模擬海水對高性能混凝土漿體的侵蝕作用研究

何鵬濤，李新玲，沈衛國,，丁慶軍，文寨軍，王 晶，劉 云，周聰聰

(1.武漢理工大學材料學院，武漢 430070；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；3.中國建筑材料科學研究總院，北京 100024)

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模擬海水對高性能混凝土漿體的侵蝕作用研究

何鵬濤1，李新玲2，沈衛國1,2，丁慶軍1，文寨軍3，王 晶3，劉 云3，周聰聰1

(1.武漢理工大學材料學院，武漢 430070；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；3.中國建筑材料科學研究總院，北京 100024)

海水對混凝土的侵蝕作用決定了海洋環境中混凝土結構的服役性能。本文研究了模擬海水對高性能混凝土漿體(摻加粉煤灰、礦渣、硅灰以及石灰石粉的低水膠比漿體)的侵蝕作用，結果表明：礦物摻和料能阻礙海水的侵蝕，卻導致漿體的早期強度較低。粉煤灰對后期強度貢獻較大，而對早期強度影響最嚴重；摻加石灰石粉的漿體早期強度較高，但后期強度損失較大；摻礦渣的漿體后期強度損失較大，膨脹率較高；摻硅灰的漿體膨脹率低，強度損失較小。評價綜合指標，摻硅灰的漿體整體表現出較好的抗海水侵蝕能力。

礦物摻和料； 高性能混凝土漿體； 模擬海水； 強度； 膨脹率

1 引 言

隨著海工工程的迅猛發展，作為主要結構材料的海工混凝土備受學者的關注。大量事實表明：暴露在苛刻環境下的鋼筋混凝土，即使設計使用壽命超過50年，往往還需要定期維修、改造[1]。研究已經證實：礦物摻合料能一定程度的提高混凝土的耐久性[2,3]。Wiegrink[4]證實摻加10%的硅灰后，混凝土的徐變減小。Islam等[5]通過實驗驗證摻加30%礦渣的混凝土在海洋環境中抗侵蝕能力最強。Sotiriadis[6]和鄧德華[7]的研究都證實了摻加石灰石粉能提高混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。目前多采用單因素模擬室內加速法進行研究，忽略了海水中各侵蝕離子之間的相互影響。在已有研究的基礎上[8]，為討論海洋環境對高性能混凝土中的漿體的侵蝕行為，本文制備摻加粉煤灰、礦渣、硅灰以及石灰石粉的低水膠比漿體，同時考慮到單因素模擬法的缺陷，制備了模擬海水，測試模擬海水中高性能混凝土漿體的強度、膨脹率和水化產物的演變。本研究對探討高性能混凝土在海洋環境里的侵蝕與性能衰減行為具有一定的意義。

2 試 驗

2.1 原材料

試驗原材料為葛洲壩P·O 42.5水泥，青山熱電廠二級粉煤灰，武鋼礦渣，貴州清鎮鐵合金有限公司生產的硅灰，魯冠混凝土攪拌站的石灰石粉，化學組成如表1所示。上海馬貝建筑材料有限公司提供的聚羧酸高效減水劑，減水率約為30%。藥品為國藥集團生產的NaCl、Na2SO4和MgSO4，分析純。

表1 化學組成Tab.1 Chemical composition /wt%

2.2 模擬海水成分

海水組成[9]如表2所示，按照海水中主要離子的組成比例，配制1.9%NaCl+0.15%Na2SO4+0.13%MgSO4的模擬海水作為浸泡溶液。

表2 海水成分Tab.2 Composition of seawater /wt%

2.3 試驗方法

在總結大量學者研究的基礎上選取最優礦物摻合料配比[10,12]。按照GB/T17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》制備40 mm×40 mm×40 mm試塊，測定試件抗壓強度。按照JC/T603-2004《水泥膠砂干縮試驗方法》制備25 mm×25 mm×280 mm試體，用比長儀測定長度，計算膨脹率。為了便于分析比較，定義抗壓強度(或膨脹率)損失率K如下：

K=1-ft1/ft0

(1)

式中：ft1-模擬海水浸泡td漿體的抗壓強度(或膨脹率)；

ft0-純水浸泡td漿體的抗壓強度(或膨脹率)。

3 結果與討論

3.1 礦物摻合料對漿體強度的影響

摻加不同礦物摻合料的高性能混凝土漿體的強度如圖1所示，圖(b)是模擬海水浸泡的漿體強度，圖(d)為強度損失K。圖(a)、圖(c)為各自對應的早期放大圖。

圖1 摻加不同礦物摻合料漿體的強度Fig.1 Strength of cement paste composing with mineral admixtures

圖2 摻加不同礦物摻合料漿體的膨脹率Fig.2 Expansion rates of cement paste composing with mineral admixtures

從圖(a)、(b)可以看出，摻加粉煤灰漿體的早期強度最低，28～90 d強度迅速增大，180 d后開始衰減。摻礦渣漿體早期強度較低，7～90 d增加較快，90 d后迅速衰減。摻硅灰漿體早期強度較高，28 d開始衰減，180 d內強度高于其他漿體，180 d后下降。摻石灰石漿體的強度發展呈先增大后減小，接著再增大，最后減小的雙重峰的趨勢。

由圖(c)、(d)可以看出，在早期強化階段：摻加粉煤灰和石灰石粉的漿體強度損失K先為負值，后為正值，即短暫的強化過程后，強度開始降低；摻礦渣的漿體K為負值，說明早期持續強化；摻硅灰的漿體K先正后負，說明最早受到正損傷，7 d時強度開始增加。在后期劣化階段：摻加粉煤灰、礦渣和石灰石粉的漿體K為正值，產生正損失，不利于漿體后期強度發展；摻硅灰的漿體K進入正值最晚，說明海水環境中摻硅灰的漿體耐久性較好。

3.2 礦物摻合料對漿體膨脹率的影響

漿體的膨脹率如圖2所示，(b)是在模擬海水中浸泡的漿體膨脹率，(d)為膨脹率增加的負值K。(a)、(c)為放大圖。

由圖(a)、(b)知，摻加粉煤灰漿體的早期膨脹率大，180 d時開始低于純水泥漿體。摻石灰石粉的漿體3 d膨脹率最小，但后期膨脹率極高；摻礦渣和摻硅灰漿體的早期和后期膨脹率均較小。

由圖(c)、(d)可以看出，K為負值，即膨脹率增加，說明在海水中浸泡的漿體膨脹率比純水中大。摻加石灰石粉的漿體的K起伏較大，且早期和后期都處于最低水平，說明膨脹率增加較多，抗海水侵蝕能力較差；摻加礦渣的漿體3 d時的K最高，膨脹率增加得少，但是3 d后K較低，膨脹率增加較多；摻粉煤灰的漿體K一直處于較高水平，說明膨脹率增加較少。結合圖(b)可知，摻硅灰的漿體膨脹率較小，K值后期最高，膨脹率增加最少，體積穩定性好，表明其抗海水侵蝕能力最強。

3.3 漿體的XRD分析

圖3 不同礦物摻合料漿體的XRD圖Fig.3 XRD patterns of cement paste composing with mineral admixtures

4 結 論

(1)摻加粉煤灰和摻石灰石粉的高性能混凝土漿體早期強度較低，后期強度損失大；摻礦渣的漿體早期強度較高，后期強度低；摻硅灰的漿體早期強度較高，且后期強度損失小；

(2)摻加石灰石粉和摻礦渣的漿體早期膨脹率低，但后期增長快；摻粉煤灰的漿體早期膨脹率高；摻硅灰的漿體膨脹率最低，后期增加較少；

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Erosion Effect on the High-Performance Concrete Paste under Simulative Seawater

HEPeng-tao1,LIXin-ling2,SHENWei-guo1,2,DINGQing-jun1,WENZhai-jun3,WANGJing3,LIUYun3,ZHOUCong-cong1

(1.College of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.Key Laboratory of Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;3.China Building Materials Academy,Beijing 100024,China)

The erosion of seawater on concrete determines the serviceability of concrete structures in the marine environment.This paper studies erosion effect on the high-performance concrete paste (low water-cement ratio paste composing with fly ash,slag,silica fume and limestone powder) under simulated seawater.The results show that,erosion of seawater is hindered to some tense by adding mineral admixtures,but leads to low early strength.Fly ash contributes a lot on late strength,but the early strength is ruined.Cement composing with limestone powder brings the paste high early strength,but the greater late strength loss.The late strength loss and expansion rates of paste mixing with slag are great.The paste adding silica fume has low expansion rates with less strength loss,the overall performance of resistant capability under seawater is better.

mineral admixture;high-performance concrete paste;simulated seawater;strength;expansion rate

何鵬濤(1992-)，男，碩士研究生.主要從事混凝土侵蝕方面的研究.

沈衛國，博士，研究員.

TU528

A

1001-1625(2016)10-3319-05