海工高耐久自密实混凝土的研制.pdf

新 壶 巍 全 国 中 文 核 心 期 刊 海工离利久自蜜实混凝土的研制 胡红梅 ， 余彬彬 ， 陈健 ( 1 厦 门大学 建筑与土木工程学院， 福 建 厦门3 6 1 0 0 5 ； 2 厦门市公路局， 福建 厦门3 6 1 0 0 0 ) 摘要 ： 针对跨海桥梁工程特点与环境条件， 采取七元组分设计混凝土配合比， 通过限制骨料含量、 采用低水胶比、 复掺磨细矿粉 与 I级粉煤灰 以及外掺聚羧 酸系 高性 能减水剂等技术措施 ， 配制 出适合海洋环境条件 、 中等强度等级、 具有 良好体积稳定性的高耐 久 自密实混凝土。 关键词： 自密实混凝土； 耐久性； 徐变； 跨海桥梁 中图分类号： T V 4 3 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 1 1 - O O 0 5 0 3 De v e l op m e nt o f t he h i g h-dur a bi l i t y a nd s e l f -c o m p ac t i ng c o nc r e t e i n ma r i n e e nv i r on m e nt HU Ho n g me i ， YU Bi n b i n ， C HE N J i a n ( 1 S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， Xi a me n U n i v e r s i t y ， X i a m e n 3 6 1 0 0 5 ， F u j i a n ， C h i n a ； 2 X i a m e n C i t y H i g h w a y B u r e a u ， Xi a me n 3 6 1 0 0 0 ， F u j i a n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ai m i n g a t t h e c h a r a c t e ri s t i c s a n d e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n s o f c r o s s s e a b ri d g e p r o j e c t ， w e a c h i e v e d a h i g h d u r a b i l i t y s e rf- c o mp a c t i n g c o n c r e t e b y a d o p t i n g s e v e n c o mp o n e n t mi x d e s i g n a n d t e c h n i c a l me a s u r e s i n c l u d i n g l i mi t i n g t h e a g g r e g a t e c o n t e n t ， u s i n g l o w wa t e r - c e me n t r a t i o ， d o u b l e - d o p e d p u l v e riz e d s l a g a n d gra d e I fly a s h a n d wi t h p o l y c a r b o x y l a t e t y p e h i g h p e r f o r ma n c e wa t e r r e d u c e r Th e p r o d u c e d c o n c r e t e i s s u i t a b l e f o r ma r i n e e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n s ， h a s mo d e r a t e i n t e n s i t y l e v e l a n d g o o d v o l u me s t ab i l i t y Ke y wo r d s ： s e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e ； d u r a b i l i t y ； c r e e p ； c r o s s s e a b ri d g e 近年来， 随着海峡两岸经济区建设的推进， 福建省桥梁建 设发展迅速。一大批跨海桥梁工程陆续涌现， 不断向大跨度、 高技术、 超优化方向发展。有些桥梁结构因配筋密集、 形体复 杂、 薄壁等因素给振捣带来困难， 容易带来构件内部缺陷， 普 通混凝土很难达到施工要求。 与此同时， 相对于陆地上的混凝 土结构而言， 跨海桥梁的混凝土结构面临着更加复杂、 恶劣的 自 然条件，尤其是海水中的氯盐会加速钢筋的锈蚀而使混凝 土过早损坏， 丧失了耐久性能， 从而严重威胁桥梁的正常使用 寿命l 1 。采取有效的耐久性控制措施， 保证桥梁设计寿命目 标 的实现， 是涉及到跨海桥梁结构设计、 材料选择、 施工和监理 等各方面必须共同面对的综合难题。自 密实混凝土因具有很 高的流动性、 优异的间隙通过性及抗离析能力， 并且具有良好 基金项 目： 国家 自然科学基金重大国际合作研究项目( 2 0 0 5 C C A 0 6 7 O O ) 福建省建设厅科技计划项 目( 2 0 0 5 2 2 ) 收稿 日期： 2 0 1 0 0 7 0 2 作者简 介： 胡红梅， 女 ， 1 9 6 2年生 ， 湖 北武汉人 ， 教授 ， 主要 从事高性 能混凝土材料与性能的研究。 通讯作者 ： 余彬彬， 地址 ： 厦 门市厦 门大 学学生公寓 7 - 6 4 3 ， 电话 ： 1 3 6 5 6 0 3 5 7 7 1 ， E ma i l ： s k y f r e e y u q q c o rn。 的力学性能和耐久性能，在跨海桥梁工程中受到越来越多的 关注12 1 。白密实混凝土胶凝材料用量大、 水胶比低、 其组分包 含一定量超细矿物掺合料及外加剂，其收缩变形较普通混凝 土大得多， 容易引起开裂， 从而严重影响到自 密实混凝土的耐 久性。 针对跨海桥梁的工程特点与环境条件， 本文重点研究了 自 密实混凝土的抗渗性、 抗氯离子渗透性及徐变性能， 试图配 制出适合海洋环境条件、具有良好体积稳定性的高耐久自 密 实混凝土。 1 试验 1 1 原材料 建福 P 0 4 2 5 级水泥， 各项性能指标合格， 实测2 8 d 抗 压强度为5 3 6 M P a ； 漳州江东河砂， 细度模数 2 7 ， 中砂； 5 2 5 m il l 连续级配碎石， 针片状含量5 ， 压碎指标值 1 1 3 ； 磨细 矿粉， $ 9 5 级； 厦门嵩屿电厂的I 级粉煤灰； 冠疆( 台湾) T G C Y S 3 0 聚羧酸系减水剂， 推荐掺量0 5 1 5 。 1 2 试 验方法 混凝土拌合物的流动性分别采用 L 型流动度试验方法 和坍落度试验方法进行测试。 N E W BU J L DI NG MAT E R I AL S 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 胡红梅 ， 等： 海工 高耐久 自密实混凝土的研制 混凝土力学性能按 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学 性能试验方法标准 进行测试。 混凝土抗渗性和徐变收缩按G B 8 2 8 5 普通混凝土长 期性能和耐久性能试验方法 进行测试； 抗氯离子渗透性能按 非稳态氯离子迁移试验方法( R C M法) 进行测试。 2 配合比设计 根据自密实混凝土的自密实机理和配合比设计理论， 考 虑工程特点与海洋环境条件，在对国内外同类技术分析比较 的基础上， 提出的配合比设计目 标： 除了满足自密实混凝土所 要求的大流动性， 易于泵送施工且不需振捣可自 密实， 拌合物 可在长时间保持良 好的工作性，以及达到中等强度等级要求 外， 特别要求硬化混凝土具有优良的耐久性能和抗变形能力。 为便于推广应用， 采用常用、 易得的原材料和常规工艺配制自 密实混凝土。 笔者认为， 配制高耐久自密实混凝土的关键技术在于： ( 1 ) 通过胶凝材料组分的优化设计， 实现对水化产物相的调控， 提 高混凝土本体的抗渗能力和固氯、 固硫效应； ( 2 ) 通过颗粒级 配最优组合技术和界面调控技术， 使水泥石的亚、 微观结构和 水泥石一 骨料界面结构致密化， 从而控制有害介质的传输， 切 断腐蚀通道。 相关研究证实， 采用优质活性矿物掺合料和高效 减水剂配制的多元组分混凝土可有效提高混凝土的密实性， 从而显著提高混凝土的抗蚀性口 1 。由多元组分构成的混凝土 可看作是具有优良级配的颗粒堆积体系。石子空隙由砂子填 充， 砂子空隙由水泥颗粒填充， 水泥颗粒之问和界面的空隙则 由超细矿物掺合料微粒填充。 通过整体颗粒级配的优化设计， 实现包括粗细骨料和胶凝材料的所有颗粒之间的最密实堆 积， 从而更有利于体系形成低孔隙的硬化体， 纯粹从提高颗粒 的填充性方面提高混凝土的抗蚀性。 有鉴于此， 在对自 密实混凝土的材料组成、 颗粒级配和配 合比进行多轮优化设计与试验研究的基础上，决定按照七元 组分设计混凝土配合比。具体按临界饱和掺量外掺聚羧酸系 减水剂，以等量内掺方式按一定比例复掺磨细矿粉和 I 级粉 煤灰， 配合限制骨料含量、 采用低水胶比等多项技术措施， 保 证设计目 标的实现。 考虑到C 4 0以下的自 密实混凝土应用较 多， 经过大量优化试验， 设计了C 3 0 和C 4 0自密实混凝土的 配合比( 见表I ) 。 表 1 自密实混凝土的配合比 6 新型建筑材料 2 0 1 0 1 1 3 性能测试及结果分析 3 1 自密实混凝土拌和物的性能分析( 见表2 、 表3 ) 表 2 自密实混凝土拌 合物 的工作性 能 表 3 C 4 0自密实混凝土拌合物坍落度经 时损失 由表2 和表3 可见， 2 组自 密实混凝土拌合物的坍落度 均达到大流动性要求， 且不离析、 不泌水、 问隙通过性强， 能自 流平， 而且坍落度的经时损失小， 具有优良的工作性， 完全满 足免振自 密实混凝土施工要求。 新拌浆体中的水有2 部分： 一 部分是填充水， 填充在颗粒问的孔隙中， 对拌合物的流动性没 有贡献； 另一部分是表面层水， 在颗粒表面形成水膜层， 浆体 的流动性取决于水膜层的厚度 。在自密实混凝土中掺入磨 细矿粉和优质粉煤灰，它们较小的颗粒粒径与水泥粒径在微 观上形成级配体系，将原来填充在孔隙中的填充水置换出来 成为自由水； 另一方面， 掺入保坍性突出的聚羧酸系高性能减 水剂可以减少表面层水的数量。 二者相结合， 不仅使混凝土拌 合物即使在低水胶比下也能获得大的流动性，同时使坍落度 的经时损失亦很小。 众所周知， 混凝土的流动性与粘聚性和保 水性是相互矛盾的，要使自密实混凝土同时具有大流动度又 不发生泌水离析的关键在于其胶凝材料浆体是否具有适当的 塑性黏度，它能减少骨料间的接触应力，削弱骨料的固体特 性， 抑制骨料起拱堆集， 从而有效抑制泌水离析I引 。磨细矿粉 和粉煤灰等超细掺合料不仅具有填充密实效应，其细小颗粒 和超大的比表面积产生出较大的内表面力，阻止骨料的沉降 和水分的泌出， 因此能够有效防止组成材料的离析。 3 _ 2 自密实混凝土的力学性能分析 按表 1 设计的配合比成型相应试件，力学性能测试结果 见表4 。 表 4 自密实 混凝土的力学性能测试结果 由表4可以看出， 2组自密实混凝土试件的力学性能均 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 胡红梅， 等： 海工高耐久 自密实混凝土的研制 达到相应普通混凝土的力学指标水平，且2 组未经振捣试件 的2 8 d抗压强度分别为振捣试件抗压强度的9 8 2 与 9 8 4 ， 表明白 密实混凝土的力学性能良 好。 Z H U We n z h u o n g 和B A R T O S Iq t 研究表明， 自密实混凝土中骨料与基体界面过 渡区的宽度约为3 0 4 0 m， 与普通混凝土基本相同。同时发 现，自 密实混凝土中骨料上方界面过渡区与骨料下方界面过 渡区的弹性模量几乎相当， 而普通混凝土中骨料上、 下方界面 过渡区的弹性模量则差别明显。 总之， 自 密实混凝土具有更为 密实、 均一的微观结构。 这一结构特点对于自 密实混凝土的耐 久性显然具有重要意义。 3 3 自密实混凝土的耐久性测试及结果分析 沿海地区的气候与环境条件要求自 密实混凝土应该同时 具备良 好的体积稳定性和耐久性，特别是优良的抗渗性与抗 氯离子渗透性。由 于混凝土的变形包括非荷载因素和荷载因 素引起的体积变形，考虑跨海桥梁结构的受力状况和环境条 件，本文选择测试混凝土的受压徐变指标作为体积稳定性的 考察指标，测试自 密实混凝土的抗渗性和抗氯离子渗透性作 为耐久性考察指标。 3 3 1 抗渗性分析 混凝土的耐久性能与抗渗性密切相关，它是混凝土耐久 性的第一道防线，反映了混凝土内部的致密程度与孑 L 结构特 征。 抗渗性好， 说明混凝土的总孔隙率低、 最可几孔径小、 开口 连通的孔隙少， 侵蚀介质难以渗入， 抗蚀性高。按表 1 配合比 每组制作6 个抗渗试件， 标准养护至2 8 d 后按标准试验步骤 进行抗渗试验。从0 1 M P a 开始加压， 持续加压到4 0 M P a ， 2 组试件都未发现渗水现象。 试件劈裂后， 渗水高度最大的只有 5 m m ， 表明2 组自密实混凝土的抗渗性能优良， 抗渗等级大 于P 4 0 。 3 - 3 2 抗氯离子渗透性分析 海洋工程对混凝土的抗氯离子渗透性能要求很高，要推 广使用自 密实混凝土， 该项指标必须达标。 按表 1 配合比制作 标准试件， 按照R C M法测得C 4 0 、 C 3 0自 密实混凝土2 8 d的 氯离子扩散系数分别为1 6 6 x 1 0 m 2 s 、 1 7 8 x 1 0 m 2 s ，均小 于2 x 1 0 z m 2 s ，抗氯离子渗透性符合N T b u i l d 4 9 2标准中 “ 非常好” 的等级， 满足高耐久设计目 标要求。 相关研究表明， 在合适的掺量范围内， 单掺硅灰、 I 级粉 煤灰、 矿渣粉均明显改善了混凝土的抗氯离子渗透性， 而不同 掺合料的复掺效果要更加优于单掺效果3 1 。自密实混凝土具 备高耐久的重要原因正是由于2 种超细矿物掺合料的火山灰 效应和复合超叠加填充密实效应， 优化了水化产物的组成， 改 善了混凝土内部的微观结构， 使混凝土结构致密、 孔隙细化。 3 4 自密实混凝土的徐变收缩研究 按表 1 中C 4 0 配合比制作棱柱体受压徐变试件， 同时制 作相应的收缩试件，标准养护2 8 d 后移入徐变室进行测试。 测试结果见表5 。 表 5 自密实混凝土和普通混凝土的徐变值 从表5 可以 看出， 除1 d 外， 自 密实混凝土的早期和后期 徐变值均小于普通混凝土， 特别是9 0 d的收缩值和徐变值分 别比普通混凝土要小3 1 和2 7 。结果表明， 按照表 1 配制 的C 4 0自 密实混凝土具有良 好的体积稳定性。 其原因在于超 细矿粉和粉煤灰的有效复掺， 使水泥石结构密实， 水泥石与骨 料之间的界面结构得到改善，从而降低了混凝土内部的早期 干燥与收缩程度 。与此同时， 聚羧酸系减水剂对于自密实混 凝土的减缩也有较大作用。因为聚羧酸系减水剂可以明显地 降低孔隙溶液的表面张力， 其含碱量低， 有利于降低孔隙内部 的白 干燥程度， 以及相同干燥程度下所引起的收缩应力， 从而 减少了混凝土包括徐变在内的各种收缩变形。 4 结语 ( 1 ) 按照七元组分设计混凝土配合比， 采取限制骨料含 量、 低水胶比、 复掺磨细矿粉与I 级粉煤灰以及外掺聚羧酸系 高性能减水剂等技术措施， 能够配制出适合海洋环境条件、 中 等强度等级的高耐久自密实混凝土。 ( 2 ) 复掺磨细矿粉和优质粉煤灰等矿物掺合料以及外掺 聚羧酸系高性能减水剂，是使自 密实混凝土同时获得优良 工 作性能、 高耐久性和良好体积稳定性的重要技术手段。 ( 3 ) 高耐久自 密实混凝土以其优良的工作性能、 耐久性能 和体积稳定性，有效地解决了 跨海桥梁复杂结构施工振捣困 难与抗氯离子渗透的难题， 具有广阔的应用前景。 参考文献： 1 胡红梅 ， 宋明辉 ， 姚 志雄 ， 等 跨海桥 梁混凝 土结构耐久性 的质量 控S U J 混凝土， 2 0 0 8( 1 1 ) ： 1 1 4 1 1 6 ( 下转第 1 4页) N E W 13 UI L DI NG M AT ER I AL S 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘冬梅， 等： 磷渣对高贝利特水泥水化性能的影响 表 2 水泥浆体的孑 L 结构特征 从表2 可知， 水化龄期延长时， 水泥浆体的中值孔径( 体 积) 和平均孔径显著减小， 掺3 0 磷渣高贝利特水泥浆体的中 值孔径和平均孔径的降低幅度较纯高贝利特水泥浆体大很多。 水化2 8 d 时， 掺磷渣高贝利特水泥浆体的中值孔径略大于纯高 贝利特水泥浆体的， 平均孔径则明显大于纯高贝利特水泥浆体 的。水化9 0 d 时， 掺磷渣高贝利特水泥浆体的中值孔径和平均 孔径均小于纯高贝利特水泥浆体的中值孔径和平均孔径。 1掺3 O 磷渣 、 l I 一 f： 、 1、 0 0 1 O O 1 O 1 l 1 0 孔径 p m ( b ) 9 0 d 孔数量最多； 水化9 0 d 时， 大多数孔的孔径在 1 3 - - ,6 0 n m 。对于 掺3 0 磷渣的高贝 利特水泥浆体而言， 浆体内部的孔径分布呈 双峰分布。 水化2 8 d 时， 孔径主要分布在1 8 8 0 n m ， 4 7 0 - - 2 0 0 0 nm之间也有部分的孔隙集中分布； 水化9 0 d 时， 孔径主要分布 在1 0 6 0 B i n ， 4 7 0 1 8 0 0 n m之间也有少量的孔隙集中分布。 水化龄期一定的情况下，对比纯高贝利特水泥浆体和掺 磷渣高贝利特水泥浆体的孔径分布范围可知，水化2 8 d时， 掺磷渣高贝利特水泥浆体中大孔数量较多；水化9 0 d 时， 掺 磷渣高贝利特水泥浆体中孔隙的孔径明显细化，且小孔含量 显著增加。这表明， 水化 2 8 d 时， 磷渣的火山灰反应程度较 低， 浆体中水化产物的量较少， 浆体内部的孔隙较多， 孔径较 大； 水化9 0 d 时， 磷渣的火山灰活性得到了较为充分地发挥， 水化产物数量显著增多， 浆体内部的总孔隙数量大大减少， 孔 隙中小孔的含量明显增多。这与浆体 S E M照片的分析相对 应。至于掺磷渣高贝利特水泥浆体中孔径呈双峰分布的原因 仍有待于进一步研究。 3 结论 ( 1 ) 磷渣掺入后， 高贝利特水泥的强度随磷渣掺量的增加 而降低， 早期下降幅度较大， 后期下降幅度明显减缓。且抗折 强度的降低幅度较抗压强度小。 ( 2 ) 磷渣掺入后， 显著降低了高贝利特水泥的水化热。 ( 3 ) 磷渣掺入后， 降低了水泥浆体中C a ( 0 H ) ： 的含量， 浆 体早期的微观结构和孔结构均比纯高贝利特水泥浆体的差。 但后期浆体的孔径分布明显优于纯高贝利特水泥浆体。 参考文献 ： 【 1 】 冯乃 谦， 丁建彤 磷渣超细粉混凝土 流动 性、 强度与耐久性 J 1 低 温建筑技术 ， 1 9 9 8( 1 ) ： 2 - 4 图 8 水泥浆体的孔径 分布 曲线 2 高培伟， 张德成 磷渣超细粉对高性能混凝土强度与耐久性的影 图8 表明， 水化龄期延长时， 高贝利特水泥浆体和掺磷渣 响 【 J J 山 东 建材学院学报， 1 9 9 8 ， 1 2 ( S 1 ) ： 1 3 0 - 1 3 4 高贝利特水泥浆体的总孔量随之减少， 孔峰位置向小孔方向移 3 1郭随华， 林震， 苏姣华 高贝 利特硅酸盐水泥的 水化和浆体结构 动。 水化2 8 d 时， 高贝利特水泥浆体中， 孔径在1 8 1 1 2 n m间的 IJ 1 硅酸 盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 1 2 ) ： 1 6 2 1 A ( 匕 接第 7页) 2 0 0 9 ( 8 ) ： 8 2 8 4 2 杜艳静 ， 叶艳华 ， 朱 国平， 等 自密 实混凝土 的收缩性能研究 J 1 _混 凝土， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 2 7 3 0 3 胡红梅， 马保国 矿物功能材料对混凝土氯离子渗透性的影响fJ 】 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 3 ) ： 1 9 2 2 4 】 王爱勤 ， 张 承志 ， 唐 明述 火山灰质材料的填充作用【 J 混凝土与 水泥制品， 1 9 9 5 ( 5 ) ： 1 9 2 1 5 】 鲁文斌 复掺粉煤灰和硅灰在 自密实混凝 土中的应用 J 】 混凝土 ， 1 4 新型建筑材料 2 0 1 0 1 1 【 6 Z H U We n z h o n g ， B A R T O S P J MMi e r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s o fi n t e r f a e i a l t r a n s i t i o n z o n e i n S C C c Y U Z h i w u ， S H I C a i j u n ， KHAYAT K H ， e l a 1 Pr o c e e d i n g s o f 1 s t i n t e rn a t i o n a l s y mp o s i u - mO B d e s i g n， p e rfo r ma n c e a n d u s e o f s e rf- c o n s o l i d a t i n g c o n c r e t e P a ris ： RI L EM P u b l i c a t i o n S ARL， 2 0 05 ： 31 9 3 2 7 【 7 谢友均 ， 周士琼 ， 尹健 ， 等 免振高性能混凝 土力学性 能及耐久性 研究 J 1 建筑材料学报， 2 0 0 0 ( 2 ) ： 1 7 8 1 8 2 A 埔 M 加 舛 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m