粉煤灰改善鹽堿濕地水下灌注樁混凝土抗侵蝕性研究

張登峰,翟春英,魏 歡

(1.武漢工大土木工程檢測有限公司，武漢 430070；2.通遼市交通工程局，通遼 028000；3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

錫林郭勒盟某在建一級公路位于阿巴嘎草原腹地，項目主線橫穿該草原數(shù)個季節(jié)性鹽堿濕地，穿越濕地主線采用數(shù)孔20 m預應力箱梁水泥混凝土橋結構，墩柱設計采用C30鉆孔灌注樁，經(jīng)檢測主線穿越草原鹽堿濕地不同深度地下水pH值在7.3～7.8之間，水中硫酸根離子(SO42-)含量在1 000～2 000 mg/L之間，氯化物含量在1 500～2 500 mg/L之間，屬于嚴重侵蝕地區(qū)。已有研究結果表明，氯離子能夠通過混凝土毛細孔滲透到混凝土內(nèi)部，銹蝕鋼筋，降低樁基混凝土結構的承載力。硫酸鹽可導致樁基混凝土的膨脹開裂，嚴重影響混凝土的結構安全，縮短橋梁的使用壽命[1,2]。摻加高效減水劑和超細摻合料制備的混凝土可有效提高混凝土的密實性，增加混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力，提高混凝土的耐久性[3-5]。為此，以該實體工程為依托，利用當?shù)噩F(xiàn)有的原材料，開展鹽堿濕地環(huán)境中的水下鉆孔灌注樁混凝土配合比優(yōu)化設計，并對混凝土的抗凍、抗?jié)B、抗侵蝕性能進行比對分析，優(yōu)化水泥混凝土配合比設計參數(shù)，提高混凝土耐久性，保證工程質(zhì)量。

1 配合比基本信息

1.1 原材料

1)碎石：蘇尼特左旗滿都拉圖建筑石料廠安山巖碎石，表觀密度2.751 g/cm3，吸水率0.8%，壓碎值13.2%，針片狀含量6.3%。

2)砂子：西烏旗五間房砂場水洗天然砂，細度模數(shù)2.7；表觀密度2.682 g/cm3。

3)水泥：河北冀東PO42.5硅酸鹽水泥，其物理技術性能指標如表1所示。

4)粉煤灰：正藍旗上都電廠I級粉煤灰，其物理性能指標和礦物成分測試結果分別如表2、表3所示。

5)減水劑：聚羧酸類高效減水劑，減水率18%，密度1.056 g/cm3。

6)拌和用水：當?shù)仫嬘盟琾H值7.0。

表1 冀東PO42.5硅酸鹽水泥主要技術性能

表2 正藍旗上都電廠I級粉煤灰性能

表3 粉煤灰化學成分測試結果 w/%

1.2 理論配合比計算

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55—2011[6]，樁基設計強度C30，泵送混凝土，塌落度180～220 mm，粉煤灰摻量按照等量取代法，分別取代水泥質(zhì)量的0、10%、20%、30%，碎石骨料為19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm三檔，采用5～31.5 mm連續(xù)級配，電腦合成計算三檔碎石的比例為35%∶45%∶20%，減水劑摻量為膠材質(zhì)量的0.8%。

1.2.1 混凝土配制強度(fcu.o)

fcu.o≥fcu,k+1.645σ=30+1.645×5.0=38.2 MPa

(1)

1.2.2 水膠比(W/B)

PO42.5水泥膠砂強度28 d實測值fce=48.5 MPa，配制強度fcu.o=38.2 MPa，集料回歸系數(shù)αa=0.53，αb=0.20。

W/B=αa×fb/(fcu,o+αa×αb×fb)=(0.53×48.5)/(38.2+0.53×0.20×48.5)=0.59

(2)

1.2.3 水膠比校核

項目所在地有凍害及潮濕腐蝕環(huán)境，允許最大水膠比0.50，計算水膠比為0.59，因摻加了高效減水劑，根據(jù)類似地區(qū)施工經(jīng)驗，選用水膠比W/B=0.46進行試配。

1.2.4 單位用水量(mw)

混凝土拌和物坍落度為180～220 mm，碎石的最大粒徑為31.5 mm，砂的細度模數(shù)為2.7，屬2區(qū)中砂，單位用水量選為220 kg/m3。

1.2.5 摻減水劑混凝土的單位用水量(mwo)

減水劑摻量為水泥用量的0.8%，減水率為18%，計算摻外加劑混凝土的單位用水量為

mwo=220×(1-β)=220×(1-0.18)=180 kg

(3)

1.2.6 摻外加劑混凝土的單位水泥用量(mca)

摻外加劑混凝土單位用水量mwa=180 kg/m3，水膠比W/B=0.46，計算單位水泥量為

mco=mwo/(W/B)=180/0.46=391 kg/m3

(4)

1.2.7 砂率(βs)

碎石dmax=31.5 mm，5～31.5 mm連續(xù)級配，W/B=0.46，砂細度模數(shù)為2.7，屬2區(qū)中砂，泵送施工，初步選取砂率βs=42%。

1.2.8 碎石及砂子用量(ms、mg)

采用體積法計算，水泥ρc=3 106 kg/m3，砂ρs=2 682 kg/m3，石ρg=2 751 kg/m3，減水劑ρ減水劑=1 056 kg/m3，單位體積混凝土中各材料計算用量分別為：水泥mco=391 kg/m3，水mwo=180 kg/m3，砂率βs=42%，由式(5)、式(6)計算

mco/ρc+mwo/ρw+mso/ρs+mgo/ρg+m減水劑/ρ減水劑=1

(5)

mso/(mso+mgo)=βs

(6)

計算得：砂mso=793 kg/m3，石mgo=1 095 kg/m3。

1.2.9 理論配合比及基準配合比驗證

根據(jù)式(3)～式(6)計算結果，得出混凝土理論配合比：mco∶mwo∶mso∶mgo∶m減水劑=391∶180∶793∶1 095∶3.1；混凝土理論表觀密度ρce=2 462 kg/m3。

按照理論配比在實驗室試拌多盤混凝土，分別測出新拌混凝土出機坍落度200～210 mm之間，拌合物裹附飽滿，粘聚性良好，無泌水現(xiàn)象，拌和混凝土1 h坍落度195 mm，2 h坍落度180 mm，滿足泵送施工要求。實測混凝土ρct=2 448 kg/m3，不需進行密度修正。

1.2.10 摻粉煤灰混凝土的配合比調(diào)整

根據(jù)基準配合比分別按照粉煤灰等質(zhì)量取代10%、20%、30%的水泥，進行拌合物性能調(diào)整試驗，根據(jù)拌合物混凝土的工作性能對不同水泥取代量條件下的基準配合比進行微調(diào)，具體調(diào)試后的結果如表4所示。

表4 摻配粉煤灰配合比調(diào)整結果

從表4可以看出，隨著粉煤灰取代量的逐漸增加，單位體積用水量是逐步增加的。

2 混凝土強度及抗侵蝕試驗

根據(jù)表4調(diào)整結果，按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》[7]要求，成型標準試件，分別進行混凝土強度、抗氯離子滲透性、抗凍性、抗硫酸鹽侵蝕試驗。

2.1 混凝土強度試驗及分析

混凝土強度試驗采用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，標準養(yǎng)生28 d，到期后按規(guī)程測試試件抗壓強度，四個配比的抗壓強度結果如表5所示。

表5 混凝土強度(28 d)試驗結果

表5試驗結果可以看出，加入粉煤灰后，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土28 d強度先升高后降低，摻量為20%時最高，當摻量達到30%時，強度仍滿足配制強度要求，但與摻10%粉煤灰時的試件強度接近。

2.2 抗氯離子滲透性能試驗及分析

按照JTG E30—2005規(guī)程成型φ100 mm×50 mm的圓柱體試件，標準養(yǎng)生56 d，根據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中氯離子電通量試驗評價混凝土抗氯離子滲透性能，四個配比的電通量試驗結果如表6所示。

表6 混凝土電通量Q(56 d)試驗結果

表6混凝土56 d電通量試驗結果表明，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土試件電通量逐漸減小，當粉煤灰取代量超過20%時，電通量下降為不摻粉煤灰時的一半以下，說明摻加粉煤灰能顯著提高混凝土的抗氯離子滲透能力，且摻量超過20%以上時，電通量技術分級為好。

2.3 抗凍性試驗及分析

采用快速凍融循環(huán)法進行，按照JTG E30—2005規(guī)程進行試件的制作和養(yǎng)護，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，按T0564《水泥混凝土動彈性模量試驗方法(共振儀法)》測橫向基頻，并稱其質(zhì)量，作為評定抗凍性的起始值，然后開始進行凍融試驗。四個配比300次凍融循環(huán)的動彈模量保留值結果如表7所示。根據(jù)內(nèi)蒙古中東部的環(huán)境條件，該次混凝土的抗凍耐久性指數(shù)要求按照DF≥80%控制。

表7 混凝土凍融循環(huán)動彈模量保留值試驗結果

表7混凝土凍融循環(huán)動彈模量保留值試驗結果可以看出，摻粉煤灰試件在凍融 300 次以內(nèi)相對動彈性模量基本都在90%以上，表現(xiàn)出良好的抗凍性。不摻粉煤灰的普通試件在凍融達到 300 次時相對動彈性模量為89.1%；摻粉煤灰的混凝土試件的相對動彈性模量均要高于不摻粉煤灰的。因為粉煤灰的摻入提高了混凝土的密實性，降低了溶液中鹽濃度差造成的滲透壓，從而提高混凝土的抗凍性能。

2.4 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗及分析

按照JTG E30—2005規(guī)程成型100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，脫模后標準養(yǎng)生28 d，根據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中全浸泡方式進行加速硫酸鹽侵蝕試驗，分別測試淡水浸泡和5%Na2SO4溶液全浸泡兩種方式下試件的強度，根據(jù)式(7)計算試件抗侵蝕系數(shù)，浸泡時間選定30 d、60 d、90 d、120 d、180 d五個，養(yǎng)護28 d試件在相同濃度溶液中隨齡期變化的抗侵蝕系數(shù)結果如表8所示。

抗侵蝕系數(shù)：K=R溶液/R水

(7)

式中，K為試件抗侵蝕系數(shù)，%；R溶液為浸泡在5%Na2SO4溶液中的試件抗壓強度，MPa；R水為浸泡在淡水中的試件抗壓強度，MPa。

表8試驗結果表明，混凝土試件分別在淡水和5%Na2SO4溶液中浸泡，試件抗壓強度隨浸泡時間的延長，其抗侵蝕系數(shù)逐漸降低，不摻粉煤灰的普通試件經(jīng)過硫酸鹽溶液的侵蝕浸泡，其抗蝕能力衰減很快，在半年內(nèi)就接近抗侵蝕系數(shù)下限。而摻粉煤灰試件，當摻量在10%以上時，試件抗侵蝕系數(shù)都在90%以上，表現(xiàn)出良好的抗侵蝕性能，摻粉煤灰混凝土試件的抗侵蝕系數(shù)均要高于不摻粉煤灰的，粉煤灰摻量高的抗侵蝕性能優(yōu)于摻量低的。當粉煤灰摻量達到20%以上時，在不降低混凝土強度的前提下，其抵抗硫酸鹽溶液侵蝕的效果更顯著，說明摻20%～30%的I級粉煤灰對保證混凝土強度、提高混凝土抵抗硫酸鹽侵蝕的性能的思路是可行的。

3 結 語

a.在有抗凍要求和抗硫酸鹽侵蝕的鹽堿濕地水下構造物混凝土中，采用摻配I級粉煤灰和高效減水劑的雙摻技術配制的高性能混凝土，具有良好的密實性、施工性和物理力學性能。

b.I級粉煤灰摻量范圍在20%～30%之間，既能合理地控制混凝土的水膠比不至于過大，又能保證混凝土的抗凍性、抗氯離子滲透性和抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)良。

c.粉煤灰的使用，既提高了鹽堿濕地環(huán)境中的混凝土耐久性，保證了混凝土的工作壽命，而且還為工程節(jié)約了資金，經(jīng)濟效益顯著，推廣應用價值極大。