聚羧酸高性能减水剂和大掺量矿物掺合料在海工混凝土中的应用

刘军，孙希刚，郭向阳

（山东省建筑科学研究院，山东 济南 250031）

聚羧酸高性能减水剂和大掺量矿物掺合料在海工混凝土中的应用

刘军，孙希刚，郭向阳

（山东省建筑科学研究院，山东 济南 250031）

本文针对海工混凝土所处侵蚀环境，应用聚羧酸减高性能减水剂、引气剂和大掺量矿物掺合料配制高耐久性混凝土。通过抗冻性性能、水化热和孔结构分析了聚羧酸减水剂、引气剂和大掺量矿物掺合料在提高混凝土耐久性方面的作用机理，结果表明聚羧酸减水剂、引气剂和矿物掺合料的使用改善了混凝土内部孔结构，提高了混凝土的密实度，降低了混凝土水化热，提高了混凝土的耐久性能。

聚羧酸减水剂；高耐久性；冻融循环；电通量；水化热；孔结构

0 前言

据调查，发达国家从 50 年代开始大规模海工混凝土结构物建设，到 70 年代末逐渐意识到海工混凝土过早遭到破坏的严重性，目前维修的费用占到 50%，从而越来越重视海工混凝土的耐久性问题。我国近几年开始了大规模的海工建设，参照发达国家的历史教训，可以预计在不久将来也将出现大规模的维修高潮，因此研究海工混凝土抗腐蚀问题迫在眉睫。

青荣城际铁路烟台段沿海建设，沿线海水中主要离子含量大约为：Cl-18000mg/L，Na+10000mg/L，SO42-2500mg/L，Mg2+1200mg/L。混凝土结构处于碳化环境、氯盐环境、冻融破坏环境和干湿交替环境，因此依据提高海工混凝土耐久性能的原则，应用聚羧酸高性能减水剂、引气剂和大掺量矿物掺合料配制高性能混凝土对于结构耐久性具有重要意义。

本文在配制高性能混凝土的同时，对混凝土耐久性方面进行机理分析，结果表明聚羧酸减水剂、引气剂和大掺量矿物掺合料的使用，提高了混凝土的密实程度，改善了混凝土内部孔隙结构，提高了混凝土的抗冻融能力，降低了混凝土的水化热，提高了混凝土的抗渗性能。

1 试验用原材料、测试方法

1.1 原材料

水泥：山水水泥 P·O42.5 水泥：C3A 含量 6.5%，碱含量0.06%。

粉煤灰：日照华能电厂Ⅰ级粉煤灰：烧失量3.6%，需水量比95%。

矿粉：山东鲁新矿粉：烧失量0.85%， 28d活性指数115%。

砂：青岛大沽河产中砂，细度模数 2.80，含泥量 1.2%。

石子：山东沂水产石灰岩碎石，5～10mm、10～20mm级配复合，最小空隙率 38%。

外加剂：山东省建筑科学研究院生产 NC-J 聚羧酸减水剂，减水率 30%；Cl-含量 0.01%，碱含量 0.18%；NC-Q 引气剂，减水率 7%，含气量 5%。

1.2 测试方法

力学性能依照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试。坍落度、凝结时间、常压泌水率、含气量依照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。抗冻性能、电通量和氯离子扩散系数依照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行测试。水化热依照 GB/T 12959—2008《水泥水化热测定方法》进行测试。

2 混凝土配合比与性能

2.1 混凝土配合比设计

依据桥梁承台墩身所处水位变动区及浪贱区的化学侵蚀和冻融破坏环境 Ⅲ-E，设计强度等级 C40；箱梁所处重度盐雾区 Ⅲ-D，设计强度等级 C50。设计混凝土配合比在满足强度的同时，要求混凝土 84 天电通量＜1000C，Cl-扩散系数＜1.5×10-12m2/s，水中冻融破坏环境下混凝土抗冻等级≥F300。混凝土参考配比见表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

2.2 混凝土性能

性能数据见表2。由表2 可知，混凝土流动性、粘聚性好，无泌水离析现象，混凝土工作性好。

3 结果与讨论

3.1 混凝土性能分析

海工混凝土配合比要求根据结构、环境来设计，水下桩控制重点为良好的工作性；浪贱区的承台、墩身控制重点是降低水化温升、减小收缩、防止开裂，在强度和渗透性满足设计要求的前提下，尽量减少胶凝材料及水泥用量、增加掺合料用量；预应力箱梁重点是减小混凝土的收缩、徐变，提高抗裂性能，为此应减少胶凝材料及用水量、选择合适的胶材复配比例、增加集料用量以提高体积稳定性。

从表2 混凝土性能看出，所设计混凝土工作性能良好，含气量、抗压强度和渗透性满足设计要求，抗裂性能良好。

3.2 抗冻性能试验分析

依照 GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》快冻法测试混凝土试件的抗冻性能。混凝土抗冻融循环结果见图 1、图 2。

图 1 C40 混凝土 300 次冻融循环关系

图 2 C50 混凝土 300 次冻融循环关系

从图 1 看出，所制备的 C40 混凝土经 300 次冻融循环后，其质量损失率为 3.4%，相对动弹性模量 85%；图 2 显示所制备的 C50 混凝土经 300 次冻融循环后，其质量损失率为2.3%，相对动弹性模量 88%。结果表明所配制的混凝土满足构件所处环境的抗冻融要求。

3.3 水化热

海工混凝土单个构件（包括墩、承台以及梁体）体积大，属于大体积混凝土，降低混凝土内部温升可以降低混凝土内部温度应力，降低混凝土结构开裂的可能。应用大掺量矿物掺合料可以降低水泥水化热，从而降低混凝土内部温升。从表3 中不同胶凝材料水化热试验可以看出，掺加 50%的掺合料能大幅度降低胶凝材料的水化热，降低幅度在 50%以上；粉煤灰占比增加更能降低胶凝材料的水化热。

表2 混凝土性能

表3 水化热试验

3.4 孔结构

表4 硬化混凝土试样气泡参数

从表4 看出，随着混凝土含气量的增加，气泡的平均弦长降低，引入了大量弦长在 100μm 以下的微小气泡，硬化混凝土的比表面积和气泡频数呈增大趋势，气泡间距系数和气泡弦长平均呈递减趋势。微小气泡的引入，宏观上表现为混凝土的抗冻性能、抗侵蚀能力的提高。

4 结论

试验表明，聚羧酸高性能减水剂、引气剂和大掺量矿物掺合料的使用，配制的混凝土（1）和易性和施工性能良好；（2）力学性能满足设计要求；（3）抗 Cl-渗透性能大幅提高；（4）水化热降低明显，改善混凝土抗裂性能；（5）气泡结构大大改善。对该工程每个部位混凝土构件的检测结果显示，混凝土构筑物的耐久性指标远超设计要求。同时，加快了施工进度，缩短了工期，降低了工程造价。

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[2] CCES 01—2001．混凝土结构耐久性设计与施工指南[S]．

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［通讯地址］山东省济南市无影山路 29 号 山东省建筑科学研究院实验楼 201 室（250031）

刘军（1986—），男，山东省建筑科学研究院工程师，主要从事混凝土外加剂的研究与应用以及混凝土耐久性研究。