“雙摻”海工高性能混凝土關鍵性能指標試驗研究

王 浩 李 雁 李 兵

（1.徐州市質量技術監督綜合檢驗中心 江蘇徐州 221000 2.徐州工程學院土木工程學院 江蘇徐州 221008 3.中國礦業大學力建學院 江蘇徐州 221008）

隨著社會經濟的快速發展，土木工程尤其是大型基礎設施所處的環境越來越復雜，普通混凝土材料已不適用于新的工程實踐。如，港口、碼頭和跨海大橋鋼筋混凝土結構處于荷載、溫度、濕度和氯離子侵蝕等多重因素的影響下，其性能大打折扣[1～2]。因此，研究開發一種高性能混凝土以適應海洋環境下的各項性能指標要求非常必要。有研究表明[3～4]：在混凝土中摻入復合礦物摻合料后，其孔隙率會降低，密實度將增強，各項性能獲得極大提升。鑒于此，本文在前期研究成果的基礎上，通過雙摻技術優化混凝土配合比，并研究其基本力學性能與抗氯離子滲透性能等關鍵性能指標，從而形成“雙摻”高性能海工混凝土材料。

1 配合比設計及試驗方法

1.1 試驗原材料

（1）水泥。根據《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）國家標準，對選用的42.5級普通硅酸鹽水泥化學成分及物理性能進行測試分析，詳見表1、2。

表1 水泥（普通硅酸鹽）主要化學成分占比

表2 水泥（普通硅酸鹽）物理性能列表

（2）細骨料。根據《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ52-2006）行業標準，對河砂的主要性能指標進行測試分析，詳見表3。

表3 砂物理指標列表

（3）粗骨料。根據《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ52-2006）行業標準，對選用的5～20mm連續級配碎石主要技術指標進行測試分析，詳見表4。

表4 石子物理指標列表

（4）減水劑。根據《混凝土外加劑應用技術規范》（GBS0119-2013）國家標準，對選用的聚羧酸減水劑主要性能指標進行測試分析，詳見表5。

表5 減水劑物理指標列表

（5）粉煤灰。根據《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596-2005）國家標準，對選用的I級粉煤灰主要技術指標進行測試分析，詳見表6。

表6 粉煤灰化學成分列表

（6）礦粉。根據《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》（GB/T18046-2008）國家標準，對選用的礦粉主要性能指標進行測試分析，詳見表7。

表7 礦粉化學成分列表

1.2 “雙摻”高性能混凝土配合比設計

本文參照《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》（JTJ275-2000）以及《混凝土結構耐久性設計規范》（GB/T50476-2008）的要求，配制用于海洋環境下的礦物摻合料混凝土。在海洋腐蝕和凍融的復合環境下，混凝土結構所處的環境更加惡劣。現有研究表明，提高混凝土的強度和致密性是提高其抗侵蝕性介質作用的有效方式。而礦物摻合料可顯著影響混凝土的孔隙結構和致密性。本文在前期試驗研究的基礎上，優選了水膠比、粉煤灰及礦粉的摻量，初步形成了高性能混凝土配比。詳見表8（其中，字母F代表粉煤灰；G代表礦粉）。

表8 “雙摻”高性能混凝土配合比

1.3 試驗方法及步驟

（1）混凝土力學性能

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2002）的相關要求，本文采用150mm×150mm×150mm的立方體試塊進行抗壓強度試驗，每組取三個試塊。

試驗步驟：①首先，制作并養護試樣；②達到試驗年齡后，取出試樣并擦干；③將試塊放在試驗機的壓板上對中（如圖1所示）；④啟動試驗機，當上板靠近試樣時，應調整球座以使接觸均勻；⑤加載應連續均勻，加載速度為0.4～0.6MPa/s；⑥試件接近破壞時，停止調整壓力機閥門直至破壞。⑦最后，紀錄破壞時的載荷。

（2）混凝土抗氯離子滲透性能

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能實驗方法》的相關要求（本文采用RCM法），采用φ100×50mm的圓柱體試塊，每三個試塊為一組。

試驗步驟：①采用游標卡尺測量試件尺寸；②試件真空飽水3h；③試件常壓浸泡處理18±2h；④試驗裝置組裝與密封試件；⑤注入試驗溶液；⑥導線連接、通電，并開始紀錄電流、電壓與溫度等數據；⑦到達規定的試驗時間結束通電，試件劈裂與顯色處理，并用游標卡尺測量氯離子滲透深度；⑧試驗結束。試驗裝置見圖2。

圖1 混凝土試塊放置在壓力試驗機下壓板上

圖2 氯離子擴散系數測試裝置圖

2 試驗結果與分析

2.1 混凝土力學性能

標準養護28d后對混凝土的立方體抗壓強度進行測試，結果如表9及圖3所示。

圖3 標準養護28d后混凝土試樣單軸抗壓強度值

由表9及圖3可知：通過標準養護并達到28d后，編號為C1-0的普通混凝土試樣的抗壓強度為33.5MPa；編號為C3-1和C3-7的單摻及雙摻高性能混凝土試樣的抗壓強度分別為62.1MPa和63.5MPa；而編號為C3-0、C3-2、C3-3和C3-5的單摻高性能混凝土試樣的抗壓強度分別為57.0MPa、55.5MPa、55.6MPa 和 54.4MPa。

分析可知：對于不加入礦物摻合料的混凝土，水灰比從0.44降低到0.32，混凝土強度從33.5MPa提升到57.0MPa，說明水灰比是影響混凝土強度的關鍵因素，水膠比0.32符合海工高性能混凝土配比的基本要求；在相同水膠比（0.32）的情況下，隨著粉煤灰的加入及摻量的不斷增加（摻量分別為0%、20%、35%和50%），混凝土強度變化趨勢為先增后降，并逐漸趨于穩定。有研究表明[5]：這主要是由于粉煤灰與水泥的水化產物CH產生二次水化反應，當粉煤灰添加到適量時，可以包裹混凝土中的骨料；且由粉煤灰中的活性組分產生的硅酸鈣凝膠可以填充骨料之間的孔隙并提高混凝土的密度，從而增加強度。

當粉煤灰摻入量大于20%，隨著摻量的增加（本文為35～50%），混凝土強度逐漸降低并趨于平穩。這主要是由于過量添加粉煤灰，超過混凝土骨料所需的包裹量所致：二次水化后，多余的粉煤灰顆粒在漿料周圍形成一層界面，使得混凝土內部穩定性惡化，從而導致混凝土強度下降。

對于大摻量的混凝土（摻入量均為50%），“多摻”混凝土強度顯著高于單摻混凝土強度，單摻粉煤灰混凝土強度為55.6MPa，單摻礦粉混凝土強度為54.4MPa，而復摻粉煤灰、礦粉混凝土強度達62.1MPa。根據復合材料的“超疊加效應”原理可知：不同種類的礦物摻合料（如：粉煤灰、礦粉、硅灰等）按適當的比例和總量混合，可以彌補彼此的不足，既可以優化混凝土的工作性能，又可以顯著提升其強度和耐久性。此外，有研究表明，使用粉煤灰和磨細礦粉雙摻，在總量相同時，混凝土強度隨粉煤灰與礦粉的比例減小而提高；鑒于此，本文雙摻混凝土粉煤灰摻量定為15%，礦粉摻量定為35%，驗證效果良好。

2.2 抗氯離子滲透性能

試樣是φ100×50mm的圓柱體。①將樣品放置于專用設備中抽真空；②吸入飽和的氫氧化鈣溶液；③待樣品干燥后用RCM設備進行測試分析。測試結果如圖4所示。氯離子擴散系數的計算表達式見公式（1）。

圖4 噴涂AgNO3指示劑后的混凝土試樣

式中：DRCM：氯離子擴散系數（RCM）；U：絕對電壓（V）；T：陽極溶液的平均溫度（℃）；L：試樣厚度（mm）；Xd：氯離子滲透深度平均值（mm）；t：試驗持續時間（h）。

經過試驗測得經28標準養護后混凝土試樣的氯離子擴散系數見表10。

圖5 標準養護28d后混凝土氯離子擴散系數

表9 標準養護28d后混凝土單軸抗壓強度值

表10 標準養護28d后混凝土氯離子擴散系數/（×10-12m2/s）

由《東海大橋高性能海工混凝土技術要求》可知，標準養護28d后海工混凝土氯離子擴散系數指標要求如下：①水下區：氯離子擴散系數應小于3.0×10-12m2/s；②大氣區或浪濺區：氯離子擴散系數應小于1.5×10-12m2/s。由表10及圖5可知：編號為C1-0和C3-0兩種未摻入礦物摻合料混凝土的氯離子擴散系數分別為20.6×10-12m2/s和7.0×10-12m2/s，表明：隨著水膠比的降低，混凝土抗氯離子滲透性顯著提升，但由于未摻入礦物摻合料，其氯離子擴散系數值均未達到相關標準。而其它摻入礦物摻合料混凝土的試驗結果均達標準，其中雙摻混凝土抗氯離子滲透的效果最好，其氯離子擴散系數值達到0.31×10-12m2/s，遠遠小于標準要求，表明摻入礦物摻合料可大大提高混凝土的氯離子滲透性。摻合料混凝土尤其是“雙摻”混凝土的關鍵技術指標符合海工高性能混凝土的相關要求。

3 結論

本文詳細介紹了海工雙摻混凝土的原材料性能，混凝土的配方設計，并對標準養護28d后的混凝土試樣進行了強度和抗氯離子滲透性檢測，主要結論如下：

（1）對于不加入礦物摻合料的混凝土，隨著水灰比的降低（從0.44降低到0.32），混凝土強度提升顯著（從33.5MPa提升到57.0MPa），說明水灰比是影響混凝土強度的關鍵因素，從而驗證了水膠比0.32符合海工高性能混凝土配比的基本要求。

（2）在相同水膠比（0.32）單摻粉煤灰的情況下，隨摻量的不斷增加，混凝土強度變化趨勢為先增后降，并逐漸趨于穩定。

（3）大摻量的混凝土（摻入量均為50%），“多摻”混凝土強度顯著高于單摻混凝土強度與抗氯離子滲透性。

（4）參照《東海大橋高性能海工混凝土技術要求》，本文設計的以粉煤灰與礦粉為主要摻合料的混凝土在強度與抗氯離子滲透性指標方面均達到了海工高性能混凝土的標準。