海工轻骨料混凝土力学和耐久性能的试验研究

2020-08-19周晓朋曹禹王娜曹忠露李沛

中国港湾建设 2020年8期

周晓朋，曹禹，王娜，曹忠露，李沛

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中国交通建设股份有限公司轨道交通分公司，北京 100088）

0 引言

为缩小结构断面，减轻结构自重，需要在海洋环境中使用氯离子扩散系数低、耐久性好的高强轻质混凝土。目前国内外对轻骨料混凝土的配制技术和制作养护工艺[1-4]、轻骨料混凝土的强度和耐久性因素[5-8]、轻骨料混凝土施工应用过程中存在的问题及其解决办法[9-13]等进行了大量的研究，但涉及海洋和远海环境下轻骨料混凝土性能演化的报道较少。

对于水域较浅且地形地貌复杂的离岸海洋岛礁建设，可采用预制沉箱快速成陆。采用普通混凝土预制沉箱因上部结构自重过大、吃水深，还需对下部基础进行处理，不仅消耗大量的人力、物力、财力，而且施工工艺复杂，不方便运输。此外，远海岛礁的海洋环境存在高温高湿、高氯盐、高紫外线的“三高”特点，气候条件恶劣，对沉箱混凝土自重和耐久性提出了更高的要求。因此，使用轻质混凝土建造浅吃水沉箱对海洋岛礁的绿色开发具有重要意义。

本文借鉴国内外轻骨料混凝土制备经验，选取不同种类的陶粒，进行轻骨料混凝土配合比设计，对轻骨料混凝土的拌合物性能、力学性能及抗氯离子渗透性能进行研究，制备出满足水运工程要求的轻骨料混凝土，并对远海地区轻骨料混凝土的耐高温高湿、高氯盐、高紫外线性能进行研究，为轻骨料混凝土在海洋工程中的应用提供一定参考。

1 试验

1.1 原材料

①水泥：天津生产的骆驼牌P.O42.5普通硅酸盐水泥。

②细骨料：绥中河砂，细度模数为2.7。

③减水剂：江苏苏博特PCA-Ⅰ型聚羧酸高性能减水剂。

④拌合用水：地下水。

⑤粉煤灰：漳州电厂Ⅰ级粉煤灰。

⑥矿粉：唐山唐龙S95级矿粉。

⑦ 陶粒：广西产600级、700级黏土陶粒，天津产700级、1 000级黏土陶粒，其各项性能指标见表1。广西产700级陶粒筒压强度最大、1 h吸水率最低、性能最佳，广西产600级陶粒性能次之，天津产700级和1 000级陶粒性能较差。轻骨料孔结构与轻骨料的筒压强度也有一定的联系，若孔的尺度较小，且互不连通，则轻骨料的筒压强度就高。广西产700级黏土陶粒颗粒表面光滑、开裂较少，内部结构均匀，孔多呈球状，孔隙封闭不贯通，且不易被水饱和，这也是此类轻骨料吸水率较小的原因。

表1 不同种类黏土陶粒的各项性能指标Table 1 Performance indexes of different clay ceramsites

1.2 试验方法

根据工程要求，轻骨料混凝土的强度等级为LC30、坍落度200 mm±20 mm、干表观密度1 660～1 750 kg/m3、抗氯离子渗透性不大于2 000 C。依据JGJ/T 12—2019《轻骨料混凝土应用技术规程》采用松散体积法进行轻骨料混凝土配合比设计，见表2。首先通过分析陶粒种类对轻骨料混凝土性能的影响，选出最佳陶粒；然后再用此陶粒配制基准混凝土，分析粉煤灰和矿粉等掺合料对轻骨料混凝土力学和耐久性能的影响，确立掺合料的最佳掺量，并确定综合性能最佳的轻骨料混凝土配合比；最后用此配合比成型两批试件，置于标准养护室中养护56 d后取出，放在高温高湿、高氯盐、高紫外线模拟试验箱中，一批置于试件架上（模拟大气环境），一批置于装有海水的潮汐槽中（模拟潮汐环境），以检验“三高”环境下轻骨料混凝土力学和耐久性能的演化。

依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行混凝土拌合物性能试验，依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行力学性能试验，依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行抗氯离子渗透及碳化性能试验。

表2 轻骨料混凝土配合比设计Table 2 Mix design of lightweight aggregate concrete kg·m-3

高温高湿、高氯盐和高紫外线的“三高”环境，通过WS-756型恒温恒湿试验箱进行模拟，试验箱内设有试件架、潮汐槽、温湿度调控系统和紫外光照射系统。试验箱温度范围为-10～+50℃，相对湿度范围为60%～98%，使用UVB-313灯产生紫外线照射，辐照强度为1.23 W/m2@310 nm。

2 结果与讨论

2.1 陶粒种类和掺合料对轻骨料混凝土拌合物性能影响

陶粒种类和掺合料对轻骨料混凝土拌合物性能的影响见表3。采用1 000级陶粒的混凝土干、湿表观密度均最大，700级陶粒混凝土的次之，600级陶粒的混凝土干、湿表观密度最小。轻骨料混凝土的密度主要取决于所用骨料的堆积密度，骨料堆积密度越小，轻骨料混凝土的密度越低。

表3 陶粒种类和掺合料对轻骨料混凝土拌合物性能影响Table 3 Influence of ceramsite type and mineral admixture on mixture performance of lightweight aggregate concrete

与基准水泥的轻骨料混凝土相比，掺加粉煤灰和矿粉后，轻骨料混凝土干、湿表观密度均略有降低。粉煤灰、矿粉的掺入可改善轻骨料混凝土拌合物的和易性，随着掺合料掺量的增加，拌合物的坍落度和扩展度提高。

2.2 陶粒种类对混凝土力学和耐久性能影响

陶粒种类对混凝土力学和耐久性能影响见表4。在水胶比和水泥用量不变的情况下，广西产700级陶粒混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均最高，广西产600级陶粒和天津产700级陶粒混凝土的抗压强度次之，天津产1 000级陶粒混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均最低。由表1和表4可知，轻骨料混凝土的抗压和劈裂抗拉强度与陶粒的吸水率和筒压强度密切相关，陶粒的吸水率越小、筒压强度越大，轻骨料混凝土的抗压和劈裂抗拉强度越高。陶粒的选用对轻骨料混凝土的力学强度影响显著。

表4 陶粒种类对混凝土力学和耐久性能影响Table 4 Influence of ceramsite type on mechanical and durability of lightweight aggregate concrete

在水胶比和胶材用量不变时，陶粒种类和性能的变化对轻骨料混凝土的耐久性也产生一定的影响。广西产700级陶粒混凝土的电通量和氯离子迁移系数均最低，广西产600级陶粒和天津产700级陶粒的混凝土次之，天津产1 000级陶粒混凝土的电通量和氯离子迁移系数最高。陶粒的吸水特性与陶粒混凝土的电通量和氯离子迁移系数明显相关，陶粒的孔隙特性对轻骨料混凝土的耐久性能影响显著。

2.3 掺合料对轻骨料混凝土力学和耐久性能影响

基于上述4种陶粒对混凝土强度和耐久性的影响结果，选用广西产700级陶粒配制基准轻骨料混凝土（G-7-1），通过掺加不同比例的粉煤灰和矿粉，分析掺合料对轻骨料混凝土力学和耐久性能的影响，结果见表5和表6。

表5 掺合料对轻骨料混凝土力学性能影响Table 5 Influence of mineral admixture on mechanical properties of lightweight aggregate concrete

表6 掺合料对轻骨料混凝土耐久性能影响Table 6 Influence of mineral admixture on durability of lightweight aggregate concrete

与基准轻骨料混凝土（G-7-1）相比，单掺粉煤灰、双掺粉煤灰和矿粉后，轻骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均有所降低，碳化深度有所增加；但抗氯离子渗透性能得到改善，且所有混凝土的抗水渗透性能均满足＞P12的要求。

由表3、表5和表6的试验结果可知，双掺15%粉煤灰和15%矿粉的轻骨料混凝土（G-7-5）在拌合物和易性、强度和耐久性方面均具有较好性能。

2.4“三高”侵蚀环境下轻骨料混凝土性能

选用双掺15%粉煤灰和15%矿粉的轻骨料混凝土（G-7-5）成型两批试件，置于标准养护室中养护56 d后取出，放在高温高湿、高氯盐、高紫外线模拟试验箱中，一批置于试件架上（模拟大气区），一批置于装有海水的潮汐槽中（模拟潮汐区）。模拟试验箱的温度设定为35.0℃，相对湿度设定为85%，使用UVB-313灯产生紫外线照射，其辐照强度为1.23 W/m2@310 nm。间隔4个月检测1次模拟大气区和潮汐区中的试件强度和抗氯离子渗透性能，结果见图1和图2。

图1“三高”环境下轻骨料混凝土强度演化Fig.1 Strength evolution of lightweight aggregate concrete in"three high"environment

图2“三高”环境下轻骨料混凝土抗氯离子渗透性能演化Fig.2 Evolution of chloride ion penetration resistance of lightweight aggregate concrete in"three high"environment

在模拟环境下，置于大气区的轻骨料混凝土的抗压强度均高于相同龄期潮汐区的轻骨料混凝土抗压强度，“三高”环境下大气区和潮汐区的混凝土抗压强度随着龄期的增加均呈现先增加后降低的现象。位于潮汐区的轻骨料混凝土在龄期为6个月时，抗压强度值达最大（53.0 MPa），之后开始呈现降低的趋势；而置于大气区的轻骨料混凝土在龄期为10个月时，抗压强度值达最大（54.9 MPa），随后抗压强度开始降低，但降低幅度低于潮汐区的轻骨料混凝土。这说明“三高”环境下潮汐对轻骨料混凝土的侵蚀作用相对更加严酷，对轻骨料混凝土的力学性能影响更加明显。

在模拟环境下，置于大气区的轻骨料混凝土的抗氯离子渗透性能优于相同龄期潮汐区的轻骨料混凝土的抗氯离子渗透性能，“三高”环境下轻骨料混凝土电通量随着龄期的增加呈现出增大的趋势，位于潮汐环境下的轻骨料混凝土在龄期为6个月时，电通量值达最低（531 C），之后开始呈现增加的趋势；“三高”环境下大气区的轻骨料混凝土电通量的增加幅度低于潮汐区的轻骨料混凝土电通量的增加幅度。潮汐对轻骨料混凝土抗氯离子渗透性能的退化作用影响更加显著。