海水環境下水泥結石體性能試驗研究

孫 鋒,潘 蓉,侯春林,胡勐乾

(環境保護部核與輻射安全中心,北京 100082)

海水環境下水泥結石體性能試驗研究

孫 鋒,潘 蓉,侯春林,胡勐乾

(環境保護部核與輻射安全中心,北京 100082)

廈門海底隧道的注漿經驗表明,海水對注漿結石體的影響是嚴重的。即使采用淡水拌和漿液,環境中海水的影響還是超出了想象。采用早強水泥,分別配制了水灰比在0.5～1.0范圍內的水泥試件,在不同拌和條件和養護環境下,研究早強水泥強度隨時間變化的規律。侵蝕試驗表明,海水具有明顯的早強作用,但隨著養護時間的增加,海水侵蝕作用逐漸顯現,且隨著水灰比的增大而增大。水泥結石體在腐蝕過程中,其內部結構均經歷一個先由于腐蝕產物的填充作用而逐漸密實再過渡到由于腐蝕產物繼續產生和膨脹,使密實度逐漸降低,最后發展為強度逐漸降低的過程。基于以上分析,海底隧道注漿材料宜選用水灰比0.5左右的礦渣硅酸鹽水泥漿體。

海底隧道;注漿;水灰比;侵蝕試驗;水泥結石體

0 引 言

海水對水泥結石體的腐蝕機理是錯綜復雜的,它使水泥結石體的抗壓、抗折強度等均有不同程度的下降,這主要是由于海水中的氯離子、硫酸根離子、鎂離子等與水泥組成的某些成分產生物理、化學變化,導致水泥結石體孔隙率增大,結構變得松軟,強度降低,耐久性下降[1]。由于氯鹽的早強作用,海水拌和的水泥凈漿的凝結時間普遍提前。海水拌和混凝土的強度各家說法不一,僅就28 d抗壓強度而言,從降低15%到提高20%的都有。國外研究表明[2-3],一般水灰比相同時海水拌和的混凝土早期強度稍高而后期強度略低。

廈門海底隧道的注漿經驗表明,海水對注漿效果的影響是嚴重的。即使采用淡水拌和漿液,環境中海水的影響還是超出了想象。現有的研究表明[4-8],海水的影響主要表現在:一是增加了漿液凝固的時間,二是大幅度降低了結石體的強度,三是極大的稀釋了漿液,四是加劇了漿液的不均勻擴散。

海底隧道的注漿施工對注漿材料的要求,最重要的一點就是,漿液膠凝后的耐久能力和抗滲能力。目前,海水對早強水泥強度影響機理的定量研究并不多見。為了更準確的說明海水環境對水泥結石體的腐蝕規律,還需做大量的對比試驗,深入研究。

1 試驗方法與試驗方案

(1)試驗用海水

海水的化學成分是十分復雜而多變的。世界上各大洋的海水中,由于地理地質條件不同,其化學成分也有很大不同,即使在海洋的不同部位,其化學成分也是很不相同的。據有關資料介紹,海水中約含3.5%左右的可溶性鹽類,其組成主要是:氯化鈉約占2.7%,氯化鎂約占0.32%,硫酸鎂約占0.22%,硫酸鈣約占0.13%。而硫酸鹽、鎂鹽和氯鹽對混凝土有嚴重的侵蝕作用。本試驗采用人工配置的溶液來模擬廈門的海水成分[9]。

表1 海水主要成分 單位:g/L

(2)試驗用材料

采用三河市建材有限公司生產的鉆牌32.5R早強型復合硅酸鹽水泥。為了解海水環境下水泥結石體強度的變化規律,本研究采用早強型復合硅酸鹽水泥。

(3)試驗方法

分別采用水灰比為0.5、0.75、1.0配制R32.5硅酸鹽水泥漿液,將其澆筑到模具中制作圓柱體試塊,使試塊最終成型尺寸為Φ 50 mm×100 mm。上述試塊分別用海水和淡水拌和,成型后分別在海水和淡水中進行養護,見圖1。

①測定各種樣品的凝結時間、穩定性(抗分散性和初始析水速率)。凝結時間分為初凝時間和終凝時間。

②進行試塊的單軸強度試驗。針對養護時間為3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d 的樣品測定結石體強度、結石率和密度(并對每種樣品進行電鏡掃描研究微結構)。對比兩種海水和淡水的試驗結果。

圖1 試塊分別在海水和淡水中進行養護

2 試驗結果

2.1 水泥漿試驗

由于氯鹽的早強作用,海水拌和水泥凈漿的凝結時間普遍提前。從表2可以看出海水和淡水的標準稠度用水量相差很小,水泥的凝結時間明顯提前。水泥漿的初凝時間和終凝時間都提前了幾乎一個小時,這個結果和其它研究者的結論是一致的。混凝土施工時應充分注意海水的早強作用,以保證施工質量。

表2 水泥漿性能試驗

2.2 海水腐蝕現象描述

養護28 d后海水養護與淡水養護比較,海水拌和、海水養護的水泥結石體表面有明顯的泛霜現象,而海水拌和、淡水養護的水泥結石體則不明顯,見圖2。

圖2 結石體養護后的描述

養護28 d后試塊破壞現象見圖3、圖4。

圖3 拌和條件對試塊破裂的影響(試件力學性能試驗)

圖4 養護環境對試塊破裂的影響

拌和條件中,從圖3、圖4可以看出,海水拌和結石體較淡水拌和內部有較多的孔隙。海水中含有相當多的硫酸鎂,是海水腐蝕混凝土結構的主要原因。鎂鹽能與硬化水泥石中的成分產生陽離子交換作用,新生成物不再能起到“骨架”作用。另外,Mg-SO4起著鎂鹽與硫酸鹽的雙重腐蝕作用,既會產生膨脹性的化學腐蝕,還會產生陽離子交換型腐蝕。

海水養護下,隨著時間增加,結石體內部孔隙逐漸增多,淡拌海養水泥石強度一般較海拌淡養降低幅度要大,說明養護環境對強度的影響更為重要。海水對水泥結石腐蝕嚴重,在海水及海水壓力的作用下,氫氧化鈣被不斷溶解流失,使水泥石堿度不斷降低,從而引起其他水化產物的分解溶蝕,如高堿性的水化硅酸鹽、水化鋁酸鹽等分解成為低堿性的水化產物,最后會變成膠結能力很差的產物,使水泥石結構遭到破壞。

2.3 強度變化規律分析

海水拌和混凝土的強度說法不一,僅就28 d抗壓強度而言,從降低15%到提高20%的都有。一般水灰比相同時海水拌和的混凝土早期強度稍高而后期強度略低。

圖5 水泥結石強度變化曲線(W/C=0.5)

從圖5可以看出,當水灰比W/C=0.5時,淡水拌和淡水養護條件下,隨著養護時間的增大,結石體強度逐漸增大,當28 d后強度略有增大并趨于穩定。但在其他拌和與養護條件下,由于海水的早強作用,結石體早期強度增長速度較快,其28 d強度要稍高于淡水拌和與淡水養護,隨著養護時間的增加,后期強度出現不同程度的降低,通過養護90 d的觀測發現,最大強度降幅在11%以內。

圖6 水泥結石強度變化曲線(W/C=0.75)

從圖6可以看出,當水灰比W/C=0.75時,淡水拌和淡水養護條件下,隨著養護時間的增大,結石體強度逐漸增大,當28 d后強度略有增大并趨于穩定。但在其他拌和與養護條件下,由于海水的早強作用,結石體早期強度增長速度較快,其28 d強度要稍高于淡水拌和與淡水養護,早期強度中,海水拌和海水養護條件下強度最大;隨著養護時間的增加,后期強度均出現不同程度的降低,通過養護90 d的觀測發現,海水拌和海水養護條件下強度降幅最大,達20%。

圖7 水泥結石強度變化曲線(W/C=1)

從圖7可以看出,當水灰比W/C=1時,淡水拌和淡水養護條件下,隨著養護時間的增大,結石體強度逐漸增大,當28 d后強度略有增大并趨于穩定。但在其他拌和與養護條件下,由于海水的早強作用,結石體早期強度增長速度較快,其28 d強度要高于淡水拌和與淡水養護,早期強度中,海水拌和海水養護條件下強度最大;隨著養護時間的增加,后期強度均出現不同程度的降低,通過養護90 d的觀測發現,海水拌和海水養護條件下強度降幅最大,達30%。說明養護環境對強度的影響是重要的。

綜上所述,不同水灰比的水泥結石體在不同拌和條件和不同養護環境中,強度變化差別較大。同樣水灰比的試塊,由于海水的早強作用,海水拌和海水養護條件下早期強度最大,隨著水灰比的增大其增速變大;但隨著養護時間的增加,海水侵蝕作用逐漸顯現,海水拌和海水養護后期強度降幅最大,且隨著水灰比的增大而增大。長期強度中,淡水拌和淡水養護后期強度逐漸增大并趨于穩定,效果最好。

3 海水對水泥結石體的腐蝕機理

水泥結石體強度變化曲線反映了各個階段內部結構的變化及其破壞的機理。在海水腐蝕的初期階段,海水中的鈉離子、氯離子、鎂離子及硫酸根離子進入水泥內部,硫酸根離子、鎂離子分別與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣發生化學反應,在水泥石毛細孔內生成一些不溶性物體,使水泥結石逐漸變得密實,導致水泥結石試件的抗壓強度、抗折強度有所提高;水灰比越大的結石試件內部孔隙越多,強度提高幅度越大,甚至有時超過水灰比小的試件。

隨著海水腐蝕的進行,結石體內部孔隙逐步被難溶性物質充滿,生成物體積膨脹會在結石體內部產生很大的內應力,孔隙結構遭到破壞,內部開始出現微裂并不斷開展,導致結石體的強度降低。水灰比大的混凝土內部孔隙也大,進入的鹽水離子也多,對水泥石的侵蝕作用也強,故強度下降的幅度也大。

海水中含有相當多的硫酸鎂,是海水腐蝕結構的主要原因。MgSO4起著鎂鹽與硫酸鹽的雙重腐蝕作用,既會產生膨脹性的化學腐蝕,還會產生陽離子交換型腐蝕。

結果還表明,礦渣硅酸鹽水泥的抗蝕性大于普通硅酸鹽水泥,這一方面是礦渣硅酸鹽水泥中的三氧化二鋁含量雖然比普通硅酸鹽水泥高,水化形成的水化硫鋁酸鈣較多,但這種水化產物對氯離子具有較強的吸附能力,從而降低了孔溶液的氯離子濃度,另外礦渣硅酸鹽水泥混凝土的氯離子的擴散系數明顯比普通硅酸鹽水泥混凝土小。

4 結 論

(1)養護環境對強度的影響是重要的。海水養護有明顯的泛霜現象,同樣水灰比的試塊,由于海水的早強作用,海水拌和海水養護條件下早期強度最大,隨著水灰比的增大其增速變大;試驗室獲得海水早強的結果與現場注漿試驗觀察到的現象不盡一致。

(2)現場注漿試驗中漿液強度上升的速度明顯慢于一般的注漿試驗,因而海底隧道注漿所遇到的,不僅僅是海水對注漿材料的影響。因此可以說,海底隧道注漿效果是海底圍巖環境、漿液和注漿工藝三方面共同作用的結果。

(3)隨著養護時間的增加,海水侵蝕作用逐漸顯現,海水拌和海水養護后期強度降幅最大,且隨著水灰比的增大而增大。長期強度中,淡水拌和淡水養護后期強度逐漸增大并趨于穩定,效果最好。

(4)試驗結果表明,水泥結石體在海水腐蝕過程中,其內部結構經歷一個先由于腐蝕產物的填充作用而逐漸密實,再過渡到由于腐蝕產物繼續產生和膨脹使密實度逐漸降低,最后發展為結構破壞的過程。

(5)海底隧道注漿最好選用的水灰比為0.5左右。礦渣硅酸鹽水泥比普通硅酸鹽水泥具有較高的抗氯化物滲透性、耐久性;在相同水灰比下,礦渣硅酸鹽水泥的抗海水侵蝕性優于普通硅酸鹽水泥。

[1]劉 鵬.青島膠州灣隧道工程注漿技術研究[D].青島:山東科技大學,2007:69-71.

[2]張茂輝,蔣濟同,馮正農,等.青島海水拌和混凝土力學性能與試驗研究[J].青島海洋大學學報,1993,23(4):119-125.

[3]陳鐵林,滕紅軍,張頂立.廈門翔安海底隧道富水砂層注漿試驗[J].巖石力學與工程學報,2007,(S2):3711-3717.

[4]孫 鋒,張頂立,陳鐵林.基于流體時變性的隧道劈裂注漿機理研究[J].巖土工程學報,2011,33(1):88-93.

[5]Huseyin Yigiter,Halit Yazici,Serdar Aydin.Effects of cement type,water/cement ratio and cement content on sea water resistance of concrete[J].Building and Environment,2007,42:1770-1776.

[6]Sunil Kumar.Influence of water quality on the strength of plain and blended cement concretes in marine environments[J].Cement and Concrete Research,2000,30:345-350.

[7]Tarek Uddin Mohammed,Hidenori Hamada,Toru Yamaji.Performance of seawater-mixed concrete in the tidal environment[J].Cement and Concrete Research,2004,34:593-601.

[8]Hsien-Kuang Liua,Nyan-Hwa Taib,Wen-Hung Leea.Effect of seawater oncompressive strength of concrete cylinders reinforced by non-adhesive woundhybrid polymer composites[J].Composites Science and Technology,2002,62:2131-2141.

[9]張 瑩,張玉敏.海水侵蝕環境下混凝土強度的研究[J].山東建筑工程學院學報,2002,17(2):24-28.

Experimental Study on Cement Calculus Body Strength under Seawater Enviroment

SUN Feng,PAN Rong,HOU Chun-lin,HU Meng-qian
(Nuclear and Radiation Safety Center,MEP,Beijing100082,China)

The grouting tests of Xiamen subsea tunnel indicate that the seawater has a greater impact on grouting calculus body.According to the seawater corrosion test of the early strength concrete under the conditionof water cement ratio from 0.5 to 1.0,the regular pattern and reason on the strength variation to the time were researched based on different mixing and curing conditions.It is clear that the use of seawater could cause the earlier strength gain compared to the use of tap water.However,after a long-period,the use of seawater may result in the formation of deeper corrosion compared to the use of tap water,the influence is found to be significant for higher W/C.At the early age of corrosion test,the microstructure of concrete would be improved due to the use of seawater.Then it would be reduced gradually,because seawater may cause the deterioration of concrete strength after a long time.Based on the tests,the results may provide that the slag Portland cement with the water-cement ratio of about 0.5 should be selected and used in the subsea tunnel's grouting engineering.

subsea tunnel;grouting;water cement ratio;corrosion test;cement calculus body

U459.5

A

1672—1144(2012)05—0009—05

2012-03-01

2012-04-20

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)“城市地下工程安全性的基礎理論研究”(2010CB732104);環保部公益性科研項目“中國沿海核電建設廠址地震海嘯危險性分析”(201209040)

孫 鋒(1978—)男(漢族),山東肥城人,博士,主要從事核電廠址與土建結構技術審評及研究工作。