不同摻量礦物摻合料混凝土耐沖刷性能研究

張友來，李曉文，邢衛疆，孟玉冰

（山東中建西部建設有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

混凝土作為當今社會主要建筑材料，其耐久性備受研究人員的關注。由于施工不當或混凝土所處環境惡劣，會導致混凝土耐久性降低、混凝土結構破壞，從而造成巨大的經濟損失[1]。美國學者 Sitter 曾用“五倍定律”形象地描述了由于考慮不周或措施不當而導致的混凝土耐久性不足造成的經濟損失。我國是一個經濟快速發展的國家，大量的混凝土結構需要修建，但我國資源有限，所以修建綠色、高耐久的混凝土結構勢在必行，加強對混凝土耐久性的研究具有重大意義[2]。

混凝土耐久性問題有很多種，主要包括鋼筋銹蝕、化學侵蝕、凍融破壞、堿骨料反應以及外界環境對混凝土的破壞（風、水流沖刷等），尤其是位于海邊的建筑，海水沖刷以及化學侵蝕表現得尤為突出[3]。當高速水流作用在混凝土表面時，由于水泥基體與粗骨料之間存在的耐磨性能的差異，導致混凝土出現剝落、骨料外露、混凝土結構疏松等現象。位于海邊的混凝土結構，不僅承受水流沖刷帶來的破壞，還要承受海水中的有害離子對其造成的破壞，在離子侵蝕和水流沖刷耦合作用下，海邊的混凝土結構破壞尤為嚴重[4-6]。研究礦物摻合料對混凝土耐沖刷性能的影響對海邊的混凝土結構有很重要的意義，同時對臨海城市的混凝土攪拌站的生產有重要的指導意義。

本文制備幾組水膠比相同、膠凝材料用量相同、水泥用量相同，但粉煤灰摻量和礦粉摻量不同的混凝土，對其進行模擬海水沖刷試驗，最后確定最優的耐沖刷混凝土的粉煤灰（F）和礦粉（K）的最優摻量。

1 試驗

1.1 試驗原材料

本試驗采用的水泥為 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥主要成分見表 1。河砂細度模數為 2.6，粗骨料為粒徑在 5～25mm 的玄武巖，減水劑為聚羧酸類減水劑。試驗用沖刷液為經高溫蒸餾后的高濃度海水。

表 1 水泥成分 %

1.2 混凝土的制備

為了確定礦物摻合料的最優摻量，以及減少砂率、水膠比、漿骨比等因素的影響，制定大量的膠砂配合比并按照配比制備 40mm×40mm×160mm 的膠砂試塊，然后進行 3d、7d、28d 抗壓強度測試，最后得出：當礦物摻合料的取代率為 37% 時，膠砂試塊的抗壓強度最大。試驗以膠砂配合比為參考，以相同取代率（37%）為條件，對混凝土配合比進行設計優化，得到以下幾組混凝土配合比，如表 2 所示。

1.2.1 混凝土試樣的制備

按照 GB 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行試件制作。根據設備需要，試塊尺寸為Ф50mm×100mm 的圓柱體，用于模擬海水沖刷試驗。試件振動成型后，置于標準養護室（溫度(20±2)℃、濕度＞95%）中養護。

圖 1 沖刷試驗裝置示意圖

圖 2 沖刷試驗裝置

表 2 混凝土配合比

表 3 混凝土試塊的質量損失率

1.3 模擬海水沖刷試驗

取出養護完成的混凝土試塊，去除混凝土試塊表面的水分，然后放置在自然環境下，待表面干燥后對試塊進行稱重，記錄每塊試塊的原始重量。然后將試塊安裝在模擬海水沖刷裝置上（如圖 1、圖 2 所示），為防止沖刷液與錨接軸承接觸，在安裝前用防水的乙稀基樹脂對錨接軸承進行密封。試驗采用控制變量法，將沖刷速度作為變量，其它因素保持恒定，以一定濃度的海水作為沖刷液進行試驗。試驗開始后，用 PHB-1 型酸度計（精度為 0.01），實時觀測沖刷液的濃度，同時釆用固定濃度的濃縮海水進行滴定，以保持沖刷液濃度水平（1.07g/cm3）。本試驗以沖刷速度為變量（0.5m/s，0.8m/s，1.25m/s），對不同配合比的試塊進行 90d 的模擬海水沖刷試驗。試驗結束后將試樣取出，使用抹布將試塊表面水分擦掉，并放置于室內一段時間，使試塊自然干燥，然后分別測量計算各組試件的質量損失。

2 模擬海水沖刷試驗結果分析

表 3 為不同沖刷速度下不同摻量礦物摻合料的混凝土試塊的質量損失率。圖 3 為不同沖刷速度下不同摻量礦物摻合料的混凝土試塊的質量損失率折線圖。

由圖 3 中可知，當模擬海水沖刷速度為 0.5m/s、0.8m/s 時，SP-1 所對應的配合比制備的混凝土試塊的耐沖刷性能最好；當沖刷速度達到 1.25m/s 時，SP-2 所對應的配合比混凝土試塊的耐沖刷性能最好。從圖中還可以看出，隨著沖刷速度的增大，SP-1 對應的折線的斜率幾乎不變，但 SP-2 對應的折線的斜率在減小，說明當沖刷速度繼續增大，SP-2 對應的配合比混凝土試塊的質量損失率的增加速度與 SP-1 相比逐漸減小，兩者的質量損失率的差距逐漸增大。從表 3 中可以看出，當沖刷速度為 0.5m/s 時，SP-1 對應配合比混凝土試塊的質量損失率比 SP-2、SP-3、SP-4 分別降低 14%、42% 和 52%；當沖刷速度為 0.8m/s 時，SP-1 對應的配合比混凝土試塊的質量損失率比 SP-2、SP-3、SP-4 分別降低 12%、39% 和 44%；當沖刷速度為 1.25m/s 時，SP-2 對應的配合比混凝土試塊的質量損失率比 SP-1、SP-3、SP-4 分別降低 7%、40% 和 37%。根據數據對比以及折線圖比較，當沖刷速度＜1m/s 時，SP-1 對應的配合比混凝土試塊的耐沖刷性能最好；當沖刷速度＞1m/s 時，SP-2 對應的配合比混凝土試塊的耐沖刷性能最好，所以試驗人員可以根據混凝土所處的實際環境來選擇合適的配合比。

大量研究表明[7-11]，混凝土中摻入粉煤灰可以提高混凝土的后期強度以及混凝土的耐久性，混凝土中摻入礦粉可以提高混凝土的抗滲能力。SP-1 配合比中礦粉摻量要高于粉煤灰的摻量，形成了一種礦粉起主要作用的膠凝體系，從而提高混凝土的抗滲能力。SP-2 配合比中粉煤灰摻量要高于礦粉的摻量，形成了一種粉煤灰起主要作用的膠凝體系，從而提高了混凝土的后期強度。當沖刷速度較小時，混凝土抵抗海水沖刷的性能主要以混凝土的抗滲性能為主，所以 SP-1 配合比制備的試塊質量損失小于 SP-2 配合比制備的試塊質量損失。當沖刷速度較大時，混凝土抵抗海水沖刷的性能主要以混凝土的強度為主，所以 SP-2 配合比制備的試塊質量損失小于 SP-1 配合比制備的試塊質量損失。

圖 3 混凝土試塊的質量損失率折線圖

3 結論

本文針對混凝土結構的沖刷問題，通過模擬海水沖刷試驗，確定耐沖刷的不同摻量礦物摻合料混凝土的最佳配合比。主要結論如下：

當沖刷速度較小時，混凝土抵抗海水沖刷的性能主要以混凝土的抗滲性能為主，所以 SP-1 配合比（礦粉摻量 20%，粉煤灰摻量 12.5%）制備的試塊質量損失小于 SP-2 配合比（礦粉摻量 12.5%，粉煤灰摻量 20%）制備的試塊質量損失。當沖刷速度較大時，混凝土抵抗海水沖刷的性能主要以混凝土的強度為主，所以 SP-2配合比制備的試塊質量損失小于 SP-1 配合比制備的試塊質量損失。