粉煤灰改善盐碱湿地水下灌注桩混凝土抗侵蚀性研究

2021-03-16张登峰翟春英

建材世界 2021年1期

张登峰,翟春英,魏欢

(1.武汉工大土木工程检测有限公司，武汉 430070；2.通辽市交通工程局，通辽 028000；3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070)

锡林郭勒盟某在建一级公路位于阿巴嘎草原腹地，项目主线横穿该草原数个季节性盐碱湿地，穿越湿地主线采用数孔20 m预应力箱梁水泥混凝土桥结构，墩柱设计采用C30钻孔灌注桩，经检测主线穿越草原盐碱湿地不同深度地下水pH值在7.3～7.8之间，水中硫酸根离子(SO42-)含量在1 000～2 000 mg/L之间，氯化物含量在1 500～2 500 mg/L之间，属于严重侵蚀地区。已有研究结果表明，氯离子能够通过混凝土毛细孔渗透到混凝土内部，锈蚀钢筋，降低桩基混凝土结构的承载力。硫酸盐可导致桩基混凝土的膨胀开裂，严重影响混凝土的结构安全，缩短桥梁的使用寿命[1,2]。掺加高效减水剂和超细掺合料制备的混凝土可有效提高混凝土的密实性，增加混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，提高混凝土的耐久性[3-5]。为此，以该实体工程为依托，利用当地现有的原材料，开展盐碱湿地环境中的水下钻孔灌注桩混凝土配合比优化设计，并对混凝土的抗冻、抗渗、抗侵蚀性能进行比对分析，优化水泥混凝土配合比设计参数，提高混凝土耐久性，保证工程质量。

1 配合比基本信息

1.1 原材料

1)碎石：苏尼特左旗满都拉图建筑石料厂安山岩碎石，表观密度2.751 g/cm3，吸水率0.8%，压碎值13.2%，针片状含量6.3%。

2)砂子：西乌旗五间房砂场水洗天然砂，细度模数2.7；表观密度2.682 g/cm3。

3)水泥：河北冀东PO42.5硅酸盐水泥，其物理技术性能指标如表1所示。

4)粉煤灰：正蓝旗上都电厂I级粉煤灰，其物理性能指标和矿物成分测试结果分别如表2、表3所示。

5)减水剂：聚羧酸类高效减水剂，减水率18%，密度1.056 g/cm3。

6)拌和用水：当地饮用水，pH值7.0。

表1 冀东PO42.5硅酸盐水泥主要技术性能

表2 正蓝旗上都电厂I级粉煤灰性能

表3 粉煤灰化学成分测试结果 w/%

1.2 理论配合比计算

根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55—2011[6]，桩基设计强度C30，泵送混凝土，塌落度180～220 mm，粉煤灰掺量按照等量取代法，分别取代水泥质量的0、10%、20%、30%，碎石骨料为19～31.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm三档，采用5～31.5 mm连续级配，电脑合成计算三档碎石的比例为35%∶45%∶20%，减水剂掺量为胶材质量的0.8%。

1.2.1 混凝土配制强度(fcu.o)

fcu.o≥fcu,k+1.645σ=30+1.645×5.0=38.2 MPa

(1)

1.2.2 水胶比(W/B)

PO42.5水泥胶砂强度28 d实测值fce=48.5 MPa，配制强度fcu.o=38.2 MPa，集料回归系数αa=0.53，αb=0.20。

W/B=αa×fb/(fcu,o+αa×αb×fb)=(0.53×48.5)/(38.2+0.53×0.20×48.5)=0.59

(2)

1.2.3 水胶比校核

项目所在地有冻害及潮湿腐蚀环境，允许最大水胶比0.50，计算水胶比为0.59，因掺加了高效减水剂，根据类似地区施工经验，选用水胶比W/B=0.46进行试配。

1.2.4 单位用水量(mw)

混凝土拌和物坍落度为180～220 mm，碎石的最大粒径为31.5 mm，砂的细度模数为2.7，属2区中砂，单位用水量选为220 kg/m3。

1.2.5 掺减水剂混凝土的单位用水量(mwo)

减水剂掺量为水泥用量的0.8%，减水率为18%，计算掺外加剂混凝土的单位用水量为

mwo=220×(1-β)=220×(1-0.18)=180 kg

(3)

1.2.6 掺外加剂混凝土的单位水泥用量(mca)

掺外加剂混凝土单位用水量mwa=180 kg/m3，水胶比W/B=0.46，计算单位水泥量为

mco=mwo/(W/B)=180/0.46=391 kg/m3

(4)

1.2.7 砂率(βs)

碎石dmax=31.5 mm，5～31.5 mm连续级配，W/B=0.46，砂细度模数为2.7，属2区中砂，泵送施工，初步选取砂率βs=42%。

1.2.8 碎石及砂子用量(ms、mg)

采用体积法计算，水泥ρc=3 106 kg/m3，砂ρs=2 682 kg/m3，石ρg=2 751 kg/m3，减水剂ρ减水剂=1 056 kg/m3，单位体积混凝土中各材料计算用量分别为：水泥mco=391 kg/m3，水mwo=180 kg/m3，砂率βs=42%，由式(5)、式(6)计算

mco/ρc+mwo/ρw+mso/ρs+mgo/ρg+m减水剂/ρ减水剂=1

(5)

mso/(mso+mgo)=βs

(6)

计算得：砂mso=793 kg/m3，石mgo=1 095 kg/m3。

1.2.9 理论配合比及基准配合比验证

根据式(3)～式(6)计算结果，得出混凝土理论配合比：mco∶mwo∶mso∶mgo∶m减水剂=391∶180∶793∶1 095∶3.1；混凝土理论表观密度ρce=2 462 kg/m3。

按照理论配比在实验室试拌多盘混凝土，分别测出新拌混凝土出机坍落度200～210 mm之间，拌合物裹附饱满，粘聚性良好，无泌水现象，拌和混凝土1 h坍落度195 mm，2 h坍落度180 mm，满足泵送施工要求。实测混凝土ρct=2 448 kg/m3，不需进行密度修正。

1.2.10 掺粉煤灰混凝土的配合比调整

根据基准配合比分别按照粉煤灰等质量取代10%、20%、30%的水泥，进行拌合物性能调整试验，根据拌合物混凝土的工作性能对不同水泥取代量条件下的基准配合比进行微调，具体调试后的结果如表4所示。

表4 掺配粉煤灰配合比调整结果

从表4可以看出，随着粉煤灰取代量的逐渐增加，单位体积用水量是逐步增加的。

2 混凝土强度及抗侵蚀试验

根据表4调整结果，按照JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[7]要求，成型标准试件，分别进行混凝土强度、抗氯离子渗透性、抗冻性、抗硫酸盐侵蚀试验。

2.1 混凝土强度试验及分析

混凝土强度试验采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，标准养生28 d，到期后按规程测试试件抗压强度，四个配比的抗压强度结果如表5所示。

表5 混凝土强度(28 d)试验结果

表5试验结果可以看出，加入粉煤灰后，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土28 d强度先升高后降低，掺量为20%时最高，当掺量达到30%时，强度仍满足配制强度要求，但与掺10%粉煤灰时的试件强度接近。

2.2 抗氯离子渗透性能试验及分析

按照JTG E30—2005规程成型φ100 mm×50 mm的圆柱体试件，标准养生56 d，根据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中氯离子电通量试验评价混凝土抗氯离子渗透性能，四个配比的电通量试验结果如表6所示。

表6 混凝土电通量Q(56 d)试验结果

表6混凝土56 d电通量试验结果表明，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土试件电通量逐渐减小，当粉煤灰取代量超过20%时，电通量下降为不掺粉煤灰时的一半以下，说明掺加粉煤灰能显著提高混凝土的抗氯离子渗透能力，且掺量超过20%以上时，电通量技术分级为好。

2.3 抗冻性试验及分析

采用快速冻融循环法进行，按照JTG E30—2005规程进行试件的制作和养护，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，按T0564《水泥混凝土动弹性模量试验方法(共振仪法)》测横向基频，并称其质量，作为评定抗冻性的起始值，然后开始进行冻融试验。四个配比300次冻融循环的动弹模量保留值结果如表7所示。根据内蒙古中东部的环境条件，该次混凝土的抗冻耐久性指数要求按照DF≥80%控制。

表7 混凝土冻融循环动弹模量保留值试验结果

表7混凝土冻融循环动弹模量保留值试验结果可以看出，掺粉煤灰试件在冻融 300 次以内相对动弹性模量基本都在90%以上，表现出良好的抗冻性。不掺粉煤灰的普通试件在冻融达到 300 次时相对动弹性模量为89.1%；掺粉煤灰的混凝土试件的相对动弹性模量均要高于不掺粉煤灰的。因为粉煤灰的掺入提高了混凝土的密实性，降低了溶液中盐浓度差造成的渗透压，从而提高混凝土的抗冻性能。

2.4 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验及分析

按照JTG E30—2005规程成型100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，脱模后标准养生28 d，根据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中全浸泡方式进行加速硫酸盐侵蚀试验，分别测试淡水浸泡和5%Na2SO4溶液全浸泡两种方式下试件的强度，根据式(7)计算试件抗侵蚀系数，浸泡时间选定30 d、60 d、90 d、120 d、180 d五个，养护28 d试件在相同浓度溶液中随龄期变化的抗侵蚀系数结果如表8所示。

抗侵蚀系数：K=R溶液/R水

(7)

式中，K为试件抗侵蚀系数，%；R溶液为浸泡在5%Na2SO4溶液中的试件抗压强度，MPa；R水为浸泡在淡水中的试件抗压强度，MPa。

表8试验结果表明，混凝土试件分别在淡水和5%Na2SO4溶液中浸泡，试件抗压强度随浸泡时间的延长，其抗侵蚀系数逐渐降低，不掺粉煤灰的普通试件经过硫酸盐溶液的侵蚀浸泡，其抗蚀能力衰减很快，在半年内就接近抗侵蚀系数下限。而掺粉煤灰试件，当掺量在10%以上时，试件抗侵蚀系数都在90%以上，表现出良好的抗侵蚀性能，掺粉煤灰混凝土试件的抗侵蚀系数均要高于不掺粉煤灰的，粉煤灰掺量高的抗侵蚀性能优于掺量低的。当粉煤灰掺量达到20%以上时，在不降低混凝土强度的前提下，其抵抗硫酸盐溶液侵蚀的效果更显著，说明掺20%～30%的I级粉煤灰对保证混凝土强度、提高混凝土抵抗硫酸盐侵蚀的性能的思路是可行的。