海工水泥对提高混凝土工程抗侵蚀能力的实践研究.pdf

第 3 0卷 第 9期 2 0 1 3年 9月 长 江科 学 院 院 报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 3 0 No 9 S e p 2 0 1 3 D OI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 3 0 9 0 2 3 海工水泥对提高混凝土工程抗侵蚀能力的实践研究 谢放 ，马志登 ， 黄康华 ， 童丽芬 ( 浙江省水利水电勘测设计院， 杭州3 1 0 0 0 2 ) 摘要： 为了解决海洋环境中大体积水利工程混凝土的抗侵蚀能力和现场配制海工混凝土的质量控制问题 ， 提出了直 接使用海工水泥来简化现场混凝土拌制， 并通过工程的施工实例以室内试验和现场检测数据进行分析， 研究了海工 水泥混凝土的耐久性能。结果表明： 海工水泥混凝土拌制简单 、 具有很高的抗氯离子渗透能力， 能满足海洋环境水利 工程混凝土结构的耐久性、 强度及其他工作性能要求。实例数据与分析对进一步开展相关研究和海工水泥的应用具 有重要的参考价值。 关键词 ： 沿海环境 ； 混凝土耐久性 ； 海工水泥 ； 试验研究 中图分类号： T V 4 2 ； T V 5 2 3 ； T U 5 2 8 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 l 1 4 0 5 1 研究背景 随着我国经济的高速发展 ， 沿海水利工程大量 兴建 ， 海洋环境中混凝土结构工程 的耐久性问题越 来越引起关注。我 国在这方 面的研究起 步较 晚， 特 别是海洋环境中水利工程大体积混凝土的耐久性研 究还没有系统的研究成果 。许多项 目建设单位和施 工单位迫切希望解决相关的技术问题 ， 为此 ， 本文专 题研究沿海水利工程中使用海工水泥制备混凝土结 构的抗侵蚀能力问题 。 主要研究 目的有 以下几点 ： 提高海洋环境下 大体积混凝土工程的设计水平和施工质量 ， 为待建 、 在建的类似水利工程提供参考 ； 研究用海工水泥 制备混凝土的抗氯离子侵渗能力； 丰富和发展海 _ 混凝土在水利工程耐久性控制方面的相关技术和 经 验 2 沿海水利工程的耐久性 问题 沿海 水利工程的主要结构大部分是混凝 土结 构。而且从 目前的发展情况来看 ， 在今后数十年内， 沿海水利工程建设所采用的材料将仍以混凝土结构 为主。众所周知， 混凝土工程一旦出现耐久性 问题 ， 其修复难度非常大 ， 所以， 沿海水利工程应十分注重 耐久性设计。长期以来， 众多沿海水利工程主要使 用普通水泥， 在现场根据要求拌制相应的耐海水侵 蚀混凝土 ， 但是 由于现场拌制工艺及质量控制问题 ， 一 些结构很难达到理想的设计使用寿命。不 良施工 会影响混凝土结构 的耐久性 ， 如混凝土拌制工艺缺 陷 、 掺合料用量不够正确 、 钢筋保护层厚度不足等 ， 这些都会使混凝土结构无法达到预定的使用年限。 影响沿海水利工程耐久性 的原 因众多 ， 除 了结构设 计 、 施工维护等因素外 ， 其使用的建筑材料是最为重 要的因素之一。 针对沿海地区水利工程的耐久性 问题 ， 目前的 解决手段主要是采用现场配制高性能抗侵蚀海工混 凝土。现场配制存在的问题有 ： 配制技术缺乏统一 标准 ， 配制过程 比较复杂 ， 给施工以及工程质量控制 带来不便 ， 也不利于节约生产 和施工成本。近年来 各类使用者对海洋工程材料质量的要求越来越高 ， 单体工程量越来越大 ， 不仅要求 以混凝 土为基础材 料的建筑工程具有较高的耐久性 ， 而且对其他性能 也提出多方面的要求 ， 如水化 热和抗裂性等等。因 此 ， 无论是从原材料生产的角度 ， 还是从设计 和施工 的角度 ， 都迫切需要将现场添加各种抗海水侵蚀辅 料配制海工混凝土 ， 转变为直接应用海工水泥配制 耐侵蚀海工水泥混凝土。 考虑到现场配制海工混凝土在质量控制上的复 杂性和不确定性 ， 有关水泥生产厂家研制 出了相应 的海工水泥 。它的主要成份是水泥熟料 、 活性混合 材等， 由于它应用细微化技术和复合化技术， 激活了 矿渣、 粉煤灰等材料的潜在活性， 从而使得这种水泥 的抗侵蚀与耐磨等性能都得到了增强 。如浙江 收稿 日期 ： 2 0 1 21 2 2 6； 修回 日期 ： 2 0 1 3 0 4 2 3 作者简介 ： 谢放 ( 1 9 5 6一) ， 男 ， 浙 江宁波 人 ， 教授 级高级 工程师 ， 从 事水 利水 电工程设 计与咨 询 、 水利信 息化 建设方 面 的研究 ， ( 电话 ) 1 3 9 0 6 5 0 5 0 4 2 ( 电子信箱 ) x f z j w a t e r g o v c n 。 第9期 谢 放 等 海工水泥对提高混凝土工程抗侵蚀能力的实践研究 1 1 5 三狮集 团特种水泥有限公 司在 1 9 9 9年就 申报并通 过了海工水泥新产品专利 ， 2 0 0 0年被评为 国家级新 产品， 并在台州椒江某 围涂工程应用 ， 当年就使用海 工水泥 2 0 0 0余吨。该产 品在初次应用 时 ， 为保证 工程混凝土的各项性能 ， 均在试验室对所 用材料进 行试拌检测 ， 使其各项性 能达 到设计指标。混凝 土 运到现场后， 对其多项工作性能进行了检测， 如坍落 度和黏聚性等均符合要求 ， 无离析和泌水现象。 3耐久性影响因素与提升要点 混凝土耐久性研究 已经有 了相当长的历史 ， 从 2 0世纪 6 0年代起 ， 每年都要 召开相关 国际性学术 会议进行交流探讨 。截止 目前 ， 已有许 多成熟 的结 论 ， 本课题正是基 于这些成果展开进一步 的研究分 析工作 ， 研究 内容主要体现在 3个方面 ， 即工程所处 环境影响 、 破坏机理和各种掺合料作用 。 3 1 海水环境影响 研究海洋环境 中工程耐久性 问题 ， 首先要 了解 工程所处环境情况。我国沿海大部分海水中的盐类 总含量超过 3 ， 其 中氯化钠 的含量最 高。对于本 课题主要研究 区域浙江省 ， 由于当地雨量充沛 及多条江河的淡水汇入 ， 其沿海地 区的海水盐度 比 其他地 区稍低 ， 并 随季 节、 温度 、 地点 、 涨落潮而变 化， 因此浙江海水盐度是一个变化的值。如宁波海 域冬季平均盐度2 7 9 5 ， 夏季平均盐度为3 1 8 3 。 本项 目所研究的台州 和温州 2个地 区， 其平均海水 表层的盐度为2 8 3 3 4 。 3 2主要破坏 因素 影响海洋环境 中水利工程耐久性及结构破坏 的 因素主要是盐类侵蚀作用和钢筋锈蚀作 用 ， 这也是 水利工程设计 的主要控制 指标 J 。由大量 的研 究 成果 可知 ， 氯盐环境 中最 主要 的侵蚀介质是氯离子 ( C 1 一 ) 。它容易通过混凝土中的毛细孔到达钢筋表 面 ， 导致钢筋表面钝化膜 的破坏和钢筋的进一步锈 蚀 ， 并随着铁锈的体积膨胀 ， 造成结构开裂 ， 此后 环 境中的水 、 c I 一 等有害物质更 易侵人混凝 土结构 ， 导 致工程结构的破坏 J 。因此 ， 要保障沿海地区水利 工程结构 的耐久性 ， 研究工作重点是要 有效 阻断氯 离子的侵入通道， 关注氯离子的渗透量和渗入速度， 这些通常与混凝土的水灰比、 养护龄期、 掺合料的数 量及质量 _ 4 等有关 。 3 3 掺合料的作用 研究发现， 由于优质粉煤灰、 磨细矿渣粉、 硅粉 等掺合料具有解絮、 分散、 增浆、 微集料效应以及水 化后期的火山灰活性效应 ， 掺人后可以显著改善混 凝土的孑 L 结构 ， 而孔结构 ( 包括孔 隙率和孔径分 布 ) 对氯离 子的扩散有较大影 响。研究还表 明 ， 由 于掺合料的合适加入 ， 使得在混凝土中有更 多的水 化物存在 ， 这些物质所具有 的结合能力 ， 促使氯离子 相对会 比较稳定。同时 ， 粉煤灰、 矿渣粉等掺合料本 身具有化学结合力 ， 也可有效减慢氯离子 的渗入速 度。可见 ， 混凝土 中加人掺合料将使混凝土 中的孔 结构得到改善 ， 同时结合大量游离的氯离子 ， 这对阻 止氯离子渗透 ， 延缓钢筋腐蚀起到显著作用。 因此 ， 要提高沿海水利工程耐久性宜注重 以下 2点 ： 应用高强度混凝土 ， 工程结构 中能够采用高 强度的混凝土， 不仅提高了构筑物的整体性能和强 度 ， 也能够明显地提升这些工程 的抗海水侵蚀能力 ， 同时， 可 以大 幅度 降低 工 程 结构 表 面 产生 裂缝 。 提高混凝土密实性 ， 密实性 越高就意 味着混凝土 结构 中的孔隙越少 ， 氯离子等有害物入侵 的数量和 速度 自然降低 ， 从而提高了结构 的抗侵蚀能力 。 4 应 用研究实例 根据上述讨论 ， 要解决沿海水利工程大体积混 凝土现场配制海工混凝土 的质量控制问题 ， 应用海 工水泥是一条可行之路 ， 遗憾 的是至今类似研究较 少 ， 特别是 以实 际工程为背景的应用研究更小 。因 此 ， 本课题 的研究重点是探讨直接应用海工水泥拌 制成海工混凝土的抗侵蚀 能力。 4 1实例成果 为检验海工水 泥的实际应用效果 ， 本课题对台 州和温州 2个地 区使用海工水泥的工程进行实地踏 勘 、 观测和钻孔取样检测 。这些工程运行时间从 1 a 到7 a 不等。检测方法是将使用海工水泥与未使用 海工水泥的混凝土结构进行工程质量对 比， 并 实际 获取混凝土表面裂缝 、 钢筋锈蚀程度等第一手资料。 实例工程氯离子浓度 实测 结果见表 1和表 2 。 方法是分别对普通混凝土结构和海工水泥混凝土结 构 ， 在海水基 准面 以上 5 m 高程 ( 工程 1 ) 和1 5 m ( 工程 2 ) 处进行钻孔取样。取样分 8个 区段 ， 每个 区段水平深度 问隔为 5 m。氯离子浓度测试采用丹 麦生产的快速氯离子浓度测试仪。 图 1为某围垦工程 5 m高程处氯离子浓度随深 度变化规律。各曲线氯离子浓度随侵蚀深度增加而 逐渐减小 ， 且普通混凝土各 深度处 的氯离子浓度显 著大于海工水泥混凝土 ， 表 明海工水泥混凝土抗氯 离子侵入能力更加优越。 1 1 6 长 江科 学院院报 2 0 1 3年 褪 深 度 ram 图 1 5 m高 程处氯离 子浓度随深度变化规律 F i g 1 Va r i a t i o n o f c h l o r i n e i o n c o n c e n t r a tio n wi t h de pt h a t e l e va tion 5 m 图 2为某海 闸1 0 ， 1 5 m高程处海工水泥混凝 土中氯离 子浓度 随深度变化情况 。随着高程 的增 加 ， 各深度处氯离子浓度相应减小 ， 这是 因为随着高 程的增加 ， 混凝土表面接触海 水的时 间相应 减小。 1 5 m高程所处的环境 已近似 大气区域 ， 因此检测 得到的氯离子浓度很小 。 4 2实例数据分析 ( 1 )从表 1和表 2中可 以看 出， 在同一 工程 中 采用海工水泥的混凝土中氯离子浓度 比未采用海工 水泥的大幅度减小。 ( 2 )表 3列 出了氯离子扩散系数的计算结果。 氯离子扩散系数可更直接反映混凝土抗氯离子 的渗 人性能。由表中可见： 海工水泥混凝土 ( MC) 氯离 子扩散系数较普通混凝土( O P C ) 整整小 了一个数量 级 ， 表明海工混凝土抗氯离子渗透性能较优。 褪 深度 mm 图2 1 0， 1 5 m高程处氯离子浓度随深度变化规律 F i g 2 Va r i a ti o n o f c h l o rin e i o n c o n c e n t r a t i o n wi t h d e p t h a t e l e v a t i o n s 1 0 a n d 1 5 m 表 3氯离 子侵蚀 曲线拟合结果 Ta b l e 3 Re s u l t s o f c u r v e fit t i n g o f c h l o rid e i o n c o r r o s i o n 除了优 良的耐久性外 ， 海工水泥配制 的混凝土 还具有 良好的工作性能， 适应性也较好。温州某水 闸工程海工水泥混凝土不同龄期 、 不同配方试样 的 各项常规指标测试结果表明 所配制 的 C 4 0海工水 泥混凝土 ， 均满足 目前沿海水 利工程 的设计 要求。 其主要的物理化学试验数据见表 4、 表 5 。 对该水闸工程采用某品牌4 2 5 级海工水泥 ， 课 题组还委托 国家建筑材料测试中心对其潜在膨胀性 表 4 某品牌 4 2 5级海工水泥物理力学性能试验成果 Ta b l e 4 T e s t r e s u l ts o f p h y s i c a l a n d me c h a n i c a l p e r f o r m a n c e f o r a 4 2 5 g r a d e ma r i n e c e me n t 第 9期 谢 放 等 海工水泥对提高混凝土工程抗侵蚀能力的实践研究 l 1 7 表 5某品牌 4 2 5级 海工水泥化学性能试验成果 Ta b l e 5 Te s t r e s u l t s o f c h e mi c a l p r o p e r t i e s o f a 42 5 gr a de mar i ne c e me nt 能 、 浸泡抗侵蚀性能进行 了检验 。检测结果为 ： 潜在 膨胀性能为0 0 5 3 ； 浸泡抗侵蚀性能为1 1 2 。 4 3实例结果评价 实例结果表明 ， 采用海工水泥拌制 的海工混凝 土各项指标 良好 ， 特别是具有较好 的抵抗氯离子渗 透能力 ， 所 以， 海工水泥混凝土完全满足沿海水利工 程 昆 凝土结构的耐久性要求 ， 同时也满足工程结构 其他各项设计要求 。 从工程实例的整体效果来看 ， 各工程采用海工 水泥拌制的混凝 土在早强要求得到满 足的同时， 后 期强度增长也达到设计要求 。而且在抗侵蚀和抗冲 磨方面的性能明显优于普通水泥， 特别适合沿海大 体积的水利工程 。此外 ， 海工水泥的安定性 、 三氧化 硫 、 氧化镁等指标都达到了相关标准 ， 水化热也小于 普 通 水 泥 ， 对 大 体 积 混凝 土 的裂 缝 控 制 特 别 有 利 。而且 ， 海工水 泥充分利 用工业废料 ， 从节能 环保角度来看 ， 值得推广应用 。 直接采用海工水泥制备海工混凝土 ， 减少或避 免了常规现场配制海工混凝 土过程 中的不足 ， 诸如 各种掺合料计量误差、 人工操作失误 、 材料受气候环 境影响等不利因素 ， 使得工程施工质量控 制得 到提 高 ， 这对于大体积混凝土施工特别有利 。 但是 ， 海工水泥没有大面积使用 ， 除了目前对其 有些性能还有待研究之外 ， 还有如下的内在原因： 首 先 ， 其价格相对较高 ； 其次 ， 它的早强时间相对较长 ， 这对潮汐环境下大体积混凝 土施工有不利影响 ； 另 外 ， 由于相关 的标准规范 尚在制定中 ， 将其在设计和 施工中大量推广应用还不够成熟。 5 结 语 当前 ， 我 国正处于大规模的建设时期 ， 沿海水利 工程混凝土建筑物承受氯盐侵害是不可避免 的。为 了保证工程项 目的正常使用和安全运营， 需要提高 这些工程混凝土的耐久性能， 以降低氯盐的侵蚀危 害。本文 的实例数据分析表 明， 对 于沿海水利工程 而言 ， 为了解决海洋环境大体积混凝 土的抗侵蚀能 力 问题 ， 积极推广应用海工水泥势在必行。 本文从水 泥基材到实际工程运行多个方面 ， 开 展沿海地区水利工程混凝土结构的海工水泥应用实 践研究 ， 探明了海工水泥混凝土的各项工作性能 ， 特 别是取得了抗侵蚀能力方 面的成果 ， 对今后水利工 程应用海工水泥和进一步开展相关研究有一定的参 考价值。 参考文献 ： 1 文寨军 ， 王晶， 张忠伦 海工水泥的试验研究 J 中 国建 材科 技，2 0 0 1 ， ( 5) ： 4 74 9 ( WE N Z h a i - j u n ， WANG J i n g ，ZHANG Z h o n g - l u n，e t a 1 E x p e ri me n t a l S t u d y o n Ma ri n e C e m e n t J C h i n a B u i l d i n g Ma t e r i a l s S c i e n c e& T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 ， ( 5 ) ： 4 74 9 ( i n C h i - n e s e ) ) 2 亢景富 混凝土硫酸盐侵蚀研究 中的几个基本问题 J 混凝土， 1 9 9 5 ， ( 3 ) ： 91 8 ( K A N G J i n g f u S e v e r a l B a s i c P r o b l e ms i n t h e Re s e a r c h o f Co n c r e t e S u lf a t e C o r r o s i o n J C o n c r e t e ， 1 9 9 5 ， ( 3 ) ： 91 8 ( i n C h i n e s e ) ) 3 曹双寅， 朱伯龙酸性腐蚀环境 中钢筋混凝土结构 的 耐久性预测 J 结构工程师 ，1 9 9 0， ( 1 ) ： 3 74 5 ( C AO S h u a n g y i n ， Z HU B o l o n g P r e d i c t i o n o f D u r a b i l i t y o f R e i n f o r c e d Co n c r e t e S t r u c t u r e i n t h e E n v i r o n me n t o f A c i d C o r r o s i o n J S t r u c t u r al E n g i n e e r s ，1 9 9 0 ， ( 1 ) ： 3 7 4 5 ( i n C h i n e s e ) ) 4 翁友法， 张东 超细矿渣掺量对高强混凝土力学性 能的影响 J 港口工程，1 9 9 8 ， ( 1 2 ) ： 2 3 2 6 ( WE N G Yo u f a ，Z HANG Do n g I n flu e n c e o f A mo u n t o f S u p e r F i n e S l a g A d d e d i n Hi g h S t r e n g t h Co n c r e t e u p o n I t s Me c h a n i e a l P r o p e y J C h i n a Ha r b o u r E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 8 ， ( 1 2 ) ： 2 3 2 6 ( i n C h i n e s e ) ) 5 游宝坤， 建筑结构裂渗控制新技术 M 北京 ： 中国建 材工业 出版社 ， 1 9 9 8 ( Y O U B a o k u n N e w T e c h n o l o gy o f C o n t r o l l i n g C r a c k i n g S e e p a g e o f B u i l d i n g s M B e i - j i n g ：C h i n a B u i l d i n g M a t e ri a l s P r e s s ， 1 9 9 8 ( i n C h i n e s e ) ) 6 王玉香海洋工程水泥的研究和开发 J 上海建材， 2 0 0 5 ， ( 4) ： 1 01 2 ( WA N G Y u x i a n g R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t o f Ma r i n e E n gi n e e ri n g C e m e n t J S h a n g h a i B u i l d i n g Ma t e ri a l s ，2 0 0 5 ， ( 4) ： 1 01 2 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑 ： 王慰) l 1 8 长江科 学院院报 2 0 1 3_芷 Ca s e S t u d y o n Us i ng M a r i n e Ce me n t t o I mpr o v e t h e C o r r o s i o n Re s i s t a n c e o f C o n c r e t e P r o j e c t s Xj E Fa n g，MA Zh i - d e n g，HUANG Ka n g h ua ，TONG Li f on L z h e j i a n g I J e s g n I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o e l e c t ri c P o w e r ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 0 2 Ch i n a 1 Ab s t r a c t： I l0 i mP m 。t h e d u r a b i l i t y o f ma s s c o n c r e t e i n h y d r a u l i c e n g i n e e r i “ g a n d c 0 n t r 0 l t h e q ua l i t y o f 6e l d mi x e d ma nn e c o n c r e t e，ma r i n e c e me n t wa s d i r e c t l y u s e d t o s i mp l i f y t he i n - s i t u mi x i n g Th e d u r a b i l i t v 0 f ma r i n e c e me n t ba s e d c o n c r e t e wa s n V e s t l g a t e d b y fie l d r e c o n n a i s s a n c e ， s a mp l e i ns pe c t i o n ， l a b 0 r a t o r y ， a n d d a t a a n a l v s i s o f e x s t l n g h y d r a u l c c o n c r e t e s t r u c t u r e s Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e me t h o d o f mi x i ng ma r i n e c e me n t - b a s e d c 0 n c r e t e i s s n p l e， a n ( 】t h e c o n c r e t e ha s g o o d p e rfo r ma n c e o f r e s i s t i n g c h l o r i d e p e n e t r a t i o n ， whi c h me e t s t h e r e q u i r e me n t s o f d u r a b I t y，s t r e n g t h，a n d 0 t h e r wo r k i n g p e rfo r ma n c e s f o r h y d r a u l i c s t r u c t u r e i n ma r i n e e n v i r o nme n t Th e e x 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