低溫升高抗滲C30海工大體積混凝土的研究

田 焜 陶瑞鵬 王月蘭 柯 曉 朱見勝

(1.湖北省產品質量監督檢驗研究院，湖北 武漢 430061； 2.武穴市產品質量監督檢驗所，湖北 武穴 435400)

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·建筑材料及應用·

低溫升高抗滲C30海工大體積混凝土的研究

田 焜1陶瑞鵬1王月蘭1柯 曉1朱見勝2

(1.湖北省產品質量監督檢驗研究院，湖北 武漢 430061； 2.武穴市產品質量監督檢驗所，湖北 武穴 435400)

針對海工大體積混凝土中膠凝材料用量高、水化反應放熱多、使用壽命短等問題，在該混凝土中摻入了水泥分散增強劑與疏水化合孔栓物，降低了混凝土的水泥和膠凝材料用量，提高了混凝土的耐久性，制備出了低溫升高抗滲C30海工大體積混凝土。

海工大體積混凝土，水泥分散增強劑，疏水化合孔栓物

0 引言

1 C30低溫升海工大體積混凝土配合比優化設計

1.1 試驗原材料

1)水泥：華新P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細度(0.08 mm方孔篩的篩余)2.7%，技術性能指標見表1；

表1 水泥的主要性能指標

2)粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，燒失量為5.7%，需水量比為98%，細度為9.7%(0.045 mm篩余)；

3)礦粉：S95級礦粉，比表面積450 m2/kg，流動度比為99%，7 d活性指數為88.7%，28 d活性指數為100%；

4)細集料：天然砂(S)，細度模數2.83，含泥量0.4%；

5)粗集料：碎石(G)，5 mm～20 mm連續級配碎石，壓碎值8.9%；

6)減水劑：上海產高效聚羧酸減水劑，減水率27%；

7)水泥分散增強劑：江蘇產高效水泥分散增強劑；

8)疏水化合孔栓物：江蘇產混凝土疏水化合孔栓物；

9)水：自來水。

1.2 密實骨架堆積設計混凝土配合比

密實骨架堆積法是通過尋找混凝土中各原材料的最大堆積密度來尋找最小孔隙率，并利用曲線擬合得出原材料間的最佳比例[7]。由材料的堆積理論得知，利用密度小的材料填充密度大的材料，其曲線會出現具有一個峰值的二次函數形式圖。混凝土中粉煤灰的密度比混凝土中的細骨料密度小很多，現通過粉煤灰填充細骨料的空隙，得出致密系數α，再以α比例的細骨料(包含粉煤灰)填充粗骨料，得到最大堆積因子β，由此得出最大單位重量Uw和最小空隙率Vv，利用富余漿體理論，確定水泥漿體的放大倍數，得出所需的潤滑和填充水泥漿量,從而確定混凝土的初步基準配合比,見表2。

表2 混凝土基準配合比及力學性能

表2表明，混凝土基準配合比的坍落度和抗壓性能均滿足了設計要求，而抗壓強度較大，配合比中水泥的用量過高，從而會產生大量的水化熱，使混凝土的絕熱溫升提高，易使其產生開裂。利用礦粉等量取代部分水泥后，其自身的微集料效應和二次水化作用，能顯著提高混凝土的結構致密性，從而延長混凝土的使用壽命；并且礦粉的二次水化反應，放熱量較小，可大幅降低混凝土的絕熱溫升，減小混凝土的溫度應力，提升海工混凝土的抗開裂能力。因此摻入礦粉替代部分水泥進行混凝土配合比優化。

1.3 C30海工大體積混凝土膠凝材料體系優化

采用礦粉等量取代部分水泥，對混凝土膠凝材料用量進行優化，得到C30海工大體積混凝土配合比，見表3。

表3 海工大體積混凝土配合比

由表3結果可知，礦粉取代部分水泥后，混凝土的強度略有降低，但能達到C30大體積混凝土的要求。根據GB 50496—2009大體積混凝土施工規范中絕熱溫升計算方法，計算絕熱溫升得31.4 ℃，符合GB 50496—2009大體積混凝土施工規范中“混凝土實際溫升不超過50 ℃”的規定。

2 水泥分散增強劑與疏水化合孔栓物優化C30海工大體積混凝土

海工大體積混凝土一般應用在國家重點大型工程中，工程設計使用壽命長，因此海工大體積混凝土需要有優良的耐久性能。而大體積混凝土尺寸較大，由于膠凝材料水化放出大量的熱，產生較大的溫度應力，當溫度應力大于同齡期的劈裂抗拉強度時，混凝土將出現開裂。相關研究表明，混凝土中有10%～20%的水泥在水泥拌合中不能充分分散，無法發生水化反應，僅僅起到填充作用[8]。為避免大體積混凝土出現溫度裂縫，最直接最經濟的措施是在確保強度的前提下降低水泥及其他膠凝材料的用量。

2.1 水泥分散增強劑對混凝土性能的影響

在保證水膠比與砂率不變的基礎上，對混凝土配比減少10 kg/m3水泥和10 kg/m3粉煤灰，同時通過引入一定量的水泥分散增強劑，使其充分分散水泥顆粒，促進水泥水化和提高其顆粒之間的膠結作用，以提高混凝土抗壓強度[9]。在表2配合比的基礎上摻入占膠材重量0.4%，0.6%和0.8%的水泥分散增強劑，實驗結果見表4。

表4 C30海工大體積混凝土配合比及性能

由表4可知，隨著水泥分散增強劑摻量的增加，混凝土的強度出現了先增加后減少的趨勢，當水泥分散增強劑摻量為0.6%時，混凝土強度出現最大值，高于未降低水泥及膠材用量前的抗壓強度。當水泥分散增強組分摻量超過0.6%時，混凝土強度均出現下降。因此，確定水泥分散增強劑的最佳摻量為0.6%。

2.2 疏水化合孔栓物對混凝土性能的影響

利用密實骨架堆積原理設計的混凝土水泥及膠凝材料用量較少，雖添加了礦物摻合料，降低了用水量，在一定程度上能夠改善混凝土界面結構，但膠凝材料及水泥的用量較少，水泥漿體對骨料的包裹性不佳，使其內部孔隙增多，抗滲性能降低，因此需對海工大體積混凝土的耐久性進行提升設計，以滿足其惡劣的服役環境。疏水化合孔栓物是一種可阻止侵蝕離子在混凝土內部傳輸的新型功能型添加材料，添加到混凝土內后，與混凝土孔溶液中Ca2+發生絡合反應，析出不溶于水的絡合物，吸附在孔隙內，形成“塞子”堵塞毛細孔，阻止侵蝕離子的進入，優化混凝土內部結構，增大混凝土的致密性，提高混凝土的耐久性能。現摻入不同重量的疏水化合孔栓物，配合比見表5。

表5 C30海工大體積混凝土耐久性能配合比 kg/m3

2.2.1 對混凝土力學性能和滲透性能的影響

表6為不同摻量疏水化合孔栓物的C30海工混凝土的工作性能、力學性能和抗氯離子滲透性能試驗結果。

表6 C30海工大體積混凝土試驗結果

由表6可以得出，隨著疏水化合孔栓物摻量的增加，混凝土的力學性能和抗滲能力不斷提高，但工作性能略有降低。未摻疏水化合孔栓物時，C30混凝土的抗滲等級為P18，28 d Cl-擴散系數為6.0×10-12m2/s；摻入了15 kg/m3疏水化合孔栓物后，混凝土的抗滲等級達到了P24，28 d Cl-擴散系數降低至4.3×10-12m2/s。由此可見，摻入疏水化合孔栓物后，混凝土的抗滲能力得到了顯著提高。

2.2.2 對混凝土碳化性能的影響

表7為不摻合摻入15 kg/m3疏水化合孔栓物的C30海工大體積混凝土的碳化深度。

表7 C30海工大體積混凝土的碳化深度 mm

由表7試驗結果可知，未摻加疏水化合孔栓物的混凝土28 d碳化深度為6.7 mm；摻有疏水化合孔栓物的混凝士抗碳化性有了顯著的提高，3 d碳化深度僅有2.5 mm，7 d僅有3.3 mm，28 d為3.5 mm，并且隨著齡期的增加，碳化深度幾乎不增加。分析可知，摻入的疏水化合孔栓物堵塞了毛細孔，降低了混凝土內部的孔隙率，阻止了水和其他離子的擴散。

2.2.3 對抗硫酸鹽侵蝕性能試驗

表8為不摻合摻入15 kg/m3疏水化合孔栓物的C30海工大體積混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能試驗結果。

表8 C30海工大體積混凝土的碳化深度抗硫酸鹽侵蝕試驗結果

由表8的試驗結果可知，利用密實骨架堆積原理設計出的C30大體積混凝土本身就具有優良的抗硫酸鹽侵蝕性能，摻有疏水化合孔栓物之后，抗硫酸鹽侵蝕性能更佳，150次干濕循環后抗壓強度由原來的42.4 MPa變為38.9 MPa，強度僅降低7.8%，抗蝕等級優異。分析認為，密實骨架堆積法降低了混凝土的孔隙率，同時疏水化合孔栓物堵塞了毛細孔，阻止了水和其他離子向混凝土內部的擴散，從而抑制侵蝕。

3 結語

1)隨著水泥分散增強劑摻量的增加，C30海工大體積混凝土的力學性能先增加后減小，當水泥分散增強劑摻量為膠凝材料重量的0.6%，同時取代10 kg/m3水泥和10 kg/m3粉煤灰的情況下，混凝土強度與未減少膠材之前基本無變化，28 d抗壓強度達到39.8 MPa。

2)疏水化合孔栓物可提高混凝土耐久性能，當摻入15 kg/m3的疏水化合孔栓物后，C30混凝土的抗滲等級達到了P24，28 d Cl-擴散系數降低至4.3×10-12m2/s；28 d碳化深度降低至3.5 mm；150次干濕循環后抗壓強度由原來的42.4 MPa變為38.9 MPa，強度僅降低7.8%，抗硫酸鹽侵蝕性能大大提高。

3)通過對C30混凝土膠凝材料的優化設計，同時復摻水泥分散增強劑和疏水化合孔栓物，配制出低溫升高抗滲C30海工大體積混凝土，可應用在環境復雜的海工工程中。

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Research on low hydration heat flow anti-permeation C30 marine engineering mass concrete

Tian Kun1Tao Ruipeng1Wang Yuelan1Ke Xiao1Zhu Jiansheng2

(1.Hubei Provincial Supervision and Inspection Research Institute for Products Quality, Wuhan 430061， China；2.Wuxue Product Quality Inspection and Supervise Service， Wuxue 435400, China)

According to the high amount of cementing materials, much exothermic of hydration reaction, short service life and other problems in marine mass concrete, mixed cement dispersion strengthening agent and hydrophobic compound suppository in the concrete, reduced the cement and cementing materials amount of concrete, improved the durability of concrete, prepared the low temperature elevated anti-permeability C30 marine mass concrete.

marine mass concrete, cement dispersion strengthening agent, hydrophobic compound suppository

1009-6825(2017)08-0113-03

2017-01-06

田 焜(1983- )，男，博士，高級工程師； 陶瑞鵬(1989- )，男，碩士

TU528

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