北方微冻地区海工高性能混凝土耐久性研究

北方微冻地区海工高性能混凝土耐久性研究
王立钢;施惠生;罗德龙;王迎飞
【摘要】研究了北方微冻地区某跨海大桥所采用的高性能混凝土体系的耐久性能,采用电量法及RCM法对高抗氯盐侵蚀混凝土进行了评价;采用了快速冻融法及硬化混凝土气泡间距系数综合评价抗冻融破坏的高性能混凝土.根据研究结论可知,大掺量矿物掺合料及适量的引气剂是改善北方微冻地区海工混凝土耐久性的有效措施.【期刊名称】《粉煤灰综合利用》
【年(卷),期】2010(000)003
【总页数】4页(P9-12)
【关键词】电通量;RCM;快冻法;气泡间距系数;引气剂
【作者】王立钢;施惠生;罗德龙;王迎飞
【作者单位】中交四航工程研究院有限公司,广州,510230;同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室,上海,200092;山东高速集团有限公司,青岛,266061;中交四航工程研究院有限公司,广州,510230
【正文语种】中文
【中图分类】TV431
海工混凝土结构的损坏,一般是多因素协同作用的结果,而这些因素又随着区域性的变化而不同。

对于南方的海工混凝土建筑物,氯盐侵入引起结构内部钢筋锈蚀是影响该地区海工混凝土耐久性的主要因素;而对于北方地区的海工结构物,不仅要延缓由氯盐侵入导致的钢筋锈蚀,还要防止混凝土在自然冻融循环条件下的过快劣化。

在混凝土中掺入矿物掺合料,由于其具有微集料效应、形态效应、火山灰效应、界
面效应等,可以降低混凝土的孔隙率并改善水泥水化产物分布的均匀性,使水泥石结
构比较致密[1],从而提高混凝土的抗渗性和耐久性;而通过在混凝土内加入引气剂,保证混凝土内必要的含气量,是提高混凝土抗冻性的主要措施[2]。

地处胶州湾海域的北方某跨海大桥,是我国北方第一座特大型桥梁集群工程。

桥梁
结构处于北方微冻地区的近海和海洋环境,是作用等级从中等程度(C级)至严重程度(E级)的氯盐腐蚀环境。

为了确保结构使用寿命达到 100年的设计年限,该桥采用
了适合北方地区的海工高性能混凝土体系,从而极大地提高了混凝土结构的耐久性。

本文研究了适合于北方微冻地区的海工高性能混凝土体系的耐久性能,对桥梁结构
所采用的高抗氯盐侵蚀和抗冻融破坏高性能混凝土耐久性能进行了系统的评价。

试验原材料包括:山东山水水泥有限公司P◦I 52.5水泥(其主要化学指标见表 1、物理力学性能见表 2);日照华能电厂 I级粉煤灰(其化学成分见表 3,品质检验结果见表4);青岛家樑足球工贸有限公司产磨细矿渣粉,(符合 GB18046-2000规范要求,主要技术指标见表 5);莱西大沽河砂(表观密度 2600 kg/m3,含泥量 1.0%,细度模数2.9);山东沂水产石灰岩碎石(5mm～10 mm及 10mm～20mm组合级配,含泥量 0.3%,压碎值 11.8%,表观密度 2700 kg/m3,堆积密度 1480 kg/m3);巴斯夫 RHEOPLUS 326缓凝高效减水剂,减水率25%;引气剂巴斯夫MICRO AIR 202。

拌合水自来水。

1.2.1 混凝土的成型、养护和工作性试验方法混凝土搅拌、成型、养护根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)进行。

新拌混凝土的工作性
根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2002)进行测试。

1.2.2 抗氯离子渗透性能测试方法采用电通量法及非稳态快速氯离子迁移扩散系数法(RCM)测试混凝土抗氯离子渗透性能。

电通量法是在规定时间内测定通过混凝土的电量高低来判断混凝土的抗氯离子渗透能力。

制备直径为 100 mm、厚度为 50 mm的混凝土试件,参照《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275-2000)附
录 B,采用电通量法测定 28 d及 90 d龄期的混凝土抗氯离子渗透性能。

RCM法
是基于试件内部氯离子非稳态电迁移的一种试验方法,通过试验期间测得的氯离子
渗透深度来计算氯离子的扩散性。

制备直径为 100 mm,高度为 50mm的圆柱形
试件,参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》CCES01-2005附录 B,采用 RCM 法测定 28 d及 90 d龄期的混凝土氯离子扩散系数。

1.2.3 抗冻性能测试方法采用混凝土抗冻耐久性指数及引气混凝土气泡间距系数综合评价混凝土抗冻性能。

制备100mm×100 mm×400 mm棱柱体试件。

参照《水运工程混凝土试验规程》(JTJ270-98),测试28 d龄期混凝土 300次冻融循环后动弹模损失,评价混凝土抗冻耐久指数 DF。

混凝土试件养护 28 d后,切割成试件面积为100mm×100mm,厚度为 10mm～20 mm试件。

参照《水运工程混凝土
试验规程》(JTJ270-98),测试硬化混凝土平均气泡间隔系数。

该大桥高性能混凝土体系选用粉煤灰及矿渣微粉作为矿物掺合料,以便提高混凝土
的抗氯离子渗透性;同时对于有抗冻要求的结构部位,选用复配引气剂的高效减水剂
以提高混凝土的抗冻性能。

综合比较大桥各标段所采用配合比的掺合料变化范围,
选用表 6配合比参数进行混凝土耐久性研究。

混凝土坍落度设计值为 200
mm±20mm,对于引气混凝土,新拌混凝土含气量控制指标分别为 3%～4%和
4%～6%。

1.4.1 抗氯离子渗透试验结果分析混凝土抗氯离子渗透性能试验结果见图 1、图 2。

由图 1、图 2可知,对于低水胶比(＜0.40)混凝土,复掺矿物掺合料后其28 d及90
d抗氯离子渗透性能均有明显的提高,其 90 d氯离子扩散系数＜1.5×10-12 m2/s,电通量＜1000C,满足了高抗氯盐侵蚀混凝土的一般要求。

当矿物掺合料的掺量比例发生变化时,28 d龄期时,采用电量法及 RCM法进行测试时,均可见抗氯离子渗透性能随矿物掺合料掺量的增大而增强,根据这一规律性,可以在不影响混凝土的早期
强度的前提下,尽量选用大掺量掺合料混凝土进行施工。

当胶凝材料的用量发生变
化时,混凝土抗氯离子渗透性能的变化不大。

同时,由图 1及图 2可见,采用两种测试方法进行测试时,28 d龄期及 90 d龄期时各配合比混凝土抗氯离子渗透性能变化趋势线,除个别可能因试验误差引起的反向拐
点外,即 GF40-50(28 d)、GF500(28 d)及GF400(90 d),线形变化基本一致。

可知
两种测试方法对于此测试龄期的测试结果的相关性较好,因此适宜作为相互补充的
测试方法对混凝土的抗渗性能进行测试。

对于氯化物环境中的重要配筋混凝土结构工程,设计时应提出混凝土的抗氯离子侵
入性指标,根据《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T 50476-2008及本工程设计使用年限 100年的要求,28 d龄期氯离子扩散系数 DRCM应≤4×10-12 m2/s,分析
不同水胶比的各掺量掺合料混凝土,其氯离子扩散系数指标均满足耐久性使用要求。

1.4.2 抗冻性能试验结果分析混凝土抗冻性能试验结果见表 7及图 3。

由表 7试验结果可知,非引气混凝土的抗冻性能较差,其抗冻耐久性指数很低,而引气后的混凝土其抗冻性能则得到了明显地改善,其抗冻耐久性指数有大幅度的提高。

同时,比较相
对动弹性模量损失及质量损失的变化可知,对于大掺合料混凝土,由于掺合料对混凝
土孔径的改善作用,冻融破坏的作用主要是增加了微裂缝的数量,而不是剥蚀量。

通过分析图 3试验数据可知,引气后的混凝土气泡平均间隔系数＜300μm,满足高
抗冻性混凝土的一般要求。

这是因为引气剂掺入后,引入大量较均匀分布的微气泡,
从而明显降低了气泡之间的距离,从而提高了混凝土受冻融破坏时消能效果。

比较
采用不同掺量引气剂的混凝土,可知在一定的引气剂掺量范围内,混凝土的气泡间距
系数随引气量的增加而降低。

同时,通过比较新拌混凝土与硬化混凝土含气量可知,
二者间存在一定的差异,可能是由于振捣及引气剂本身等原因导致入模含气量发生
了变化,从而影响了硬化混凝土的含气量,可知单纯采用新拌混凝土含气量指标作为
控制指标存在一定的不确定性[3]。

另外,对于未引气硬化混凝土中的含气量,可能是由聚羧酸减水剂所引入的不均匀分布大气泡所造成的,其三维消能效果明显降低,因
此无法提高混凝土的抗冻性能。

(1)采用低水胶比和大掺量复掺矿物掺合料是提高混凝土抗氯离子渗透性能的有效途径;(2)加入引气剂是提高混凝土抗冻性的最有效方法,通过在混凝土内引入均匀分布的微小气泡,提高混凝土受冻融破坏时的消能效果,可以实现混凝土的抗冻耐久性要求。

在一定的引气剂掺量范围内,气泡间距系数随引气剂的掺量增加而降低。

新拌混凝土的含气量与硬化混凝土的含气量存在一定的差异。

需要控制由聚羧酸引入的气泡含量。

【相关文献】
[1] 施惠生,王琼,海工高性能混凝土用复合胶凝材料的试验研究[J].水泥,2003,(9):1～5.
[2] 黄士元,混凝土的抗冻性及其试验方法,混凝土[J].1983,(2):2～9.
[3] 杨钱荣,张树青,杨全兵,季文革.引气剂对混凝土气泡特征参数的影响[J].同济大学学报(自然科学版),2008(3):374.。