海水环境下水下不分散混凝土的耐久性研究

赵晶，朱振普，吴会军

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*



海水环境下水下不分散混凝土的耐久性研究

赵晶，朱振普，吴会军

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*

优选原材料、外加剂和矿物掺合料，设计4种配合比的C40水下不分散混凝土，采用陆上(L)、淡水(D)、海水(H)成型，在混凝土力学性能测试的基础上，进行耐久性能(抗氯离子渗透)测试，特别是在干湿交替部位抗氯离子渗透性能.试验表明，矿物掺合料能改善混凝土拌合物的流动性，对耐久性有积极的作用.

水下不分散混凝土；流动性；力学性能；耐久性能

0 引言

随着陆地资源的紧缺，海洋资源的开发利用势在必行，使混凝土水下施工工程越来越多[1].水下不分散混凝土从根本上解决了水下施工的问题.水下不分散混凝土是指掺加了抗分散剂后具有水下不分散性的混凝土[2- 5]. 由于水下不分散混凝土所处的环境特点，常常受到各种盐离子侵蚀作用，耐久性问题变得严峻起来[6- 10]，本文在保证力学性能的基础上通过掺加掺合料来提高混凝土的耐久性.

1 配合比设计

水下不分散混凝土的配合比应满足流动性、抗分散性，强度和耐久性的要求，本文设计C40混凝土，配合比设计如表1所示.表1中：①水泥基渗透结晶型防水剂是一种掺入混凝土内部的粉状材料，与水作用后，材料中含有的活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透，在混凝土中形成不溶于水的结晶体，填塞毛细孔道，从而使混凝土致密、防水;②水下不分散混凝土抗分散剂(絮凝剂)指加入新拌混凝土中，使混凝土具有黏稠性，在水下浇筑施工时抑制水泥浆流失、骨料离析，使混凝土具有好的性能的外加剂;③聚羧酸高效减水剂与抗分散剂的兼容性较好.

表1 配合比设计

2 水下不分散混凝土力学性能研究

根据《水下不分散混凝土试验规程》，采用陆上(L)、淡水(D)、海水(H)成型，进行标准养护，到测试龄期后进行抗压强度测试.实验结果如图1、图2所示.

(a)C1

(b)C2

(c)C3

(d)C4

图2 海水组混凝土强度

根据图1可以发现，不同配合比的水下不分散混凝土淡水成型试件和海水成型试件的强度(抗压强度)均低于陆上成型试件的强度.这是因为水下不分散混凝土虽然掺加了絮凝剂来增加拌合物的抗水洗能力，但是在水下成型浇筑时拌合物与水接触，受水冲洗作用仍会造成混凝土拌合物部分水泥浆流失，导致水泥水化产物减少，形成的水泥石结构疏松多孔，对强度产生负面影响.另外，根据图1淡水和海水成型试件的强度折线图发现，海水组试件的早期(3 d)强度高于淡水组试件的早期强度，而后期(28 d和56 d)强度低于淡水组试件的强度.这是因为海水中含有丰富的硫酸盐、氯盐、镁盐等，在混凝土硬化的过程中，能提高水泥颗粒吸附水分子的能力，促使水泥水化使混凝土硬化速度变快.氯盐能与水泥中的矿物组分C3A作用生成不溶性的复盐氯铝酸钙(3CaO·Al2O3·3CaCl2·32H2O)，还能与C3S的水化产物氢氧化钙反应生成不溶性的复盐氧氯化钙(CaCl2·3Ca(OH)2·12H2O和CaCl2·Ca(OH)2·H2O)，这些复盐降低了水泥水化液相中氢氧化钙的浓度，从而促进水泥矿物组分水化.硫酸盐能与水泥水化产物氢氧化钙反应生成颗粒很细小的石膏，它比水泥组分中的石膏与水泥熟料的反应更快，与C3A反应生成AFt.这些氯铝酸复盐和AFt生成后体积膨胀，使水泥石的结构更加致密，从而提高了海水养护试件的早期强度.28d以后淡水组试件的水泥水化程度继续增大，强度也逐渐提高，而海水组试件在水泥水化的同时还伴随着各种盐类(主要是硫酸盐、镁盐、氯盐)的侵蚀，强度增长变缓.

根据图2可以发现，28 d及以后掺加硅灰试件的强度最高，掺加沸石粉和防水剂试件的强度次之，掺加粉煤灰和矿粉试件的强度最低.

3 抗氯离子渗透试验

本实验采用陆上(L)、淡水(D)、海水(H)三种成型方式浇筑尺寸为100 mm×100 mm×300 mm试件.将陆地和淡水成型的试件竖直放入淡水养护箱中进行养护，海水成型的试件竖直放入海水养护箱进行养护；养护时将试件平均分成三段，最下面的一段水养护，中间的一段干湿交替养护(12 h水养护，12 h空气养护)，最上面的一段空气养护；养护到测试龄期后，用混凝土切割机从100 mm×100 mm×300 mm的试件上取下三种不同养护方式的中间切片(100 mm×100 mm×50 mm)作为测试氯离子扩散系数的试件，然后用NEL―PDR型氯离子扩散系数快速测定仪和配套的NEL―VJH型混凝土智能真空饱水机进行试验.实验数据如图3、图4所示.

(a)C1

(b)C2

(c)C3

(d)C4

图4 海水养护部分氯离子渗透系数

根据图3可以看出，不同配合比混凝土的水中养护部分的抗氯离子渗透性最高，干湿交替养护部分的抗氯离子渗透性次之，空气养护部分的抗氯离子渗透性最低.在同一种养护方式的前提下，不同的成型方式对混凝土抗氯离子渗透的影响是不同的，表现为海水组试件的渗透系数大于淡水组试件的渗透系数大于陆上组试件的渗透系数.

根据图4可以看出，整体上掺防水剂试件的氯离子渗透性最小，掺加硅灰和沸石粉试件的氯离子渗透系数居中，掺加粉煤灰矿粉的试件氯离子渗透系数最大. 防水剂与水作用后，材料中含有的活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透，在混凝土中形成不溶于水的结晶体，填塞毛细孔道，从而使混凝土致密，增大抗渗性，提高耐久性.

掺加矿物掺合料后，矿物掺合料中的活性氧化硅和氧化铝与水泥水化产物氢氧化钙发生二次水化反应，生成水化硅酸钙凝胶，增强了混凝土对氯离子的结合和吸附能力；生成的水化硅酸钙凝胶以及未反应的细小矿物掺合料颗粒很好的填充了混凝土的孔隙，使混凝土的孔结构得到改善，孔隙率大幅下降，孔径减小，孔结构明显优化.所以掺加矿物掺合料后混凝土的氯离子渗透系数显著降低.从实验数据看出，掺加粉煤灰矿粉、海水成型、空气养护试件的氯离子渗透系数最大，但是依据表2仍能达到中等渗透性.

表2 混凝土渗透性评价标准

4 结论

(1)水下不分散混凝土水中成型组试件强度低于陆上成型组试件强度；

(2)相同配合比，海水组试件的早期强度高于淡水组试件的早期强度而其后期强度则低于淡水组试件.因为海水中有硫酸盐、氯盐、镁盐等，能提高水泥颗粒吸附水分子的能力，促使水泥水化使混凝土硬化速度变快，起到了早强剂的作用，但到后期淡水组试件水泥继续水化，强度提高而海水组试件水泥水化的同时还伴随着海水侵蚀；

(3)掺加防水剂试件的抗渗性效果最好，硅灰和沸石粉次之，粉煤灰和矿粉最低.矿物掺合料不仅对拌合物的和易性有利，而且对混凝土的强度有积极影响，进而提高混凝土的耐久性.

[1]詹思．水下不分散混凝土配合比应用研究[J]．科技资讯，2013(27):42- 43.

[2]陈国新，杜志芹，杨日，等．聚羧酸系减水剂用于水下不分散混凝土的研究[J]．混凝土，2012(2):117- 123.

[3]左志刚．水下不分散混凝土配合比设计[J]．港工技术，2010,47(6):21- 23.

[4]JOSEPH J,ASSAAD,YEHIA DAOU,HADI SALMAN.Correlating washout to strength loss of underwater concrete[J].Construction Materials，2011，164(3)：153- 162.

[5]JOSEPH J,ASSAAD,CAMILLE A,et al.Mechanisms of strength loss in underwater concrete[J].Materials and Structures,2013，46(10):1613- 1629.

[6]WILLIAM VELEZ,FABIO MATTA,PAUL ZIEHL.Electrochemical characterization of early corrosion in prestressed concrete exposed to salt water[J].Materials and Structures,2016，49(1- 2)：507- 520.

[7]王文忠,韦灼彬,唐军务，等.水下不分散混凝土配合比及其性能研究[J].中外公路，2012，32(2)：265- 267.

[8]牛季收，朱凯．粉煤灰对水下不分散混凝土性能的影响[J]．硅酸盐通报，2008,27(4):875- 880.

[9]仲伟秋，张庆亮．水下不分散混凝土的基本力学性能试验研究[J]．混凝土，2009(10):105- 107.

[10]张长民，韩雪燕，周伟，等．水下不分散混凝土的新进展[J]．混凝土，2004(2):7- 9.

Durability Study of Non-Dispersion Underwater Concrete in Sea Water Environment

ZHAO Jing，ZHU Zhenpu，WU Huijun

(School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Raw material, admixture and mineral admixtures are selectied, and four group mix proportions of non-dispersible underwater concrete are designed with strength of C40 and are made in three conditions:on the land,in fresh water and in seawater. Based on testing of physics mechanical Properties,underwater concrete durability the (resistance to chloride ion penetration) is emphatically studied.The results show that mineral admixtures can improve the fluidlity and durability remarkably.

on-dispersible underwater concrete；liquidity;mechanical properties；durability

1673- 9590(2017)01- 0086- 04

2016- 01- 09

国家自然科学基金资助项目(51472040)

赵晶(1964-)，女，教授，博士，主要从事道路工程材料研究

E-mail:zjing@sohu.com.

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