高性能海工混凝土外加劑優選試驗研究

謝 蒙 李玉偉 吳立彬

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東廣州 510610)

隨著我國海洋及海岸經濟開發與基礎建設的大量開展，海工結構及構筑物的混凝土強度技術日趨成熟，如何大幅度提高混凝土的耐久性能則亟待解決。

在海洋環境下，混凝土結構不僅遭受海水的動力破壞，同時還要抵抗多種化學離子侵害，而氯離子的侵蝕作用尤為明顯。海水中的氯離子會透過混凝土腐蝕鋼筋，導致混凝土開裂，發生整體破壞[1]。因此，非常有必要對海工高性能混凝土進行系統研究。影響混凝土性能的主要因素是摻合料和外加劑，在混凝土中加入適當的活性摻合料，可以大大提高其密實性，是提高其耐久性的有效方法[2]。本試驗依托汕頭市某水閘項目，采用不同外加劑對海工混凝土的性能影響展開了外加劑的優選研究。

1 試驗目的、內容及方法

1.1 試驗目的及內容

當地石材強度指標偏低，石料中風化石含量較多，其壓碎指標只能達到 10%左右，給項目的高性能配合比設計工作帶來難題。根據工程設計要求和當地原材料供應情況，本著經濟、實用和安全的原則，合理采用雙摻粉煤灰和礦粉礦物摻合料，以抗壓強度、抗滲等級、電通量及氯離子擴散系數作為混凝土耐久性主控指標，對相關外加劑進行優選，同時考慮外涂劑，綜合性研究外加劑與當地材料適配性能比較。擬選擇的外加劑種類有：深圳某公司的CPA海港混凝土抗蝕增強劑（簡稱CPA）、上海某公司的WG-高效抗腐蝕劑（簡稱WG）及進口的DPS永凝液（簡稱DPS）。其中CPA與WG均為粉狀復合型增強劑，內含部分硅灰等成分。

1.2 試驗原材料

試驗采用汕頭韓江砂，砂的關鍵性能參數如下：含泥量0.3%，泥塊含量0.1%，細度模數2.6。

碎石采用二級配：5～20mm的關鍵性能參數如下：含泥量0.4%，針片狀4%，壓碎指標14；16～31.5mm的關鍵性能參數：含泥量0.4%，針片狀4%，壓碎指標14%。

水泥采用廣東塔牌 P.O.42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥的關鍵性能參數如下：比表面積352 m2/kg，安定性合格，標準稠度用水量 25.8%，3d抗折/抗壓強度4.4/6.9 MPa，28d抗折/抗壓強度23.4/43.7 MPa。

粉煤灰采用漳州益材Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰的關鍵性能參數如下：細度 15.3%，需水量比 98%，燒失量0.4%，三氧化鈣0.1%，密度2.4 kg/m3。

礦粉采用揭東縣永泰粒化高爐礦渣粉，礦粉的關鍵性能參數如下：密度 2.88 kg/m3，比表面積414m2/kg，燒失量0.76%，流動度比97%，活性指數7d為78%、28d為112%，三氧化硫0.18%，氯離子0.007%。

1.3 試驗方法

在一定水膠比的基礎上，內摻不同的外加劑，制成相應的試塊并按照標準養護，測試其相應的抗壓強度、抗滲等級、電通量及氯離子擴散系數。

抗壓強度試驗采用150mm×150mm×150mm的試件，并按《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)進行試驗。混凝土的抗滲等級、電通量和氯離子擴散系數均按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T50082-2009)要求進行試驗。其中，抗滲試驗采用 Ф175mm×185mm×150mm的圓臺體試件及HP-40型混凝土抗滲儀，逐級加壓法試驗；氯離子擴散系數采用Ф100mm×50mm的圓柱體試件及NJ-RCM混凝土氯離子擴散系數測定儀，按照 RCM法進行試驗；電通量采用Ф100mm×50mm的圓柱體試件及SW-6D型混凝土氯離子電通量測定儀進行試驗。

1.4 外加劑及外涂劑組合情況

考慮三個影響因素：WG、CPA、DPS，采用無內摻外涂樣、單摻樣及組合樣進行對比分析。考慮到百年使用期限，設計要求較高，其中，抗壓強度需達到C45等級，抗滲等級P9，氯離子電通量6h通過電量≤800C，氯離子擴散系數≤4e-12m2/s。

表1 外加劑組合表

1.5 配合比設計

混凝土的工作性能要求為：坍落度160～200mm，經過一系列試拌與調整，具體的配合比見表2。

2 混凝土試驗結果分析

2.1 混凝土拌合物工作性能分析

無內摻外涂樣和內摻樣的混凝土拌合物的質量密度平均值由大到小依次為：摻 WG樣組平均值2461kg/m3，素混凝土樣6組平均值2454kg/m3，摻CPA樣6組平均值2399kg/m3。

坍落度值分布區間為 170～200mm之間，滿足設計要求，而延展度的分布情況見圖1。18個試驗組的擴展度分布區間為 390mm～520mm之間，分布較為均勻，無重大差異性，綜合來看，混凝土的配合比試拌效果良好。

圖1 混凝土拌合物擴展度分布散點圖

式中：y為強度值，t為成型天數，a、b為擬合參數。

2.2 混凝土強度分析

試驗獲得了不同外加劑組合下混凝土的14天、28天和56天抗壓強度數據，見表3。通過對單個試驗組合的強度曲線擬合，基本符合對數增長模式：

表2 配合比設計及工作性能

表3 無內摻外涂樣及不同外加劑試樣抗壓強度

在膠凝材料（包含外加劑）均為410kg/m3的情況下，CPA及WG兩種外加劑的混凝土抗壓強度相對無內摻外涂樣試件均有不同程度的提高。CPA的28d強度提高其強度29%，56d提高35%；WG的28d強度提高其強度13%，56d提高25%。

在水膠比及膠凝材料、砂石用量都相同的情況下，內摻WG及噴涂DPS兩種途徑的混凝土抗壓強度相對無內摻外涂樣試件均有不同程度的提高。噴涂DPS對試樣的強度影響不明顯，WG的28d強度提高其強度13%～17%。

2.3 混凝土抗滲性能分析

混凝土的抗滲性表征了其抵抗有壓力水滲透作用的能力，在工程結構實體中，抗滲性能差的混凝土，會導致一部分水滲入混凝土內部，當遇到冰凍情況或者水中含有侵蝕物質時，混凝土易發生凍害或者侵蝕破壞。其發生的原因有兩方面，一方面是施工振搗不密實或者有裂縫；另一方面是水泥漿中多余的水分蒸發而留下的毛細孔、水泥漿泌水而形成的孔道及骨料下部界面聚積的水隙，其通道的多少主要關乎于膠凝材料性能與水灰比的大小。

試驗結果（表4）表明：單涂DPS試件的抗滲等級(P)與無內摻外涂樣試件相比有不同程度的提高，提高率為16.7%～40%。單摻CPA、單摻WG、摻CPA涂DPS、摻WG涂DPS試件的抗滲等級(P)與空白樣試件相比顯著提高，提高率為 66.7%～200%，其抗滲等級(P)為 10～12，均能滿足設計抗滲等級P9要求。

可見，摻合料摻入混凝土中具有改善了內部組分，優化了內部孔隙結構，從而使高性能混凝土的抗滲性能得到大幅度的提高。另外，外涂DPS對試樣的抗滲性能有一定的提高，但效果相對不明顯。

表4 無內摻外涂樣及不同外加劑試樣的耐久性能

2.4 混凝土抗氯離子滲透性能分析

混凝土氯離子擴散系數試驗結果（表4）表明：無內摻外涂樣試件的 RCM值(e-12m2/s) 為 6.35～8.55；單涂DPS試件的RCM值(e-12m2/s) 為5.40～8.01；單摻CPA及單摻WG試件的RCM值(e-12m2/s)為 4.79～6.55。摻 CPA涂 DPS試件的 RCM值(e-12m2/s)為2.34～2.57，滿足設計氯離子擴散系數≤4e-12m2/s的要求；摻WG涂DPS值(e-12m2/s)為 3.85～5.95。可見：單涂DPS、單摻CPA及單摻WG的RCM值(e-12m2/s)均明顯減低，其中：單摻CPA及單摻WG的效果優于單涂DPS；摻CPA涂DPS和摻WG涂DPS的耐久性能明顯優于單涂DPS、單摻CPA及單摻WG；摻CPA涂DPS的耐久性能效果最好。

圖2 典型電通量曲線

混凝土電通量試驗的典型電通量曲線如圖2所示，試驗結果（表4）表明：單摻CPA及單摻WG、摻WG涂DPS、摻WG涂DPS的混凝土電通量要遠遠高于素混凝土樣，基本能夠滿足設計氯離子電通量6h通過電量≤800C的要求；而無內摻外涂樣及單涂DPS的效果較差，不足以滿足設計要求。

3 結 語

（1）不同外加劑組合下高性能海工混凝土的14d、28d和56d抗壓強度的增長規律仍基本符合對數增長模式。

（2）摻合料摻入混凝土中具有改善了內部組分，優化了內部孔隙結構，從而使高性能混凝土的抗滲性能得到大幅度的提高。而外涂DPS對試樣的抗滲性能有一定的改善，但效果相對不明顯。

（3）混凝土氯離子擴散系數為混凝土耐久性能的控制性指標。對于高性能海工混凝土來說，氯離子擴散系數指標與混凝土電通量指標相比，要敏感得多。

（4）高性能海工混凝土的耐久性能，往往不能通過單摻某種外加劑就可達到其耐久性能，應因結合工程所在地的原材料特性，適當采用外涂和內摻組合方式，達到保證其耐久性能的目的。

[1]趙國藩.高性能混凝土發展簡介[J].施工技術,2002(4)∶1～2,16

[2]朱曉文,呂恒林.雙摻高性能混凝土抗氯離子滲透性試驗研究[J].粉煤灰綜合利用,2009(5)∶116～119

[3]王成啟.Ⅱ級粉煤灰對海工高性能混凝土抗氯離子滲透性能的影響[J].水運工程,2006(6)∶5～8

[4]劉建忠,劉家平.礦物摻合料對混凝土抗壓強度和氯離子滲透性能的影響[J].混凝土與水泥制品,2005(4)∶11～13