高性能混凝土在沿海復雜環境下耐腐蝕應用

林 立，周成洋，郜 雅，徐 瑋

(1.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001；2.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 揚州 225000；3.揚州大學，江蘇 揚州 225000)

1 概況

新沂河海口樞紐工程位于新沂河出海口、連云港市灌云縣燕尾港鎮南，是“沂沭泗”流域洪水東調南下工程的重要組成部分[1]。該工程是新沂河洪水入海口門段的控制建筑物，主要包括北深泓閘、中深泓閘、南深泓閘。南、北深泓閘建成于1999年，其中南深泓閘共12孔，單孔凈寬10m，設計流量為2425m3/s；北深泓閘共10孔，單孔凈寬10m，設計流量為2027m3/s。中深泓閘建成于2007年，共18孔，單孔凈寬10m，設計流量為3348m3/s。經多年運行，樞紐南、北深泓閘混凝土病害嚴重，工程存在嚴重安全隱患，為消除安全隱患，保障行洪安全。2020年12月，江蘇省發改委批復同意加固。

由于新沂河海口樞紐下游1km是灌河入海口，工程處于近海地區，且位于灌云、響水化工園區之間，空氣和水中均含有較高濃度的腐蝕有害離子，使得海口控制工程中鋼筋混凝土結構在氯離子等有害離子侵蝕下，病害嚴重。經檢測，南、北深泓閘混凝土腐蝕嚴重，鋼筋銹蝕，混凝土脹裂脫落，嚴重影響工程安全運行。在新沂河海口樞紐南、北深泓閘除險加固過程中，通過摻加優質礦粉，優化混凝土配合比，在滿足混凝土設計強度的基礎上，提高了混凝土在高腐蝕環境下的耐久性，延長新沂河海口樞紐工程的使用壽命，最大限度地發揮工程效益。

2 混凝土設計要求

在新沂河海口樞紐工程南、北深泓閘除險加固設計中，閘墩、排架等大部分結構混凝土標號為C35，交通橋板、鉸縫及橋面鋪裝采用C50混凝土，所以本文就C35、C50高性能混凝土相關應用進行介紹[2]。

C35混凝土設計相關參數：

(1)坍落度：16.0～22.0cm；

(2)凝結時間：<24h；

(3)28d抗壓強度：≥35.0MPa；

(4)56d氯離子電通量：≤1000C；

(5)56d氯離子擴散系數：≤4.5×10-12m2/s；

(6)56d抗滲等級：≥W8；

(7)56d抗凍等級：≥F100；

(8)56d抗碳化性能等級：T-Ⅱ(10mm≤d<20mm)。

C50混凝土設計相關參數：

(1)坍落度：16.0～22.0cm；

(2)凝結時間：<24h；

(3)28d抗壓強度(C35)：≥50.0MPa。

3 原材料選用

由于江蘇省砂石料禁采，市場上砂石料魚龍混雜、良莠不齊，用質量低劣的機制砂、鎳渣，甚至有用海沙等代替黃沙，有用拆除的混凝土塊加工成石子，俗稱“回籠子”代替碎石，石子粉冒充礦渣粉等現象時有發生，原材料的不合格，導致生產出來的混凝土強度不足，耐久性差。在新沂河海口樞紐南、北深泓閘加固工程混凝土施工過程中，對原材料的控制實行指定生產線、指定料倉、指定專人監督的“三指定”方案，與商混廠簽訂協議，要求商混廠指定生產線用于該工程使用，黃沙、石子等原材料由承包商在市場上選擇優質原材料采購，商混廠指定料倉堆放，用于該工程的混凝土生產前，指定專人現場監督，確保原材料專項采購，專項使用。

新沂河海口樞紐南、北深泓閘加固工程使用的主要原材料：水泥采用了P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，滿足GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；粉煤灰滿足GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規定的Ⅱ級灰及以上要求，燒失量小于3.0%；礦渣粉符合GB/T 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》的S95級及以上的性能要求，比表面積小于450m2/kg；黃砂采用天然河沙，細度模數在2.5～3.0之間[3]，具有平滑的篩分曲線中粗砂，表觀密度、含泥量等物理性能滿足GB/T 14685—2011《建設用碎石、卵石》規范要求；碎石，分別為5mm～16mm的小石和16mm～31.5mm的中石。碎石的表觀密度、壓碎值等指標符合國標GB/T 14685—2011所規定的Ⅰ和Ⅱ類碎石要求；減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑，其性能符合GB 8076—2008要求；耐蝕劑由某水利科學研究院研制，針對氯鹽和硫酸鹽中、強腐蝕環境，該產品可提高混凝土早期強度以及體積穩定性和耐久性[4]。

4 混凝土配合比

該項目委托某水利科學研究院對混凝土進行跟蹤試驗檢測，根據新沂河海口樞紐南北深泓閘除險加固工程混凝土50年設計使用年限，滿足GB/T 50476—2019、DB32/T 2333—2013鋼筋混凝土配合比要求，配合比的最大水膠比控制為0.40，用水量取150～160kg/m3；砂率取36%～40%。根據不同水膠比現場配置3組混凝土，配合比見表1—2。

表1 不同水膠比混凝土配合比及拌合物性能

表2 混凝土試驗配合比及拌合物性能

5 現場混凝土的性能試驗

5.1 不同水膠比高性能混凝土的強度性能

通過保溫保濕養護，7d、28d強度性能試驗結果見表3，繪制混凝土7d和28d抗壓強度與膠水比關系曲線，結果如圖1所示。

表3 不同水膠比高性能混凝土配合比強度試驗結果

圖1 高性能混凝土抗壓強度與膠水比的關系曲線

從表3和圖1的試驗結果可以看出，對相同原材料配制高性能混凝土，隨著水膠比增大，混凝土抗壓強度隨之減小，混凝土抗壓強度與其膠水比呈線性關系。

5.2 抗壓強度

試驗分別對相同原材料同標號、同水膠比C35普通混凝土和高性能混凝土，不同標號C35、C50高性能混凝土，不同齡期試驗配合比的抗壓強度性能進行比較，分別見表4，如圖2—3所示。

表4 混凝土的抗壓強度性能

圖2 同水膠比條件下普通混凝土和高性能混凝土的抗壓強度性能

圖3 高性能混凝土在不同水膠比下的抗壓強度

根據以往工程經驗，使用大摻量礦物摻合料，其混凝土的早期強度較不摻礦物摻合料普通混凝土要低。由于該工程中的高性能混凝土中摻加了5%的耐蝕劑，耐蝕劑具有提高高性能混凝土早期強度的作用，由表4和圖2—3的性能試驗結果可知，在相同水膠比條件下，摻加了大摻量摻合料的高性能混凝土各齡期的抗壓強度與普通混凝土基本相當。因此，在摻加了40%摻合料的情況下，高性能混凝土早期3d強度甚至比同水膠比的普通混凝土還高，能夠滿足工程現場施工拆模和加載要求。

對于高性能混凝土而言，隨著水膠比的降低以及齡期的增加，其抗壓強度隨之增加；無論是混凝土標號C35還是C50的混凝土，該工程通過優化配合比配制的高性能混凝土的28d抗壓強度均滿足了設計強度的要求[5]。

5.3 極限拉伸性能

相同標號高性能混凝土和普通混凝土的極限拉伸性能試驗結果見表5。

表5 混凝土的極限拉伸性能

從表5中的極限拉伸性能結果來看，同標號同水膠比條件下，高性能混凝土的軸向拉伸強度和極限拉伸值較普通混凝土有明顯提高，而軸向拉伸彈性模量降低，使得高性能混凝土的抗裂性能優于普通混凝土。

5.4 干縮變形性能

在20℃恒溫條件下，將C35高性能混凝土和普通混凝土試塊直接放置干縮室，和先在水中養護14d后再置于干縮室，比較兩種不同的養護條件下的變形性能。混凝土的變形性能試驗結果見表6，如圖4所示。

表6 混凝土的干縮變形性能

圖4 混凝土的變形隨齡期變化的關系曲線

由表6和圖4的試驗結果可知，當混凝土拆模立即放入干縮室后，混凝土表現為干縮變形。在相同的水膠比條件下，高性能混凝土的早期收縮值比普通混凝土略大，至28d時收縮值已與普通混凝土相當；當混凝土在水中養護時，混凝土表現為膨脹變形，同齡期高性能混凝土的膨脹值比普通混凝土大100微應變以上；當混凝土在水中養護14d后再放入干縮室，混凝土發生明顯的干燥收縮，且普通混凝土干縮的速度比高性能混凝土快，至28d時，普通混凝土和高性能混凝土均表現為收縮變形，普通混凝土的干縮值比高性能混凝土大164微應變。由此可見，高性能混凝土早期保濕保溫養護很重要，應盡可能延長保溫保濕養護時間，該工程要求保濕養護不能低于14d[6]。由于該工程閘墩混凝土施工在冬季，為了保證混凝土養護質量，在混凝土澆筑結束后用塑料薄膜及時包裹，外面再用土工布覆蓋、工業用加熱毯加熱、棉被保溫，經過現場實測，混泥土表面溫度達到20℃，有效地保證混凝土的養護質量[7]。

混凝土在不同的干燥養護制度下的變形性能試驗結果表明，在保障混凝土充分養護的條件下，同水膠比的高性能混凝土的收縮將比普通混凝土明顯減小，因此高性能混凝土的開裂風險較普通混凝土也將明顯降低[8]。

5.5 抗滲性能

混凝土養護28d的抗滲性能試驗結果見表7。

將水壓力逐級加壓至1.3MPa時，混凝土試件無一透水，混凝土抗滲性能優異。相對而言，摻加大摻量摻合料的高性能混凝土比普通混凝土滲水高度小。混凝土28d的抗滲等級均已達到W12。

表7 混凝土的抗滲性能

5.6 抗凍性能

混凝土養護28d的抗凍性能見表8。

表8 混凝土的抗凍性能

從表8的試驗結果可知，混凝土28d的抗凍等級已達F100。

5.7 抗碳化性能

混凝土養護28d的抗碳化性能試驗結果見表9。

表9 混凝土的抗碳化性能

5.8 抗氯離子滲透性能

混凝土28d齡期時的抗氯離子滲透性能的試驗結果見表10。

表10 混凝土抗氯離子滲透性能

從表10的試驗結果可知，同水膠比條件下，高性能混凝土的抗氯離子滲透性能比普通混凝土顯著提高。高性能混凝土在28d齡期時的氯離子擴散系數和電通量要求已滿足設計技術指標要求和相關規范最嚴要求。

6 結論

綜上所述，通過對新沂河海口樞紐服役環境特性，開展多因素耦合條件下，耐腐蝕混凝土耐久性及劣化機理研究，可以得出在沿海復雜環境下采用高性能混凝土施工，具有很好的抗滲性能、抗凍性能、抗碳化性能和抗氯離子滲透性能[9]。由于高性能混凝土因其與普通混凝土相比各種耐久性明顯提高，使其在道路橋梁中得到廣泛的應用，但在水利工程中應用甚少，通過本次沿海復雜環境下耐腐蝕混凝土配合比及性能研究結果，在同等環境下，混凝土使用壽命有效提升，本成果可以推廣應用。