塔城地区白杨河引水工程输水管道高性能混凝土耐久性试验.pdf

文章编号：1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 4 ) 0 6 - 0 0 3 9 0 5 筮签 建栲 一 4 j ， 、 中 一 塔城地区白杨河引水工程输水管道高性能混凝土耐久性试验 T h e D u r a b i l i t y T e s t o f H i g h P e r f o r m a n c e C o n c r e t e f o r B a i y a n g R i v e r D i v e r s i o n P r o j e c t i n T a c h e n g A r e a 杨建明 ，张超2 - 3 ，袁芬3 ( 1 塔城地区白杨河引水工程建设管理局，新疆 塔城 8 3 4 7 0 0 ；2 新 疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 8 1 0 0 5 2 ； 3 新疆研科节能科技有限公司，新疆 乌鲁木齐 8 1 0 0 0 0 ) 摘要： 运用YK一高耐久性矿物外加剂和大掺 级粉煤灰，通过高性能混凝土配制技术 ，改善混凝土水泥石 以及 界面过渡 区微结构 ，从而提 高混凝土的密实度。在满足塔城地区白杨河引水工程输水管混凝土道所要 求强 度的同时，满足混凝土在抗渗、抗冻、抗硫酸盐侵蚀等耐久性指标的要求。试验结果及现场使用效果均表 明，与传统混凝土相比，运 用YK一高耐久性矿物外加剂和大掺 级粉煤灰的通过高性能混凝土配制技术 配置的高性能混凝土，不仅有效提高了混凝土的配置强度 ，而且在抗渗、抗冻、抗硫酸盐侵蚀试验 中均取 得 了优异 的效 果 。 关键词： 高性能混凝土；I I 级粉煤灰 ；YK一1 1 I 外加剂；抗渗；抗冻 ；抗硫酸盐侵蚀 中图分类号 ：TU 5 2 8 3 1 文献标志码 ：A 0 前 言 白杨河引水工程输水管工程区地处中亚腹地，属典型 的干旱大陆性气候，年平均降雨量在 2 0 0 m m以下，在北 部山区为1 0 0 2 0 0 m r n ，戈壁平原区不足 1 0 0m i l l ，6 、7 、 8 三月往往呈暴雨降落， 伴有冰雹，降雨量占全年降雨量 的 6 0 以上。1 1 月中、下旬降雪，是另一个降水期，到 次年三月下旬至四月中旬终雪。据地质勘查报告显示，该 地区的地质环境中含有丰富的硫酸盐物质，其中浓度最高 可达 1 3 6 6 8 m g k g 。根据 G B T 5 0 4 7 6 -2 0 0 8 混凝土结构 耐久性设计规范规定，该地区冻融环境作用等级已达到 极端严重，化学侵蚀环境作用等级已远远超过极端严重。 在多重环境作用等级下，如何使混凝土在满足工程设计强 度的同时，又能满足在该特殊地区使用时的耐久性是我们 本次研究的课题。 在工程配合比试验阶段，塔城地区水利局与新疆研科 节能科技有限公司为满足该工程混凝土需要的达到的耐久 性指标，多次进行混凝土配合比论证。经过大量试验发现， 采用高性能混凝土配置技术：即低水胶比、掺加高效减水 泥、大掺量超细掺和料，运用普通硅酸盐水泥，掺加 Y K 一 高耐久性矿物外加剂即能很好地解决这些耐久性问题【】 1 。 其配制的混凝土不仅有优异的早期强度，而且在抗渗、抗 冻、抗硫酸盐侵蚀试验中均取得了优异的效果。 1 新疆塔城地区白杨河引水工程输水管道混凝 土技术指标 ( 1 ) C 2 0 F 2 0 0 W4 ，抗硫酸盐侵蚀能力为可抵抗 G B T 5 0 4 7 6 混凝土结构耐久性设计规范化学腐蚀环境中环 境作用等级为V F( 极端严重 )的硫酸盐侵蚀。 ( 2 ) C 2 5 F 2 0 0 W4 ，抗硫酸盐侵蚀能力为可抵抗 G B T 5 0 4 7 6 混凝土结构耐久性设计规范化学腐蚀环境中环 境作用等级为V F( 极端严重 )的硫酸盐侵蚀。 2 原材料 2 1 水泥 试验水泥选用工程现场实际运用当地生产的4 2 5 R普 通硅酸盐水泥。其技术指标和矿物成分的测定结果见于表 1 和表 2 。侵蚀对比试验用高抗硫酸盐硅酸盐水泥，选用 天山 P H S R 4 2 5 ，其技术性质和矿物成分见表 3和 表 4 。 6 2 0 1 4 粉煤灰 3 9 表 1 工程所使用 P 0 4 2 5 R水泥技术指标 水 泥 密 度 比 表 面 积标 准 稠 度 凝 缔时 间 m m 名称 g c m。 m k g 。用水量 安 抗折强度 抗压强度 定 MP a MP a 性 P 0 4 2 5 3 1 3 9 5 2 8 1 4 5 2 2 5 合格 5 5 7 8 2 6 4 4 7 3 表 2 工程所使用 P 0 4 2 5 R水泥矿物成分 熟料矿物成分含量 混合材含量 硅 C 三 3 S 硅 C 二钙 2 S ) 酸 C3 C 4 酸 AF 钙粉煤灰 煤矸石 烧黏土 ()( ( A)( ) 。 一 三氧化硫 ( S O3 ) 水泥黻 ，比 表 面 积 标 准 黻 咖 喜 名 称 c m 。 。 , 9 Ko g I 用 水 量 磊m i n g m 2 磊 雀 表 4 天山 P H S R 4 2 5 水泥主要矿物成分 硅酸三钙 ( C 3 s ) 铝酸三钙( C 3 A ) 4 4 6 1 4 2 2 粉煤灰 试验粉煤灰选用工程现场实际运用玛纳斯电厂生产的 级粉煤灰。其技术指标见表 5 。 表 5 级粉煤灰技术指 由扫描电镜照片观测可知，该粉煤灰基本无扎块状现 象，多呈微细球形颗粒。 2 ： 3 集料 ( 1 ) 砂：试验砂选用工程现场实际运用水洗砂。其 细度模数为3 0，属中砂，饱和面干视密度为 2 6 7 g c m 3 ， 饱和面干吸水率为 1 3 2 。 ( 2 ) 小石 ( 5 2 0 m m)：试验小石选用工程现场实际 运用水洗砂小石子。饱和面干视密度为 2 6 9 g c m ，饱和面 干吸水率为0 9 1 。 ( 3 )中石 ( 2 0 4 0 m m)：试验中石选用工程现场实 际运用水洗砂中石子。中石子饱和面干视密度为2 6 9 g c m ， 饱和面干吸水率为0 5 9 。 2 4 高效减水剂 试验高效减水剂选用工程现场实际运用新疆格辉公司 生产的 F D N高效减水剂。根据 G B 5 0 1 1 9 2 0 0 3 混凝土 外加剂应用技术规范附录A“ 混凝土外加剂对水泥适应 性检测方法”将水泥与超细掺合料、Y K 一 1 1 I 按配合质量比 称量，进行适应性试验。试验最终确定采用格辉公司生产 的F D N高效减水剂，在胶凝材料体系的最佳掺量是 1 0 。 2 5 Y K 一 1 1 高耐久性混凝土矿物外加剂 试验选用工程现场实际运用新疆研科节能科技有限公 司生产的Y K 一 1 1 I 高耐久性混凝土矿物外加剂。 2 6 拌合用水 试验拌合用水采用工程现场实际运用的当地地下水， 指标均能满足J G J 6 3 -2 0 0 6 混凝土用水标准的要求。 3 试验内容 运用高性能混凝土配置技术进行配合比试拌，根据工 程对混凝土的指标要求，对混凝土进行强度、抗渗、抗冻 和抗硫酸盐侵蚀试验。其中抗硫酸酸盐侵蚀试验还进行普 通混凝土、高抗硫酸盐水硅酸盐水泥混凝土与高性能混凝 土试验的对比。 3 1 强度试验 在混凝土技术性能要求下配制高性能混凝土强度试件 与普通混凝土强度试件，进行配合比与强度对比。高性 能混凝土配合比及强度与普通混凝土配合比及强度见表 6 。 表 6 高性能混凝土与普通混凝土强度试验对比 由表 6可知，掺加 Y K 一 高耐久性混凝土矿物外加 剂的混凝土，在减少水泥用量的同时其 7 d 、2 8 d 强度比 不掺Y K I B 高耐久性混凝土矿物外加剂的混凝土均有明显 提高，其中J 一 1 2 高性能混凝土试件 7 d 强度比J _ 1 1 试 件 7 d强度提高了 1 9 2 ，2 8 d强度提高了 9 6 ； 4 Q CoAL SH 6 2 01 4 J - 2 2 高性能混凝土试件 7 d强度比 J - 2 1 试件 7 d强度 提高了7 d强度提高了2 7 4 ，2 8 d强度提高了1 6 6 。 3 2 抗渗、抗冻试验 试验采用 G B ff 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抗水渗透试验中 “ 逐步加压法” 与抗冻试验中 “ 快冻法”对用高性能混凝土抗渗、抗冻试 件进行了极限值试验，结果见表 7 。 3 2 1 抗水渗透能力 运用高性能混凝土配置技术配置的混凝土，其抗水渗 透能力远远大于设计要求。抗冻试验结果，J - 1 2 抗渗等 级达到W3 2 ；J - 2 2 抗渗等级达到W3 7 。这除了有引气剂 掺人的作用外，更重要的是，高性能混凝土自身抗渗能力 优良。 掺入粉煤灰与 Y K 一 高耐久性混凝土矿物外加剂， 不仅能更密实的填充水泥粒子之间和水泥石一 集料界面之 间的空隙，有利于体系形成低孔隙率的硬化体，更能通过 相互激发及形态效应的补充，充分体现 “ 复合超叠加效应”。 可以肯定，随着时间增加，粉煤灰的活性逐渐发挥， 混凝 土的抗渗性能还会不断提高。 3 2 2 抗冻融能力 抗冻极限试验结果见表7 。在混凝土中复掺一定量的 Y K 一 高耐久性混凝土矿物外加剂，抗冻性能有所改善， 其原因在于 Y K 一 可以填充水泥与粉煤灰颗粒的孔隙， 充分体现了微集料填充的效应，对于水泥石孔结构及界面 的改善效应最佳。另一方面混凝土中胶凝孔数量急剧增多， 凝胶孔径极小，冰点极低，可认为其中的水实际是不结冰 的，由此减少了混凝土产生冻结水的来源和冻结孔的数目， 大大提高了混凝土的抗冻融性能。再在配置过程中掺加一 定量的引气剂， 使高性能混凝土抗冻能力远远满足设计要求。 表 7 高性能混凝土抗渗、抗冻极限试验数据 F 5 0 次冻融 F 1 0 0 次冻融 F 1 5 0 次冻融 F 2 0 0 次冻融 试件编号 相对动弹模量 质量损失 相对动弹模量 质量损失相对动弹模量 质量损失 相对动弹模量 质量损失 J - 1 2 9 9 5 0_3 9 8 4 1 O 9 7 9 1 6 9 2 9 2 4 J - 2 2 9 96 1 1 9 9 5 1 7 9 9 5 2 0 9 9 4 2 - 3 F 2 5 0 次冻融 相对动弹模量 质量损失 9 0 5 3-3 9 9 0 2 6 试件编号 J 1 2 8 8 7 J 2 2 9 8 9 4 1 2 7 失 相对 F 3 5 0 次冻融 动弹模量质量损失 F 4 0 0 次冻融 F 4 5 0 次冻融 相对动弹模量 质量损失 相对动弹模量 质量损失 8 7 8 4 8 8 4 9 5 7 9 7 7 3 0 9 7 3 3 4 9 4 3 4 2 F 5 0 0 次冻融 相对动弹模量 质量损失 3 -3 抗硫酸盐侵蚀 我们根据 G B T 5 0 0 8 2 普通混凝土长期性能和耐久性 能试验方法标准、C E C S 2 0 7 ： 2 0 0 6 高性能混凝土应用技 术规程、G B T 7 4 9 - 2 0 0 8 水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法 等方法，结合硫酸盐对混凝土产生侵蚀的实际状况和深入 探索、认识侵蚀试验研究的需求，采用一套宏观与微观结 合的试验方法2 - 4 1 。宏观方法主要试验研究混凝土中砂浆侵 蚀；微观方法则对水泥石微观结构进行试验研究。 3 3 1 宏观试验 宏观试验采用 G B T 7 4 9 -2 0 0 8 水泥抗硫酸盐侵蚀试 验方法中的 “ K ”法，因为侵蚀反应具有 “ 时间效应”， 抵抗侵蚀直至破坏所经历的时间称为抗侵蚀龄期， 也是抗 蚀能力大小的反映；侵蚀龄期太短，不能真实地反映其抗 蚀能力。我们延长龄期到一年，以不同阶段的抗蚀系数来 评定抗侵蚀性大小。抗侵蚀试验结果见表 8 。 由表 8 不同配合比的抗蚀系数可知，水胶比高于0 4 0 的混凝土胶砂试件最多能抵抗 S 0 2 一 浓度 1 0 0 0 m g L及其 以下浓度环境水的侵蚀，即抵抗 V c水平，能力较差，不 能作为本工程实际应用配合比。高抗硫酸盐硅酸盐水泥混 凝土 P HS R其抗硫酸盐侵蚀能力也有一定的局限性 ， 在 s O z 一 4 0 0 0 m g L的侵蚀溶液中只能抵抗 6个月即遭到 破坏，这说明仅依靠抗硫酸盐水泥来解决混凝土抗硫酸盐 侵蚀是行不通的。 水胶比低于 0 4 0 ，粉煤灰掺量 4 5 外加 6 的 Y K 一 的高性能混凝土胶砂试件均可以抵抗S O z 一 浓度 2 0 2 5 0 m g L及其以下浓度的环境侵蚀，即抵抗能力达到 V F水 平以上，其抗侵蚀性能远远优于J - 1 1 与J 一 2 1 试件，同 时也优于高抗硫水泥混凝土 P H S R胶砂试件。 6 2 0 1 4 粉煤灰 4 1 表 8 普通混凝土、高抗硫酸盐硅酸盐水泥混凝土、与高性能混凝土抗蚀能力对 比 粉煤灰 Y K 1 l I 试件编号 水胶比 掺量 掺量 侵蚀溶液 测试项目 淡水 J 1 1 O 4 5 2 5 0 S O4 2 - 1 0 0 0 mg L J 卜2 0 - 3 8 4 5 6 J 2 1 0 4 2 2 5 0 J 2 2 O _ 3 5 4 5 P H S R水 泥混凝土0 4 0 0 S O4 1 0 0 0 0 mg L 爽 水 S O4 4 0 0 0 mg L U S O4 - 8 0 0 0 mg L 抗折强度MP a 抗折强度MP a 抗蚀系数 抗折强度MP a 抗蚀系数 抗折强度MP a 抗折强度MP a 抗蚀系数 抗折强度MP a 抗蚀系数 3 3 2 微观试验 我们采用直观的扫描电镜法和能进行化学组成分析的 能谱法。扫描电镜特别适合于观察水泥石中的孔结构和晶 体结构。能谱法是判断水泥石结构组成成分的微观测试方 法，当从其形貌形态不能判定是何物时，能谱法可以判断。 图 1 是 J 一 1 一 l 试件与 J 一 1 2试件同在 s 0 一 浓度 1 0 0 0 0 m g L的侵蚀溶液中浸泡 8个月时的电镜照片。从 4 2 ( a )J I 一 1试件 COAL ASH 6 201 4 2个月 9 7 6 9 2 5 0 9 5 9 l 4 o 9 4 1 2 2 2 9 6 1 1 6 3 6 2 l _ l 6 2 1 2 2 6 0 【 0 4 3 6 6 3 2 5 7 9 0 O 6 0 7 7 8 o个月 1 2 2 5 9 7 9 O 8 0 2 个， 1 2 6 0 8 8 5 0 7 侵蚀破 坏临期 。个月 6个 6个月 6个月 抗侵蚀 能力 不可抵 抗v - c 环境作 用等级 可抵抗 v C环 境作用 等级 ( b )J 1 2试件 图 l 试件 J 1 电镜照片 图1中可以看出J l 一 1 试件内部孔直径是 J 一 1 2试件的 1 0倍左右，更有利于侵蚀外因的进入发生侵蚀破坏，并在 孔隙中已经生成 了大量的侵蚀产物针状 的 A f t ；而 J _ l 一 2 试件孔隙内部非常干净，只有少量的水化产物C a ( O H ) 产生。 图 2是 J - 2 1 试件 与J 一 2 2试件同在 s 0 一 浓度 1 0 0 0 0 m g L的侵蚀溶液中浸泡 8个月时的电镜照片。从 月3 6：) 0 9 O 月 9 9 ； O O K O 褐如粥 卅 m 图2中我们可以看出J 一 2 1 试件明显的两层边壁疏松层外 层厚度为 3 4 6 7 IT I ，内层厚度为 2 1 0 8 m ； 而J 一 2 2 试件 只有一层厚度约为l 6 m 左右的疏松层。 a ) J - 2 1 试件 f b )J 2 2试 件 图 2 试件 J 2照片 图 3是高抗硫酸盐硅酸盐水泥胶砂试件在 S O 浓 度8 0 0 0 m g L的侵蚀溶液中浸泡 8 个月时的电镜照片。从 图 3中可以看出高抗硫酸盐试件其界面结构与边壁疏松层 周边均有大量侵蚀产物一柱状 C a S O 4 2 H ， 0 的产生。 ( a )PHS试件 ( b ) P H S试 件 图 3 试件 P H S R电镜照片 图 4是 J _ l 一 2试件与 卜 2 2试件 同在 S O 一 浓度 2 0 2 5 0 m g L的侵蚀溶液中浸泡 l 2个月时的电镜照片。通 过能谱分析图4( a )中大量纤维状产物为低钙硅比的C S H ， 其自身具有很好的稳定性，不会产生自我分解，这种稳定 性有利于水泥石结构的抗侵蚀性能；4( b )图8 98 , 球状 的颗粒 为 Y K 1 1 I 颗粒 ，其体积是粉煤灰颗粒的几十分之 一 ，通过 能批分 析在其颗粒周围有一层水化产物 C S H ( 水化硅酸钙)紧密将其包裹，使水泥石结构更加密实。 a )J 1 2试件 ( b )J 1 2试件 图 4 试件浸泡 l 2个月的电镜照片 4 结 论 ( 1 ) 普通混凝土抗硫酸盐侵蚀能力不满足工程需求， 不选择采用。 ( 2) 高抗硫水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀能力有局限性不 满足工程需求，不选择采用。 ( 3) 水胶比低于 0 4 0 ，粉煤灰掺量 4 5 外加 6 的 Y K 一 1 1 I 的混凝土，其在满足混凝土各项常规指标的同时， 还可以极大地提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，满足恶略 的环境要求，予以采用。 参考文献 【 1 1孙兆熊 乌鲁木齐地区高性能混凝土试验研究报告【 R 】 乌鲁木齐： 新疆农业大学， 2 O l 1 2 】冷发光 ，马孝轩 ，田冠飞 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验 方法【 J 】 东南 大学学报：自然科学版，2 0 0 6 ， 3 6( 增刊)：4 5 4 8 【 3 吴长发 水泥混凝士抗硫酸盐侵蚀试验方法研究 J 成都： 西南交通 大学，2 0 0 7 1 4 】韩字栋，张君 ，高原 混凝土抗硫酸盐侵蚀研究评述 J 】 l 混凝土2 0 1 1 作者简介：张超 ( 】 9 8 】 一)，男，硕士研究生，研究方向： 混凝土新材 料通讯地址： 新疆乌鲁木齐市高新区北区工业园冬融街4 8 1 号新疆研 科节能科技有限公司 ( 8 3 0 0 0 0 ) 收稿 E t 期： 2 0 1 4 年 5川 9 I=I 6 2 0 1 4 粉煤灰 4 3