C 4 5海工 大体积混凝土减缩增 韧剂 的最优掺量为 0 5 。 表 5混凝土试 验配合 比 k g m 表 6 减缩 增韧剂对混凝 土性能的影响 分析减缩增韧剂 的减缩增韧原理 ， 其实质是引 入 了一种聚醇类聚合物 ， 聚合物 中各分子链互相缠 绕 ，并形成网格状骨架体系镶嵌在水泥石之 中 通 过网格骨架结构 自身的变形作用吸收结构应变能 提高材料的力学性能【8 l ， 使原本混凝土 自身 的收缩 作用及微裂纹扩展需要 吸收更多的能量才能实现 ， 从而起到减缩增韧的效果 。 2 3 混 凝 土长期 性 能与 耐久 性 能试验 采用 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9 普通混凝土长期性能 和耐久性能试验方法标准 对表 5中编号为 C 4 5 6 5的混 凝 土进 行抗 裂 性 能 、 氯 离 子渗 透性 能 、 硫 酸 盐 侵蚀性能试 验 ，耐久性评 定等级采用 J G J T 1 9 3 2 0 0 9 ( 混凝土耐久性检验评定标准 ， 测试及评定结 果见表 7 表 9 。 由表 7 表 9的试验结果可知 混凝土 的抗裂等 级达到 了 L 一 级 。具 有较 高的抗裂 性能 ； 2 8 d和 5 6 d C 1 一 扩散 系数分别 为 2 8 1 0 2 I l 1 2 s 、 1 5 x 1 0 2 n l 2 S ， 具有较 低 的C l 一 扩散 系 数 ；抗压 强度 侵蚀 系数 为 8 7 9 。 抗蚀等级 K S 1 5 0以上 。 具有很好的抗硫酸盐 侵蚀性能。因此 ， 该混凝 土具有性能优 良的抗裂和 耐久 性能 。 表 7混凝土早期平板开裂观测结果 一 1 9