1、海工混凝土耐久性设计及应用摘要：本文以跨海大桥工程所用的高性能海工混凝土为对象，对掺矿渣、粉煤灰及不同掺量的外加剂时海工混凝土的力学性能及其耐久性的影响进行了系统的研究。 关键词：海工混凝土;粉煤灰;磨细矿渣;外加剂;抗氯离子渗透 Abstract: High performance concrete in the project of sea-crossing bridge as the object, affecting the mechanical properties of marine concrete and durability of admixture of slag, fly
2、 ash and different content of the time were studied. Key words: marine concrete; fly ash; slag; additive; resistance to chloride ion penetration 中图分类号: C913.32 文献标识码 A 文章编号 1、混凝土结构在海洋环境下的腐蚀机理 影响混凝土结构使用寿命的荷载分为两大类。第一类是物理外力；第二类主要是化学或物理化学作用力。 1.1 钢筋锈蚀 钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。大量研究表明，钢筋锈蚀有三个必要条件： 1）钢筋钝化膜被破坏； 2）
3、足够低的电阻率，使得电解液腐蚀电池形成； 3）有足够的水分和氧气通过混凝土保护层到达钢筋表面。 1.2 氯离子引起钢筋锈蚀 1）由于氯离子半径相对很小，电负性强，因而其吸附性和扩散穿透力强。一般氯离子引起的钢筋锈蚀有以下四个阶段：破坏钝化膜；形成腐蚀电池；氯离子的去极化作用；氯离子的导电作用。 2）氯离子在混凝土中的迁移过程 氯离子可以通过以下途径进入混凝土：a)作为混凝土的组成部分，b)通过扩散作用，c)在干湿条件下通过毛细管吸入，d)在水压力的作用下渗透。在迁移过程中会有一部分的氯离子会被混凝土中的胶凝材料的水化相消耗或者固结，降低了氯离子的迁移速率；特别是对于掺有矿渣，粉煤灰和硅灰等活性
4、矿物掺合料的复合胶凝材料体系，其降低程度更大。 1.3 碳化作用导致的钢筋锈蚀 混凝土孔隙中充满着水泥水化时产生的 Ca(OH)2 过饱和溶液，混凝土具有很强的碱度，pH 值一般均在 12.5 以上。钢筋在碱性很强的环境下，表面沉积一层致密的碱性钝化膜而处于惰性状态，保护钢筋。但是。当外界酸性物质侵入并与 Ca(OH)2 作用时，混凝土的碱度下降，当混凝土pH 值降低到 11.5 以下时，钝化膜开始破坏，从而失去保护钢筋的作用，若空气和水分进入，钢筋便开始锈蚀。 1.4 混凝土碳化作用的机理 混凝土的碳化，是指大气中的 CO2 与混凝土中的 Ca(OH)2 起化学反应，生成中性的 CaCO3.
5、混凝土碳化的影响因素： 1）大气中 CO2 的浓度，其他条件不变的情况下，环境中 CO2 的浓度越高，则碳化深度越大。 2)碳化速度与湿度，混凝土在较干燥的条件下比在潮湿的条件下碳化速度更快。 3）温度与碳化速度，温度提高，CO2 在混凝土中的扩散系数增大，从而加快碳化速度。 1.5 盐腐蚀 绝大部分硫酸盐对混凝土都有显著的侵蚀作用。第一类是膨胀破坏。第二类是溶蚀。 1.6 碱-骨料反应作用 碱-骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材料和水中的碱与骨料的活性成分在混凝土浇筑成型后若干年逐渐反应，反应生成物吸水膨胀使得混凝土产生内部应力，膨胀开裂，导致混凝土失去设计性能的过程。 二、原材
6、料的选择、及优化 2.1 水泥 本工程要求采用强度等级为 42.5 级的质量符合国家标准 GB 175-1999 的型硅酸盐水泥（P） 。不得使用立窑水泥和早强、水化热较高、C3A 含量超过 10%的水泥。所用水泥的氯离子含量应低于 0.03%。 2.2 粉煤灰 混凝土的优质粉煤灰掺合料须采用 I 级粉煤灰，且来自燃煤工艺先进的电厂，选用组分均匀各项性能指标稳定的低钙灰，而且粉煤灰的烧失量不大于 8%，45m 筛余小于 16%，需水量比不大于 100%，氯离子含量小于 0.02%，三氧化硫含量不大于 2%。 2.3 高炉矿渣粉 对于海工耐久混凝土，宜将矿渣作为胶凝材料的组成部分。掺合料的磨细高
7、炉矿渣的比表面积宜控制在 360-440m2/Kg；需水量比不大于100%；烧失量不大于 3%。 2.4 硅灰 硅灰使用必须进行相关试验，保证混凝土各种性能满足有关规范、标准和设计图纸要求。 2.5 细集料 （1）细集料不得使用海砂和人工砂，应选用颗粒坚硬、强度高、耐风化的天然砂，云母含量小于 2%。砂中氯离子含量不大于 0.02%，含泥量不大于 2.0%，泥块含量不大于 0.5%。 （2）不得使用细沙，在混凝土配制时应同时考虑砂的细度模数和级配情况，泵送混凝土用砂宜选用中砂。 2.6 粗集料 （1）粗集料选用坚硬卵石、砾石或碎石。压碎指标值不大于 12%，针片状颗粒含量不大于 10%，硫化物
8、及硫酸盐含量（按 SO3 质量计）小于 0.5%，堆积密度一般大于 1500Kg/m3，对较密实的石子如石灰岩应大于 1600 Kg/m3 。 （2）进行粗集料供应源选择时，应进行岩石的抗压强度检验。岩石的抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于 2。 2.7 拌合用水及养护用水 拌合用水中不应含有影响水泥正常凝结时间与硬化的有害杂质及油脂、糖类、游离酸类、碱、盐、有机质或其它有害物质。不得采用海水、污水和 PH 值小于 5 的酸性水，水中的氯离子含量应不大于 200mg/L，酸盐含量（按 SO42- 质量计）不大于 500mg/L 。 三、高性能海工混凝土试配及性能试验 3.1 试验中所采用的主
9、要试验方法 1）水泥混凝土拌合物坍落度 水泥混凝土拌合物坍落度按公路工程水泥及水泥混凝土试验规程JTG E30-2005 中的 T 0522-2005 试验方法进行； 2）水泥混凝土拌合物表观密度 水泥混凝土拌合物表观密度按公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 JTG E30-2005 中的 T 0525-2005 试验方法进行； 3）水泥混凝土抗压强度 水泥混凝土抗压强度按公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 JTG E30-2005 中的 T 0553-2005 试验方法进行； 4)水泥混凝土的氯离子扩散系数快速试验 通过施加电场来加速氯离子在混凝土中的迁移，并将混凝土视作固体电解质，在外加电压的
10、情况下测定混凝土的电导率与通过混凝土截面积的电量，根据电导率与扩散系数之间的关系，使用相关方程式推导出氯离子在混凝土中的扩散系数。 3.2 设计试验配合比 按照以上章节对配合比设计的相关规定，项目采用：广东塔牌集团有限公司（P42.5）水泥，福建漳州益材粉煤灰开发有限公司（I 级）粉煤灰，三钢集团（龙海）矿微粉有限公司（S95）矿渣粉，广东汕头澄海下铺砂场（II 级）中砂，潮州凤山碎石场（5-25mm）花岗岩，巴斯夫化学建材（中国）有限公司广东分公司（聚羧酸）高性能减水剂及饮用水等材料设计了 5 组不同配料的配合比供试验比较之用。 混凝土配合比 3.3 试验分析及结论 根据以上试验结果，我们做
11、以下对比分析： 1）通过第 1 组与第 2 组的对比，可以发现第 2 组配合比在加入外加剂后，最大限度的降低了水泥的用量且工作性能以及 7 天、28 天抗压强度上明显优于第一组；也可对五组配合比的工作性能、抗压强度、氯离子扩散系数等进行综合比较，可以得出：掺高性能聚羧酸外加剂有利于提高混凝土强度及抗海水侵蚀及抗侵蚀的能力。 2）通过第 2 组与第 3 组的对比，可以发现第 3 组配合比在加入粉煤灰后，7 天抗压强度有所降低，28 天抗压强度上明显优于第 2 组，说明掺入粉煤灰可以提高混凝土的后期强度，此外在耐久性方面也明显优于第 2 组；通过第 3 组与第 4 组的对比，可以发现第 4 组配合
12、比在加入粉煤灰、矿粉后，在混凝土抗压强度方面无太大的变化，但氯离子扩散系数明显降低，说明其耐久性有明显的提高。可以得出：掺粉煤灰有利于提高混凝土的后期强度,分别单掺或双掺粉煤灰和磨细矿渣,均可以降低混凝土氯离子扩散系数,且双掺优于单掺。掺矿渣有利于提高混凝土的耐海水侵蚀性能及耐硫酸盐侵蚀的能力,矿渣掺量越大,抗侵蚀能力越强,掺加矿渣也是一种有效提高混凝土抗氯离子渗透能力的措施。 3）通过第 4 组与第 5 组的对比，可以发现两组同时在掺入粉煤灰、矿粉、外加剂的情况下，但混凝土在抗压强度和氯离子扩散系数都有一定幅度的提高和降低，则说明很小的水灰比变化也会引起混凝土在抗压强度、耐久性方面的变化。因此可以得出：降低水灰比能显著地提高混凝土的强度及抗海水侵蚀及抗硫酸盐侵蚀的能力,并且能有效提高混凝土抗氯离子渗透能力。 四、结束语 海工高性能混凝土耐久性的研究与应用具有巨大的经济价值和社会意义，提高混凝土的耐久性是混凝土发展的必然趋势。能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程造价，是我们面临的紧迫任务，我们应以科学的方法和态度进行不懈的深入研究。
