礦物摻合材料在高性能海工混凝土中的應(yīng)用
上海為了建設(shè)全國(guó)乃至世界的物流中心和開(kāi)發(fā)海洋自然資源,海洋工程的發(fā)展十分迅速。作為世人矚目的工程,深水港項(xiàng)目對(duì)上海經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展將起到十分重要的拉動(dòng)作用。而作為上海深水港重要組成之一的東海大橋南起浙江崎嶇列島小洋山島的深水港區(qū),北至上海南匯蘆潮港的海港新城,跨越杭州灣北部海域,全長(zhǎng)31公里,是我國(guó)較為罕見(jiàn)的大型海洋工程。由于東海大橋是連接港區(qū)和大陸的集裝箱物流輸送動(dòng)脈,對(duì)上海深水港的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到不可或缺的支撐保障作用,因此在國(guó)內(nèi)首次采用100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。為了保證大橋混凝土在海洋嚴(yán)酷的環(huán)境中有較高的耐用壽命,采用了高性能混凝土技術(shù)方案。
高性能海工混凝土即針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中的使用特點(diǎn),通過(guò)合理的配制技術(shù),形成耐久性能、施工性能、物理力學(xué)性能以及相關(guān)性能俱佳的混凝土材料。高性能海工混凝土的突出特點(diǎn)表現(xiàn)在其高耐久和耐腐蝕性能,尤其是混凝土抵抗氯離子侵蝕的性能方面。
高性能海工混凝土與普通混凝土在原材料、配合比以及生產(chǎn)和施工工藝等方面有所差別。具體表現(xiàn)在,(1)高性能海工混凝土膠凝材料的原材料除水泥外,還要摻用至少一種礦物細(xì)摻料,并保證一定的膠凝材料用量,從而使得混凝土微結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化,孔隙結(jié)構(gòu)得以改善。(2)高性能海工混凝土通過(guò)高性能混凝土減水劑的合理使用,降低混凝土單方用水量,有利于形成混凝土致密結(jié)構(gòu)。(3)高性能海工混凝土在保證其良好的施工性能和物理力學(xué)性能的同時(shí),最大化地提高其耐久性能,尤其是抵抗海洋環(huán)境中的氯離子侵蝕作用。
本文根據(jù)課題組在深水港東海大橋高性能海工混凝土技術(shù)的研制結(jié)論,著重分析礦物摻和材料在其中的應(yīng)用。
二、 高性能海工混凝土專用摻和料的研究開(kāi)發(fā)
2.1 原材料及試驗(yàn)
細(xì)度
80um
篩余量% |
初凝
時(shí)間
(min) |
終凝
時(shí)間(min) |
安
定
性 |
抗壓強(qiáng)度(MPa) |
抗折強(qiáng)度(MPa) |
密度
g/cm3 |
標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量
%
|
比表面積m2/kg | ||
3d |
28d |
3d |
7d | |||||||
1.4 |
90 |
135 |
合格 |
46.2 |
74.0 |
7.6 |
11.0 |
3.12 |
26.2 |
383 |
化學(xué)成分
膠凝材料 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Na2O |
K2O |
SO3 |
H牌525#水泥 |
20.40 |
5.25 |
3.38 |
64.1 |
1.28 |
0.06 |
0.64 |
2.88 |
礦渣 |
32.81 |
14.10 |
2.88 |
2.55 |
1.07 |
- |
- |
0.55 |
粉煤灰 |
48.70 |
27.60 |
7.90 |
1.50 |
1.50 |
1.70 |
3.40 |
0.80 |
硅灰 |
91.10 |
1.33 |
3.68 |
0.33 |
1.44 |
0.55 |
1.51 |
0.28 |
圖1混凝土立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)
圖2 混凝土滲透高度比
圖4 膠凝材料顆粒平均粒徑
摻加了粉煤灰和礦粉等摻合材料的混凝土的抗氯離子滲透能力明顯強(qiáng)于普通混凝土。即摻合材料的引入,明顯地改善了混凝土的抗?jié)B性能。如圖2、圖3所示,摻合料混凝土滲透高度比和抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯較普通混凝土小。從混凝土的抗?jié)B透能力上來(lái)說(shuō),H4最好,H3次之,H2再次,但都強(qiáng)于H1膠凝材料僅為硅酸鹽水泥的普通混凝土。
(3) 膠凝材料顆粒粒度分析
Rosin-Rammler分布的均勻性系數(shù)n是粉料粒度分析的一個(gè)重要表征參數(shù)。n值越小,表明顆粒群體分布范圍越廣,大小顆粒相互搭配,其顆粒級(jí)配越好。粉料的空隙率的大小也可以比較各粒徑范圍內(nèi)的顆?;ハ嗵畛涞男Ч纯障堵试叫〖?jí)配越好。分析混凝土粉料的微級(jí)配,以比較各膠凝材料復(fù)合時(shí)的互相填充效果。分析結(jié)果如圖5、6所示。
圖6 粉料空隙率
從圖5、6可以看出,H4的均勻性系數(shù)n值最小,H3、H2次之,H1最大;也就是說(shuō)相比較而言,水泥、礦渣、粉煤灰、硅灰等四種復(fù)合的膠凝材料的級(jí)配最為密實(shí),水泥、礦渣、粉煤灰等三種復(fù)合的膠凝材料次之、水泥、礦渣等復(fù)合的膠凝材料次之,水泥最差。
根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,?;郀t礦渣、粉煤灰、硅灰等多元礦物摻合材料在微集料效應(yīng)復(fù)合、火山灰效應(yīng)復(fù)合、形態(tài)效應(yīng)復(fù)合以及界面效應(yīng)交互復(fù)合作用下,對(duì)混凝土綜合性能有明顯改善。復(fù)摻?;郀t礦渣、粉煤灰、硅灰四元復(fù)合膠凝材料的混凝土,其綜合性能要優(yōu)于復(fù)摻礦粉、粉煤灰的三元復(fù)合膠凝材料的混凝土,亦優(yōu)于單摻礦粉的二元復(fù)合膠凝材料的混凝土。這說(shuō)明只要比例控制適當(dāng),使得三種礦物摻合料交互復(fù)合達(dá)到正效應(yīng)的最大化,協(xié)同水泥,形成四元復(fù)合膠凝體系,有助于混凝土良好微級(jí)配的形成,從而改善混凝土的宏觀性能。
根據(jù)上海地區(qū)原材料的供應(yīng)情況以及多元礦物摻合材料復(fù)合交互效應(yīng)特點(diǎn),并根據(jù)海工混凝土構(gòu)件所處腐蝕環(huán)境的不同以及耐久性要求的不同,開(kāi)發(fā)了高性能海工混凝土專用摻和材料Ⅰ型和Ⅱ型。高性能海工混凝土專用摻合料以礦渣微粉為主要原料,以粉煤灰、硅粉等活性礦物摻合材料為輔摻材料,采用適度球磨混合工藝生產(chǎn)。兩種型號(hào)摻和料的選材、配比和工藝控制參數(shù)有所區(qū)別,主要是針對(duì)海工混凝土構(gòu)件不同的耐用環(huán)境要求以及保護(hù)層等結(jié)構(gòu)因素,通過(guò)摻合材料而對(duì)混凝土達(dá)到不同的改善效果。通過(guò)多批試驗(yàn)生產(chǎn),確定了高性能海工混凝土專用摻合料的質(zhì)量控制參數(shù)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并取得產(chǎn)品發(fā)明專利。在東海大橋工程以及港區(qū)碼頭工程中得到應(yīng)用。
圖7 高性能海工混凝土專用摻合料摻量對(duì)混凝土性能的影響
3.2.1試驗(yàn)用混凝土配合比
編號(hào) |
摻合料類型 |
水膠比 |
每立方砼中材料用量(kg/m3) | ||||
水泥 |
摻合料 |
砂 |
石 |
外加劑 | |||
35J |
基準(zhǔn)組 |
0.36 |
400 |
0 |
686 |
1168 |
3.6 |
35Ⅰ |
Ⅰ |
0.36 |
120 |
280 |
668 |
1188 |
3.6 |
35Ⅱ |
Ⅱ |
0.36 |
120 |
280 |
668 |
1188 |
3.6 |
50J |
基準(zhǔn)組 |
0.32 |
470 |
0 |
641 |
1139 |
4.23 |
50Ⅰ |
Ⅰ |
0.32 |
188 |
282 |
641 |
1139 |
4.23 |
50Ⅱ |
Ⅱ |
0.32 |
188 |
282 |
641 |
1139 |
4.23 |
3.2.2 新拌混凝土性能
編號(hào) |
坍落度(mm) |
粘聚性 |
保水性 |
坍落度經(jīng)時(shí)損失(mm) | |||
30min |
60min |
90min |
120min | ||||
|
165 |
一般 |
一般 |
150 |
120 |
90 |
70 |
35Ⅰ |
175 |
良好 |
良好 |
175 |
150 |
135 |
130 |
35Ⅱ |
170 |
良好 |
良好 |
170 |
150 |
130 |
110 |
50J |
160 |
一般 |
一般 |
155 |
120 |
80 |
60 |
50Ⅰ |
165 |
良好 |
良好 |
165 |
150 |
140 |
110 |
50Ⅱ |
160 |
良好 |
良好 |
160 |
145 |
140 |
110 |
編號(hào) |
抗壓強(qiáng)度(MPa) | |||||
3d |
7d |
14d |
28d |
60d |
90d | |
35J |
34.6 |
43.2 |
48.3 |
51.2 |
56.3 |
60.1 |
35Ⅰ |
26.9 |
33.8 |
38.9 |
46.6 |
52.6 |
60.3 |
35Ⅱ |
28.5 |
37.1 |
40.8 |
47.4 |
58.8 |
62.9 |
50J |
40.8 |
50.9 |
58.7 |
64.3 |
66.8 |
67.4 |
50Ⅰ |
31.3 |
42.5 |
53.2 |
63.4 |
67.5 |
70.2 |
50Ⅱ |
35.9 |
44.2 |
54.5 |
65.7 |
68.9 |
70.6 |
表5趨勢(shì)說(shuō)明了在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,相對(duì)普通混凝土(純水泥混凝土)而言,摻有Ⅰ型和Ⅱ型高性能海工混凝土專用摻和料的高性能海工混凝土的早期抗壓強(qiáng)度較低,28天抗壓強(qiáng)度則基本相當(dāng),而后期強(qiáng)度則較高,并且各齡期Ⅱ型高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度均大于Ⅰ型。
3.2.4混凝土其它力學(xué)性能
編號(hào) |
抗折強(qiáng)度(Mpa) |
劈拉強(qiáng)度(Mpa) |
軸壓強(qiáng)度(Mpa) |
彈性模量(104MPa) |
35J |
8.0 |
4.3 |
36.6 |
3.00 |
35Ⅰ |
7.4 |
3.8 |
29.7 |
3.27 |
35Ⅱ |
7.9 |
4.0 |
27.2 |
3.35 |
50J |
9.5 |
4.4 |
43.8 |
3.69 |
50Ⅰ |
8.9 |
3.9 |
36.8 |
3.65 |
50Ⅱ |
9.3 |
4.5 |
36.6 |
4.13 |
3.2.5 收縮變形性能
圖8 35系列混凝土收縮變形性能
3.2.6混凝土的絕熱溫升變化趨勢(shì)
表7:混凝土絕熱溫升試驗(yàn)結(jié)果
編號(hào) |
絕熱溫升值(℃) |
峰值時(shí)間(小時(shí)) |
50J |
74.2 |
45 |
50Ⅰ |
65.5 |
61 |
50Ⅱ |
67.4 |
53 |
根據(jù)表7,高性能海工混凝土在配制過(guò)程中大摻量引入活性礦物摻合材料,故其絕熱溫升峰值較基準(zhǔn)混凝土有不同程度的降低,且峰值出現(xiàn)時(shí)間推遲。在相同摻量條件下,Ⅱ型摻合料其絕熱溫升較Ⅰ型摻合料要高,峰值出現(xiàn)時(shí)間提前。故采用Ⅰ型高性能海工混凝土專用摻合料的混凝土可用于大體積混凝土的澆筑。
3.2.7 混凝土常規(guī)耐久性能
編號(hào) |
碳化深度(mm) |
滲透高度(mm) |
抗凍(凍融循環(huán)100次) | |||
碳化深度
(mm) |
碳化后混凝土強(qiáng)度損失(%) |
最大滲水壓力(MPa) |
滲水高度
(mm) |
質(zhì)量損失
(%) |
相對(duì)動(dòng)彈性模量損失(%) | |
35J |
0.30 |
0.63 |
2.5 |
26.3 |
0.9 |
8.1 |
35Ⅰ |
0.16 |
0.42 |
2.5 |
7.1 |
0.6 |
6.9 |
35Ⅱ |
0.16 |
0.46 |
2.5 |
6.5 |
0.6 |
7.2 |
50J |
0.25 |
0.50 |
2.5 |
20.5 |
0.7 |
7.2 |
50Ⅰ |
0.17 |
0.38 |
2.5 |
6.6 |
0.5 |
6.8 |
50Ⅱ |
0.14 |
0.37 |
2.5 |
5.4 |
0.4 |
6.4 |
表中數(shù)據(jù)表明,高性能混凝土的抗碳化、抗?jié)B和抗凍性能均較基準(zhǔn)混凝土有不同程度的提高,尤其是高性能混凝土抗?jié)B能力的改善十分明顯,說(shuō)明較基準(zhǔn)混凝土,高性能混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得以致密或曲化,使得滲透通路阻塞或延長(zhǎng)。
為對(duì)比摻有Ⅰ和Ⅱ型摻合料的高性能海工混凝土與純水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能和抵抗堿骨料反應(yīng)性能, 同時(shí)進(jìn)行了復(fù)合膠凝體系與純水泥體系的抗蝕系數(shù)和堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)。 表9結(jié)果表明,將高性能海工混凝土專用摻合料引入純水泥膠凝體系后,其抗硫酸鹽、抑制堿骨料反應(yīng)的能力有明顯改善。
編 號(hào) |
抗蝕系數(shù) |
堿骨料反應(yīng) |
純硅酸鹽水泥(100%) |
0.92 |
0.2 |
純硅酸鹽水泥(40%)+Ⅰ型摻合料(60%) |
1.25 |
0.05 |
純硅酸鹽水泥(40%)+Ⅱ型摻合料(60%) |
1.12 |
0.03 |
3.2.8混凝土抗Cl-滲透性能研究
編號(hào) |
電通量(C) |
表觀Cl-擴(kuò)散系數(shù)Da(E-12m2/s) |
備注 |
35J |
1263 |
4.85 |
此中Da值為浸泡90天時(shí)的測(cè)試值 |
35Ⅰ |
826 |
1.28 | |
35Ⅱ |
741 |
1.10 | |
50J |
1112 |
4.26 | |
50Ⅰ |
750 |
1.15 | |
50Ⅱ |
637 |
0.95 |
試驗(yàn)結(jié)果表明,摻有海工專用摻和料的混凝土電通量均小于1000C,且Ⅱ系列較Ⅰ系列小,但均比基準(zhǔn)混凝土組小。這說(shuō)明高性能海工混凝土的抗氯離子滲透性能比普通混凝土有極大提高,Ⅱ型高性能海工混凝土專用摻合料對(duì)于混凝土抗氯離子滲透性能的改善程度較Ⅰ型摻合料高。90天表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試結(jié)果也與電通量試驗(yàn)結(jié)果有相類似的趨勢(shì)。
3.2.8.2恒電壓鋼筋快速銹蝕試驗(yàn)
四、結(jié)論
4.2 高性能海工混凝土專用摻合料基于各種礦物摻合材料的交互疊加效應(yīng),通過(guò)各種礦物摻合材料的合理匹配,以特殊工藝形成的可滿足高性能海工混凝土配制的礦物外摻材料,對(duì)新拌混凝土性能,混凝土的物理力學(xué)性能,混凝土溫升,混凝土抑制堿骨料反應(yīng)等具有改善效果。尤其對(duì)混凝土耐久性能,抗氯離子侵蝕性能等有顯著的增益效果。
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