防裂抗蚀增塑（减水）剂在机制砂海工混凝土中的应用

2018-08-17叶军张兵文金文会李立君

中国港湾建设 2018年8期

叶军，张兵文，金文会，李立君

（1.中建港务建设有限公司，上海 200433；2.四川铁科新型建材有限公司，四川成都 610404）

0 引言

混凝土从普通混凝土、特种混凝土、高强混凝土到目前倡导的高性能混凝土、绿色高性能混凝土经历了漫长而快速的发展，在整个发展变化过程中，外加剂的应用起着重要的推动作用[1-3]。在当今的混凝土工程中已成为不可缺少的第五组分（胶凝材料、砂、石、水、外加剂），外加剂的掺入可满足滑模、泵送、喷射、自密实、大流动等新型施工工艺的技术要求[4-5]；可获得良好的混凝土的流动性、可塑性、密实性、抗渗性、抗冻性、抗蚀性、抗冲磨性、抗碳化性、抗碱骨料反应性、抗裂减缩性，以及快硬、缓凝、高强、早强等方面的优越性能；可节约水泥，降低能耗、缩短施工周期和提高施工质量、改善劳动条件，提高生产工艺，加快模板周转和场地利用率，技术、经济和社会效益极其显著[6]。

吉布提多哈雷港口工程处于亚丁湾地区航运要道曼德海峡附近，成为红海进出印度洋的主要水道。由于该地区上游四季缺水，不少国家通过淡化海水获取生活用水，海水淡化过程中产生的富含氯离子的废水回排曼德海峡，造成吉布提多哈雷港口工程周围海水中盐度高达150 000 mg/kg，居世界之最，远高于常规海水中35 000 mg/kg，其含量是常规海水中的4.3倍，根据现行行业标准JTS 153-2—2012《水运工程结构耐久性设计标准》的划分规定，属于海水环境中非常严重的环境作用等级；加之该地区常年平均气温在40℃以上，日照强烈，酷热环境中氯离子扩散系数增大，钢筋锈蚀加剧，混凝土结构耐久性成为该工程中需要重点关注的问题[4]。

对于处于氯盐环境中的混凝土构筑物，如海洋环境、地下盐渍土环境等，氯离子侵蚀是沿海混凝土建筑物腐蚀破坏的最重要的原因之一[5]。由于混凝土材料的多孔性特点，随着混凝土结构建筑物投入使用，来自外部海水、盐雾、盐渍土中的氯离子就会进入混凝土内部，破坏混凝土中钢筋表面的钝化膜，进而导致钢筋锈蚀，混凝土保护层膨胀剥落破坏。同时，镁盐在海水中含量较大，渗入混凝土中也会发生化学反应，削弱骨料界面黏结力，降低混凝土强度，影响混凝土力学性能和耐久性能。

本研究针对以上情况，在超高氯离子含量、常年超高温酷热、干湿交替等环境下，对防裂抗蚀增塑（减水）剂改良机制砂海工混凝土的工作性、力学性和耐久性展开研究。结合海工混凝土使用机制砂过程中存在的难点，结合工程现场施工技术要求[6]，从防裂抗蚀增塑（减水）剂的组份着手研究，调试配方，提出可提升混凝土工作性和耐久性的防裂抗蚀增塑（减水）剂的配方[7]。对掺入防裂抗蚀增塑（减水）剂的混凝土进行性能测试与评价，再次优化防裂抗蚀增塑（减水）剂的设计配方，使海工混凝土的工作性能和耐久性符合要求，并以此指导工程施工。本研究旨在针对项目的实际施工情况，研究高性能功能性防裂抗蚀增塑（减水）剂，除满足现场施工工作性之外，提升机制砂海工混凝土在极端海工环境下的防裂抗蚀、抗冲耐磨、密实减缩防渗、防碳化等耐久性能[8]。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

42.5N水泥（巴基斯坦）、F类一级粉煤灰（印度）、硅粉（上海天恺940D）、粗骨料（中国土木碎石）、细骨料（中国土木机制砂）。本试验采用的高性能防裂抗蚀增塑（减水）剂为针对机制砂混凝土研发的T-R1型和针对海工混凝土研发的T-R2型，配方见表1，其中A、B为增加水泥分散性组分，C为保坍组分，DE为无氯增强组分，DA为无机纳米级增强组分，DF为消泡组分，W为去离子水，DJ、DT为缓凝组分。

表1 新研发的不同型号的防裂抗蚀增塑（减水）剂质量比配方Table 1 Mass ratio formula of anti-crack corrosionresistant plasticizer(water reducing agent)of different models

以上原材料均符合国家相应标准。

1.2 试验方案

混凝土性能检测试验方法依据现行国家标准GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》；对防裂抗蚀增塑（减水）剂的检测标准依据GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》。

混凝土设计要求为C40 P8海工混凝土，根据工程环境实际情况及设计要求，开展不掺外加剂、分别掺加T-R1和T-R2型防裂抗蚀增塑（减水）剂的混凝土对比试验研究，试配试验中，控制混凝土拌合物初始坍落度为（200±20）mm，检测硬化后的混凝土性能指标，根据试验结果，通过对T-R1和T-R2型两种外加剂配方中的原料组分及作用机理进行分析研究，调整防裂抗蚀增塑（减水）剂的配方组份比例，从而配制出新的T-F型防裂抗蚀增塑（减水）剂，掺入混凝土后，再开展混凝土的相关性能试验。

2 数据和分析

2.1 两种试配防裂抗蚀增塑（减水）剂对混凝土性能影响

混凝土设计强度等级为C40 P8海工混凝土，配合比见表2，其中粉煤灰掺量为15%，硅粉掺量为5%，混凝土拌合物的初始坍落度控制在（200±20）mm范围内，其中基准组未掺加任何外加剂，使用两组不同配方的防裂抗蚀增塑（减水）剂，在控制混凝土拌合物的初始坍落度满足（200±20）mm时的掺量均为1.0%。

表2 C40 P8海工混凝土配合比Table 2 C40 P8 marine concrete mix proportion

两种防裂抗蚀增塑（减水）剂对混凝土扩展度、坍落度损失、含气量的影响见表3，使用T-R1的混凝土初始坍落度、扩展度、1 h坍落度相对较好，使用T-R1和T-R2试验的含气量稍有差别。

表3 防裂抗蚀增塑（减水）剂对混凝土拌合物性能的影响Table 3 Influence of anti-crack corrosion-resistant plasticizer(water reducing agent)on concrete mixtures

两种防裂抗蚀增塑（减水）剂对混凝土的力学性能和耐久性能的影响见表4。数据表明，掺加两种外加剂的试验组混凝土性能指标均优于基准组混凝土，抗渗等级明显提高，电通量明显降低，收缩率明显减小，尤其掺加T-R2型试验组的收缩率与基准组相比，下降幅度为74%，下降幅度明显，大大提高了混凝土的抗裂性能。两种防裂抗蚀增塑（减水）剂对混凝土抗压强度、抗渗性能、收缩率和电通量性能指标的影响不同，其中掺加T-R1型的混凝土抗压强度较高，掺加T-R2型的混凝土的抗渗、收缩和电通量性能相对优良，试验数据见表4。

表4 抗蚀增塑剂对混凝土力学及耐久性能的影响Table 4 Influence of anti-corrosion plasticizer on mechanics and durability of concrete

对比混凝土性能的试验结果，通过分析研究T-R1、T-R2的原始配方发现，配方Ⅰ中增加水泥分散性的A原料和增加混凝土强度的DE原料的用量有别于配方Ⅱ，配方Ⅱ中增加混凝土保坍性的C原料和增加混凝土密实性的DA、DT原料的用量有别于配方Ⅰ。掺入T-R1力学性能较优，而掺入T-R2混凝土具备更好的耐久性能。因此，调整原料间比例，得到T-F型防裂抗蚀增塑（减水）剂，配方见表5。

表5 防裂抗蚀增塑（减水）剂质量比配方Table 5 Mass ratio formula of anti-crack corrosionresistant plasticizer(water reducing agent)

2.2 调整配方后的防裂抗蚀增塑（减水）剂对C40 P8海工混凝土的性能影响

对新调配的T-F型防裂抗蚀增塑（减水）剂进行匀质性检测，试验结果见表6。

表6 T-F型防裂抗蚀增塑（减水）剂检测结果Table 6 Test result of T-F anti-crack corrosion-resistant plasticizer(water reducing agent)

根据现行行业标准JTS 153-2—2012《水运工程结构耐久性设计标准》的规定，海水环境中浪溅区钢筋混凝土结构中混凝土的最大水胶比不应大于0.40，化学腐蚀环境中非常严重的化学作用等级下，混凝土最大水胶比不应大于0.36。现将混凝土水胶比设定为0.36，T-F掺量1.0%，进行相关性能试验。试验数据表明，加入T-F防裂抗蚀增塑（减水）剂后，混凝土坍落度为215 mm，扩展度为600 mm，混凝土流动性好，混凝土坍落度经时损失小，可以满足现场海工混凝土施工性能要求。混凝土28 d抗压强度为55.5 MPa，满足C40混凝土配制强度要求；混凝土28 d收缩率为0.034%，抗渗等级为P14、抗蚀系数为0.93，电通量为761 C，混凝土抗渗能力较高，耐久性能指标优异。根据现行行业标准JTS 153-2—2012《水运工程结构耐久性设计标准》的规定，对于钢筋混凝土结构工程，海水环境高性能混凝土抗氯离子渗透性最高限值不应大于1 000 C；对于有抗渗要求的混凝土，当最大作用水头与混凝土壁厚抗渗等级大于20时，混凝土抗渗等级不应小于P12，处于硫酸盐化学侵蚀环境中的混凝土结构，胶凝材料抗蚀系数不得小于0.80，试验结果表明，配制的C40 P8海工机制砂混凝土耐久性能指标均满足现行标准要求。