某码头C40大体积海工混凝土的制备及试验研究

杨琼辉，黄辉，向佳瑜，冷政，林超

（1.中建西部建设湖南有限公司，湖南　长沙　410000；2.92304部队，海南　572018）

某码头C40大体积海工混凝土的制备及试验研究

杨琼辉1，黄辉1，向佳瑜1，冷政1，林超2

（1.中建西部建设湖南有限公司，湖南长沙410000；2.92304部队，海南572018）

本文采用矿渣水泥、普硅水泥、粉煤灰和矿粉制备某码头 C40大体积海工混凝土。通过改变胶凝材料比例、水胶比来考察其对混凝土性能的影响，借助扫描电子显微镜和压汞仪分别分析了试样微观形貌及孔径分布，得出矿渣水泥和普硅水泥试样相关耐久性的差异，最后通过优选原材料、优化配合比和采用保温保湿养护等措施制得大体积海工混凝土实体模型。研究表明：矿渣水泥试样比普硅水泥试样拥有更突出的抗硫酸盐侵蚀性能，经历干湿循环150次后，矿渣水泥试样抗蚀系数保持在95左右，而普硅水泥试样抗蚀系数约为80；普硅水泥试样抗氯离子渗透性能较好，整体孔径分布趋于细化，有害孔比例较小。所有试样6h 总电通量低于1000C，达到Ⅰ类抗渗标准。大体积实体模型未出现明显裂缝，无砂斑、砂线等缺陷，表观质量良好。

海工混凝土；大体积；硫酸盐侵蚀；氯离子渗透；实体模型

0　引言

随着海洋经济的迅速发展，开发海洋空间的进程加速，海洋混凝土结构工程，如防浪堤、码头、海上空港、钻井平台、海底隧道和跨海大桥等应用愈来愈广泛。由于海水长期浸泡、硫酸盐侵蚀、氯离子渗透和干湿循环等因素的作用，严重危害着海洋混凝土结构工程长期有效安全运行，因此，大体积海工混凝土的制备技术及耐久性问题也愈来愈受到重视。

某大体积海工混凝土码头工程位于海南省某市，主要由重力式大体积实心方块、卸荷板等结构组成，设计使用年限100年以上。方块、卸荷板通过预制方式生产，工期紧张，要求浇筑完毕后12h 可以拆模，5d 可以吊装，因此对混凝土早期强度要求较高，且实体不允许出现有害裂缝。同时，要求所有试样电通量抗渗测试达到Ⅰ类标准，抗硫酸盐等级达到相应的环境和使用年限的要求。针对本工程的特殊要求和高温高湿的环境条件，本文通过优选原材料，精品化骨料，优化配合比设计，控制矿物掺合料和外加剂掺量等措施，制备出工作性能良好的混凝土。在此基础上研究其抗硫酸盐侵蚀和抗氯离子渗透等方面的耐久性能，采用扫描电子显微镜（SEM）和压汞仪分别分析了试样微观形貌及孔径分布，以期阐明相关机理。成型大体积方块实体模型，通过合理的养护方式，观测其实体状况和施工可行性，为该码头大体积混凝土的应用提供理论参考。

1　试验部分

1.1原材料及配比

试验所用普硅水泥、矿渣水泥、粉煤灰和矿粉等胶凝材料的化学成分如表1所示，水泥由华润红水河（上思）有限公司生产，均为42.5等级；石子为5～25mm 连续级配碎石；黄砂为中砂，细度模数2.8，含泥量2.2%；粉煤灰采用海口火电厂 Ⅱ 级粉煤灰，细度19.0%，需水量比98.5%；矿粉采用张家港恒昌 S95级，比表面积440m2/kg，28d 活性指数109%；外加剂采用湖南湘鑫公司生产的 HPC-S-5聚羧酸高性能减水剂，减水率20%。通过改变胶凝材料比例和水胶比制备六种编号混凝土，试样编号1～3采用矿渣水泥，试样编号4～6采用普硅水泥，相关配比如表2所示。将原材料拌合，观察并测试相关工作性能指标。然后振捣成型试块，放在标准条件下养护，分别跟踪测试7d、28d 抗压强度，测试结果如表2所示。

表1　主要胶凝材料的化学成分　wt, %

表2　混凝土配合比及抗压强度　kg/m3

1.2测试方法

将养护至28d 后的混凝土试件进行耐久性测试。硫酸盐侵蚀和氯离子渗透均参照 GB/T50082－2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行试验。试验中设计抗硫酸盐等级为 KS120，在干湿循环30次、60次、90次、120次和150次时观察试样侵蚀情况并测试试样抗压强度得出抗压强度抗蚀系数。试样的抗压强度抗蚀系数按式（1）进行计算。

式中：Kf——抗压强度抗蚀系数；

fcn——N 次循环后试样抗压强度测定值；

fc0——同龄期标准养护试样强度测定值。

采用 S-3500N 型 SEM 进行试样形貌分析；氯离子渗透采用电通量法，取3个试样电通量算术平均值作为该组试样电通量测定值；采用 AutoPoreIV9500V1.09全自动压汞仪测定混凝土孔径分布情况。

2　试验结果与讨论

2.1硫酸盐侵蚀试验

按照试验要求测试并计算试样1～6各自抗蚀系数，试验结果如图1所示。试样浸泡在5% 的 NaSO4溶液中，抗蚀系数基本呈现出先增大后降低的趋势。在试验初期试样抗压强度在缓慢增长，但随着侵蚀介质在混凝土内部的迁移，侵蚀介质与水泥浆体的组分发生离子交换反应，生成易溶解或没有胶结能力的产物，同时水泥水化产物与 SO42-反应生成钙矾石和石膏，伴随着体积膨胀引起混凝土开裂，破坏浆体结构[1-2]，导致抗压强度降低。从图1、表3可以看出，矿渣水泥试样1～3比普硅水泥试样4～6具有更好的抗硫酸盐侵蚀的性能，经历干湿循环150次后，矿渣水泥试样抗蚀系数保持在0.95左右，而相同条件下普硅水泥试样抗蚀系数在0.80左右，表明矿渣水泥试样1～3抗硫酸盐侵蚀性能较好。相同条件下，水胶比对试样的抗蚀系数也有很大的影响，试样2、试样5水胶比为0.3，抗蚀系数分别大于水胶比为0.35的试样1、试样4，较大的水胶比试样水化后留下更多的孔洞，使水泥浆体不够密实，更容易受到侵蚀介质的破坏。试样3、试样6分别比试样1、试样4掺入更多的掺合料，其抗硫酸盐侵蚀能力相对较好，尤其经历干湿循环100次以上效果更为突出。

图1　混凝土抗蚀系数经时变化结果

表3　混凝土不同龄期抗蚀系数经时变化结果

图2反映的是试样1和试样4养护90d 后形貌图。从图2中可以看出，试样1水化浆体存在大量的细针状或柱棒状钙矾石晶体，并与纤维状的水化硅酸钙凝胶彼此间交叉、连生在一起，共同构成浆体的骨架，为试样提供强度保证。矿粉和粉煤灰的掺入使不同尺寸、不同形状的颗粒在浆体中分散存在，级配更加合理，使孔径和孔隙连通度降低，能够有效阻碍外部 SO42-进入水泥基材料内部，提高抗硫酸盐侵蚀性能[3]。从试样1形貌图中可以明显看到片状矿渣颗粒被周围水化硅酸钙凝胶包围，以及与部分残缺氢氧化钙晶体紧密结合的形态特征，这说明体系中的活性 SiO2及 Al2O3组分与氢氧化钙发生了火山灰反应，而且矿渣水泥中加入了矿渣取代了水泥熟料，从而减少了易被侵蚀成分氢氧化钙和铝酸三钙的含量[4-5]。相比之下试样4形貌图中可以看到六方板状氢氧化钙晶体，火山灰反应不够充分，因而试样1比试样4拥有更好的抗硫酸盐侵蚀能力。

图2　混凝土试样 SEM 形貌图

2.2氯离子渗透试验
按照试验要求测试六组混凝土试样电通量，结果如图3所示。

图3　混凝土电通量测试结果

从图3可以看出，试样2、试样5电通量小于试样1、试样4，说明随着试样水胶比增加，试样电通量增大。试验中各试样6h 总电通量都低于1000C，均有较好的抗氯离子渗透性能，达到Ⅰ类标准。水泥品种对试样抗渗性影响较大，相比之下普硅水泥试样4～6比矿渣水泥试样1～3拥有更突出的抗氯离子渗透性能。矿渣颗粒疏松多孔，呈尖锐的异形，水泥浆体不易包裹[5]，因而普硅水泥试样抗氯离子渗透性能较好。同理可知，掺入大量矿物掺合料的试样3、试样6电通量值分别高于试样1、试样4。

试样的抗氯离子渗透性主要取决于其内部结构的密实性，与对应浆体内部孔径分布密切相关。为探索试样抗氯离子渗透性的差异，通过压汞试验测定了试样1和试样4的孔隙率、孔径分布情况，结果如图4、表4所示。混凝土孔尺寸分布可分为四个范围：凝胶微孔(＜4.5nm)，间隙孔(4.5～50nm)，中等毛细管孔(50～100nm)，粗毛细管孔(＞100nm)。大于50nm 的毛细孔常被看作宏观孔，对强度、渗透性影响较大，小于50nm 的毛细孔被看作微观孔，对干缩和徐变具有重要影响[4-6]。从图4可以看出，试样1孔隙率和平均孔径都高于试样4，试样1中大于50nm 的中等毛细管孔和粗毛细管孔含量较高。而试样4含有大量的间隙孔，大孔比例降低，小孔比例增大，孔径分布更加合理，因而其抗氯离子渗透性较好，电通量更低。

图4　试样孔结构分析

表4　试样孔结构分析

3　工程实体模型

根据以上试验结论可知，通过优化普硅水泥混凝土的胶凝材料组成，水胶比及骨料后能够满足该工程抗氯离子渗透和抗硫酸盐侵蚀的性能，并综合考虑强度发展情况，故采用编号5的配比进行试验段浇筑。大体积实体模型尺寸为7m×6m×3.5m，采用履带机直卸连续浇筑成型，浇筑至150cm 厚布一层冷却水管，间距50cm，充入循环冷却水。中心及侧表面埋设测温线。从模板四周向中心摊铺混凝土，采用插入式振动棒按50cm 的分层厚度进行振捣，不漏振不过振。初凝后至终凝前采取二次振捣，并进行了人工光面直至终凝。浇注完终凝后，表面进行洒水养护。12小时后拆模，拆模后采取土工布+薄膜+土工布的养护方式进行保温保湿[7]，通冷却水养护5d。实体试验结果表明，材料优选、配合比优化和保温保湿养护措施均取得了良好的效果，实体试验块中心温度峰值出现时间点在浇注完后第42小时，中心最高温度68.3℃，内表温差均在25℃ 以内。本次实体模型混凝土均未出现明显裂缝，无砂斑、砂线等缺陷，表观质量良好（如图5所示），达到设计的要求。

图5　某工程大体积混凝土实体模型

4　结论

（1）试验中矿渣水泥试样比普硅水泥试样具有更好的抗硫酸盐侵蚀的性能。经历干湿循环150次后，矿渣水泥试样抗蚀系数保持在0.95左右，而相同条件下普硅水泥试样抗蚀系数约为0.80。试样抗蚀系数呈现出先增大后降低的趋势，随着SO4

2-在试样内部的迁移，固相组分逐渐溶解，并生成钙矾石和石膏伴随体积膨胀引起试样开裂，导致抗压强度降低。

（2）试验中普硅水泥试样比矿渣水泥试样具有更好的抗氯离子渗透性能。压汞试验显示普硅水泥试样平均孔径比矿渣水泥试样小37.1%，仅为8.80nm。普硅水泥试样整体孔分布趋于细化，有害孔比例较小。试样6h 总电通量都低于1000C，达到Ⅰ类抗渗标准，满足该工程抗渗要求。水胶比对试样抗氯离子渗透性影响较大，在条件允许情况下尽量选用低水胶比。

（3）力学试验结果表明，试样1～6基本满足强度要求，尤其普硅水泥试样28d 达到设计强度要求，并有一定的富余。通过原材料优选、配合比优化和保温保湿养护措施制得大体积试验模型，未出现明显裂缝，无砂斑、砂线等缺陷，表观质量良好，满足设计要求。

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［通讯地址］ 湖南省长沙市天心区芙蓉南路西湖村（410000）

杨琼辉，男，高级工程师，主要研究方向：混凝土裂缝防治及耐久性分析、高性能混凝土设计。