海工混凝土.docx

1、海工混凝土一、前言 上海为了建设全国乃至世界的物流中心与开发海洋自然资源,海洋工程的发展十分迅速。作为世人瞩目的工程,深水港项目对上海经济持续高速发展将起到十分重要的拉动作用。而作为上海深水港重要组成之一的东海大桥南起浙江崎岖列岛小洋山岛的深水港区,北至上海南汇芦潮港的海港新城,跨越杭州湾北部海域,全长31公里,就是我国较为罕见的大型海洋工程。由于东海大桥就是连接港区与大陆的集装箱物流输送动脉,对上海深水港的正常运转起到不可或缺的支撑保障作用,因此在国内首次采用100年设计基准期。为了保证大桥混凝土在海洋严酷的环境中有较高的耐用寿命,采用了高性能混凝土技术方案。 高性能海工混凝土即针对混凝土结

2、构在海洋环境中的使用特点,通过合理的配制技术,形成耐久性能、施工性能、物理力学性能以及相关性能俱佳的混凝土材料。高性能海工混凝土的突出特点表现在其高耐久与耐腐蚀性能,尤其就是混凝土抵抗氯离子侵蚀的性能方面。 高性能海工混凝土与普通混凝土在原材料、配合比以及生产与施工工艺等方面有所差别。具体表现在,(1)高性能海工混凝土胶凝材料的原材料除水泥外,还要掺用至少一种矿物细掺料,并保证一定的胶凝材料用量,从而使得混凝土微结构得以优化,孔隙结构得以改善。(2)高性能海工混凝土通过高性能混凝土减水剂的合理使用,降低混凝土单方用水量,有利于形成混凝土致密结构。(3)高性能海工混凝土在保证其良好的施工性能与物

3、理力学性能的同时,最大化地提高其耐久性能,尤其就是抵抗海洋环境中的氯离子侵蚀作用。 本文根据课题组在深水港东海大桥高性能海工混凝土技术的研制结论,着重分析矿物掺与材料在其中的应用。 二、 高性能海工混凝土专用掺与料的研究开发 使用粉煤灰、硅粉与磨细矿渣等矿物掺与材料作为混凝土掺与料,并保证一定的掺量,可大幅度提高混凝土的内部结构致密性,降低混凝土的渗透性,改善混凝土的耐久性能。研究首先选用上海地区有稳定供应源的高炉矿渣微粉、低钙粉煤灰以及硅灰材料,考察其与水泥复合胶凝体系的力学及耐久性能。 2、1 原材料及试验 试验用水泥为H牌52、5RP、水泥,其主要物理性能指标见表1,主要化学成分见表2。

4、表1 水泥其主要物理性能指标细度80um筛余量% 初凝 时间 (min) 终凝 时间(min)安定性抗压强度(MPa)抗折强度(MPa) 密度 g/cm3 标准稠度用水量% 比表面积m2/kg3d28d3d7d1、4 90 135 合格46、274、07、611、03、1226、2383粒化高炉矿渣的比表面积488m2/kg,密度=2.86g/cm3。级低钙粉煤灰的细度(45m筛余量)为10、9,需水量比为98。矿渣微粉、粉煤灰与硅灰的主要化学成分如表2所示。表2 H牌525#水泥、矿渣、粉煤灰、硅灰的主要化学成分(%) 化学成分胶凝材料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OS

5、O3H牌525#水泥20、405、253、3864、11、280、060、642、88矿渣32、8114、102、882、551、07-0、55粉煤灰48、7027、607、901、501、501、703、400、80硅灰91、101、333、680、331、440、551、510、28 配制混凝土时,选用细度模数f=2、8的河砂,粒径525mm碎石,LEX-9H 聚羧酸高效减水剂。 为考察矿物掺合料粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等入后对混凝土力学性能及耐久性能的综合影响,并比较各种掺入方式下的复合效应。分别选用纯水泥组(编号H1)、水泥与矿粉组(编号H2)、水泥,矿粉及粉煤灰三元组(编号H3)以

6、及水泥,矿粉,粉煤灰与硅粉四元组(编号H4),分别测试在等条件下的混凝土强度与抗渗、耐氯离子腐蚀性能,并分析各元胶凝材料的粉体学特征。 2、2试验结果及分析 (1) 混凝土的力学性能 各系列混凝土的抗压强度试验结果见图1。结果表明,H2、H3系列混凝土的早期强度较H1系列混凝土低,强度发展慢,而H4系列混凝土的早期强度与H1相当。但各系列掺合料混凝土的60天强度几乎达到或超过了H1普通混凝土,且在总掺量一定时,H4混凝土大于H3混凝土,且比H2的混凝土早期及后期强度高。 图1混凝土立方体抗压强度发展趋势 图2 混凝土渗透高度比 (2) 混凝土的耐久性能 图3 混凝土抗氯离子扩散系数 图4 胶凝

7、材料颗粒平均粒径 掺加了粉煤灰与矿粉等掺合材料的混凝土的抗氯离子渗透能力明显强于普通混凝土。即掺合材料的引入,明显地改善了混凝土的抗渗性能。如图2、图3所示,掺合料混凝土渗透高度比与抗氯离子扩散系数明显较普通混凝土小。从混凝土的抗渗透能力上来说,H4最好,H3次之,H2再次,但都强于H1胶凝材料仅为硅酸盐水泥的普通混凝土。 (3) 胶凝材料颗粒粒度分析 颗粒粒度分析表明,如图4所示,在混凝土粉料中,水泥颗粒粒径最大,磨细矿渣、粉煤灰次之,硅灰最小。 Rosin-Rammler分布的均匀性系数n就是粉料粒度分析的一个重要表征参数。n值越小,表明颗粒群体分布范围越广,大小颗粒相互搭配,其颗粒级配越

8、好。粉料的空隙率的大小也可以比较各粒径范围内的颗粒互相填充的效果,即空隙率越小级配越好。分析混凝土粉料的微级配,以比较各胶凝材料复合时的互相填充效果。分析结果如图5、6所示。 图5 粉料颗粒R-R分布均匀性系数 图6 粉料空隙率 从图5、6可以瞧出,H4的均匀性系数n值最小,H3、H2次之,H1最大;也就就是说相比较而言,水泥、矿渣、粉煤灰、硅灰等四种复合的胶凝材料的级配最为密实,水泥、矿渣、粉煤灰等三种复合的胶凝材料次之、水泥、矿渣等复合的胶凝材料次之,水泥最差。 根据上述试验结果,粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等多元矿物掺合材料在微集料效应复合、火山灰效应复合、形态效应复合以及界面效应交互复合

9、作用下,对混凝土综合性能有明显改善。复掺粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰四元复合胶凝材料的混凝土,其综合性能要优于复掺矿粉、粉煤灰的三元复合胶凝材料的混凝土,亦优于单掺矿粉的二元复合胶凝材料的混凝土。这说明只要比例控制适当,使得三种矿物掺合料交互复合达到正效应的最大化,协同水泥,形成四元复合胶凝体系,有助于混凝土良好微级配的形成,从而改善混凝土的宏观性能。 根据上海地区原材料的供应情况以及多元矿物掺合材料复合交互效应特点,并根据海工混凝土构件所处腐蚀环境的不同以及耐久性要求的不同,开发了高性能海工混凝土专用掺与材料型与型。高性能海工混凝土专用掺合料以矿渣微粉为主要原料,以粉煤灰、硅粉等活性矿物掺合材

10、料为辅掺材料,采用适度球磨混合工艺生产。两种型号掺与料的选材、配比与工艺控制参数有所区别,主要就是针对海工混凝土构件不同的耐用环境要求以及保护层等结构因素,通过掺合材料而对混凝土达到不同的改善效果。通过多批试验生产,确定了高性能海工混凝土专用掺合料的质量控制参数与企业标准,并取得产品发明专利。在东海大桥工程以及港区码头工程中得到应用。 三、高性能海工混凝土专用掺与料在混凝土中的应用 3、1 高性能海工混凝土专用掺合材料掺量范围的选择 图7表示将高性能海工混凝土专用掺合料以3080的比例替代水泥后,混凝土强度与电通量(28d)指标的变化。根据其变化趋势,可以瞧出,当高性能海工混凝土专用掺合材料掺

11、量比例在5070时,混凝土可在满足强度等级要求的条件下,耐腐蚀性能较好(小于1000C)。根据对型与I型高性能海工混凝土专用掺合材料的多次试配,发现两种专用掺合材料的合理掺量范围在5070之间。 图7 高性能海工混凝土专用掺合料掺量对混凝土性能的影响 3、2 高性能海工混凝土专用掺合料对混凝土的性能影响 试验中采用硅酸盐P52、5#水泥、高性能海工混凝土专用掺合料(包括型与型两种)、聚羧酸盐类LEX-9H减水剂, 5-25mm连续级配粗骨料,细度模数2、6中砂。 3.2.1试验用混凝土配合比 研究考察了C35与C50两系列高性能海工混凝土的性能,其编号分别为普通混凝土(基准组)的35J/50J

12、,掺型掺合料的35/50组,掺型掺合料的35/50组,混凝土配合比见表3。表3 混凝土配合比编号掺合料类型水胶比每立方砼中材料用量(kg/m3)水泥掺合料砂石外加剂35J基准组0、364、6350、36123、6350、36123、650J基准组0、32470064111394、23500、32394、23500、32394、23 注:35系列中掺合材料的掺量为70,50系列中掺合材料的掺量为60,外加剂掺量为胶凝材料质量的0、9。 3.2.2 新拌混凝土性能 试验结果见表4,结果表明高性能混凝土35、35I、50I、50的坍落度、粘聚性、保水性等方面性能比基准的普通混凝土好,而其中掺型坍落度

13、比I型小。这就是因为高性能海工专用掺合料本身具有一定的减水作用,同时由于其良好的颗粒组成,与水泥匹配后形成连续微级配,可改善新拌混凝土的性能。故其坍落度较大而粘聚性与保水性较好;型掺合料的比表面积较型大,且其中含有一定量的超细粉料,其需水量较型大,因此同水胶比与用水量时其坍落度较型稍小。表4 新拌混凝土性能编号坍落度(mm)粘聚性保水性坍落度经时损失(mm)30min60min90min120min35J165一般一般150120907035175良好良好17515013513035170良好良好17015013011050J160一般一般155120806050165良好良好16515014

14、011050160良好良好160145140110 3.2.3 混凝土抗压强度发展趋势表5 混凝土抗压强度发展趋势编号抗压强度(MPa)3d7d14d28d60d90d35J34、643、248、351、256、360、13526、933、838、946、652、660、33528、537、140、847、458、862、950J40、850、958、764、366、867、45031、342、553、263、467、570、25035、944、254、565、768、970、6 表5趋势说明了在标准养护条件下,相对普通混凝土(纯水泥混凝土)而言,掺有型与型高性能海工混凝土专用掺与料的高性能海

15、工混凝土的早期抗压强度较低,28天抗压强度则基本相当,而后期强度则较高,并且各龄期型高性能混凝土的抗压强度均大于型。 3.2.4混凝土其它力学性能表6 混凝土其它力学性能编号抗折强度(Mpa)劈拉强度(Mpa)轴压强度(Mpa)弹性模量(104MPa)35J8、04、336、63、00357、43、829、73、27357、94、027、23、3550J9、54、443、83、69508、93、936、83、65509、34、536、64、13 根据表6,大掺量有高性能海工混凝土专用掺合料的混凝土其常规力学性能与基准混凝土相当。 3.2.5 收缩变形性能 以35系列混凝土为例,比较高性能混凝土

16、与普通混凝土的收缩变形性能。如图8所示。图8 35系列混凝土收缩变形性能 可得出,较基准混凝土,高性能混凝土的收缩发展趋势基本相同,但其收缩量要小一些。极限收缩量为0、5E-3左右。 3.2.6混凝土的绝热温升变化趋势 绝热温升实验就就是在绝热条件下,直接测定混凝土水化过程中的温度变化与最高温升值。实验采用JR型混凝土绝热温升测定仪,实验结果见表7。表7:混凝土绝热温升试验结果编号绝热温升值()峰值时间(小时)50J74、2455065、5615067、453 根据表7,高性能海工混凝土在配制过程中大掺量引入活性矿物掺合材料,故其绝热温升峰值较基准混凝土有不同程度的降低,且峰值出现时间推迟。在

17、相同掺量条件下,型掺合料其绝热温升较型掺合料要高,峰值出现时间提前。故采用型高性能海工混凝土专用掺合料的混凝土可用于大体积混凝土的浇筑。 3.2.7 混凝土常规耐久性能 比较高性能混凝土与普通混凝土在抗碳化、抗渗与抗冻性能的不同,试验结果如表8。表 8 混凝土的碳化、渗透与抗冻性能编号碳化深度(mm)渗透高度(mm)抗冻(冻融循环100次)碳化深度(mm)碳化后混凝土强度损失()最大渗水压力(MPa)渗水高度(mm)质量损失()相对动弹性模量损失()35J0、300、632、526、30、98、1350、160、422、57、10、66、9350、160、462、56、50、67、250J0、

18、250、502、520、50、77、2500、170、382、56、60、56、8500、140、372、55、40、46、4 表中数据表明,高性能混凝土的抗碳化、抗渗与抗冻性能均较基准混凝土有不同程度的提高,尤其就是高性能混凝土抗渗能力的改善十分明显,说明较基准混凝土,高性能混凝土的内部孔隙结构得以致密或曲化,使得渗透通路阻塞或延长。 为对比掺有与型掺合料的高性能海工混凝土与纯水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能与抵抗碱骨料反应性能, 同时进行了复合胶凝体系与纯水泥体系的抗蚀系数与碱骨料反应试验。 表9结果表明,将高性能海工混凝土专用掺合料引入纯水泥胶凝体系后,其抗硫酸盐、抑制碱骨料反应的能力有明显

19、改善。表 9混凝土胶凝材料抗硫酸盐、抑制碱骨料反应的性能编 号抗蚀系数碱骨料反应纯硅酸盐水泥(100)0、920、2纯硅酸盐水泥(40)型掺合料(60)1、250、05纯硅酸盐水泥(40)型掺合料(60)1、120、03 3.2.8混凝土抗Cl-渗透性能研究 3.2.8、1混凝土电通量、表观氯离子扩散系数试验表10 混凝土电通量、表观氯离子扩散系数测试结果编号电通量(C)表观Cl-扩散系数Da(E-12m2/s)备注35J12634、85此中Da值为浸泡90天时的测试值358261、28357411、1050J11124、26507501、15506370、95 试验结果表明,掺有海工专用掺与

20、料的混凝土电通量均小于1000C,且系列较系列小,但均比基准混凝土组小。这说明高性能海工混凝土的抗氯离子渗透性能比普通混凝土有极大提高,型高性能海工混凝土专用掺合料对于混凝土抗氯离子渗透性能的改善程度较型掺合料高。90天表观氯离子扩散系数的测试结果也与电通量试验结果有相类似的趋势。 3.2.8、2恒电压钢筋快速锈蚀试验 恒电压锈蚀快速试验可对混凝土阻止其内部钢筋锈蚀的能力作以定性描述。与用混凝土氯离子扩散系数来间接计算混凝土的耐用寿命不同,该试验定量反映了高性能混凝土在快速试验条件下,其寿命相对于基准混凝土的变化。如图9所示,掺有型与型高性能海工混凝土专用掺合料的混凝土破坏时间就是基准混凝土的

21、1、52、0倍左右,假设基准混凝土的一般寿命为50年,则高性能海工混凝土的寿命可达100年左右。 图9 混凝土钢筋锈蚀快速试验结果 四、结论 4、1粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等矿物掺合料的复合引入就是实现高性能混凝土的有效途径之一。多元复合胶凝材料对混凝土性能的改善与其在混凝土中形成良好微级配,微集料效应、形态效应、界面效应、火山灰效应等复合交互迭加有关。合理控制各种矿物掺合料的物理性能与掺量比例等参数,可最大化发挥多元胶凝材料的复合效应,改善混凝土的综合性能。 4、2 高性能海工混凝土专用掺合料基于各种矿物掺合材料的交互叠加效应,通过各种矿物掺合材料的合理匹配,以特殊工艺形成的可满足高性能海工混凝土配制的矿物外掺材料,对新拌混凝土性能,混凝土的物理力学性能,混凝土温升,混凝土抑制碱骨料反应等具有改善效果。尤其对混凝土耐久性能,抗氯离子侵蚀性能等有显著的增益效果。