大掺量掺合料对海工混凝土耐久性的影响及工程实证

徐强，李锋，乐勇，顾柯燕，方辉，王琦懿

（1.浙江大学 海洋研究院，浙江 舟山316021；2.舟山市大昌预拌混凝土有限公司，浙江 舟山316013；3.舟山市汇邦建材有限公司，浙江 舟山 316021）

0 前言

钢筋混凝土是海洋工程建设的主体结构材料，在严酷的海洋环境下会因腐蚀而过早失效[1]。为了提高混凝土的耐久性，选用优质原材料、加入掺合料和化学外加剂、采用低水胶比是制备海工混凝土的必要前提[2]，其中大掺量粉煤灰或矿粉可以明显降低氯离子在混凝土中的扩散系数[3]，掺加阻锈剂是抑制钢筋腐蚀最简单有效的方法[4]。海工高性能混凝土已在杭州湾跨海大桥、港珠澳大桥等国家重点工程中应用，所以在海岛城市工程设施中大规模推广海工混凝土也显得非常重要。

本文以提高混凝土抗氯离子侵蚀性能为目标，采用掺加粉煤灰、磨细矿粉、阻锈剂及低水胶比等措施，利用舟山市当地原材料设计抗氯离子侵蚀的高性能混凝土，并在舟山市小干至长峙跨海通道工程中应用。

1 试验

1.1 原材料

水泥：舟山市银马水泥有限公司海螺牌P·O42.5水泥，比表面积351 m2/kg，初、终凝时间分别为152、240 min，标准稠度用水量28.0%，28 d抗压、抗折强度分别为49.8、8.2 MPa。

粉煤灰：国能浙江舟山发电有限责任公司，Ⅱ级，需水量比99.2%，45μm筛筛余10.5%，烧失量2.42%。

矿粉：舟山市汇邦建材有限公司，S95级，密度2.87 g/cm3，活性指数98%，比表面积409 m2/kg，流动度比100%。

河砂：细度模数2.6，表观密度2590 kg/m3，含泥量0.6%。

石：5～25 mm连续级配凝灰岩碎石，表观密度2650 kg/m3，含泥量0.7%。

减水剂：舟山市汇邦建材有限公司产HB-Ⅰ萘系减水剂，含固量23.5%，掺量1.5%时砂浆减水率为16.5%。

阻锈剂：武汉三源特种建材有限责任公司，SY-R型，含水量1.32%。

1.2 试验方法

选用工程用量较大的C35强度等级，矿物掺合料总掺量固定为40%[5]，分别研究单掺矿粉、单掺粉煤灰、复掺矿粉和粉煤灰对混凝土强度和耐久性的影响。混凝土抗压强度参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试，混凝土氯离子扩散系数参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试，阻锈剂腐蚀电流参照JGJ/T 192—2009《钢筋阻锈剂应用技术规程》进行测试。混凝土配合比及和易性见表1。

表1 混凝土配合比及和易性

2 结果分析与讨论

2.1 大掺量矿物掺合料对混凝土强度和耐久性的影响（见表2）

表2 大掺量矿物掺合料对混凝土强度和耐久性的影响

由表2可见：

（1）由于粉煤灰的活性指数较低[6]，当掺入40%矿物掺合料后，混凝土的28 d抗压强度都低于JZ组，且随粉煤灰掺量的增加，下降幅度增大；由于矿粉对水泥基材料的活性效应有积极的促进作用[7]，单掺矿粉或粉煤灰与矿粉复掺时，混凝土的84 d抗压强度高于JZ组，单掺粉煤灰组的84 d抗压强度低于JZ组。

（2）与JZ组相比，单掺粉煤灰会使混凝土的28 d氯离子扩散系数增大，单掺矿粉或粉煤灰与矿粉复掺都会降低混凝土的28 d氯离子扩散系数；由于矿物掺合料对混凝土的密实作用[8]，84 d龄期时，掺40%掺合料都会使混凝土的氯离子扩散系数减小，其中FK41组的氯离子扩散系数最小，为2.30×10-12m2/s，较JZ组减小了64.6%。

不同混凝土28 d龄期的SEM照片如图1所示。

由图1可见，JZ组和KF4、FK41组形貌比较接近，FM4组中含有大量的圆球。这是因为粉煤灰中的圆球漂珠影响了水泥的水化[9-10]，造成混凝土抗压强度降低、氯离子扩散系数增大，故粉煤灰掺量不宜过多。考虑到混凝土的综合性能、施工成本以及粉煤灰的后期活性，本文选择FK41组矿粉和粉煤灰的比例（25%矿粉+15%粉煤灰）进行后续试验。

图1 不同混凝土28 d龄期的SEM照片

2.2 钢筋阻锈剂对混凝土耐久性的影响

复合钢筋阻锈剂不仅能抑制钢筋锈蚀反应进程，还能降低氯离子渗透能力[11]。本试验在FK41配比基础上，按照胶凝材料质量的1%、3%、5%、7%掺加阻锈剂。阻锈剂掺量对混凝土抗压强度、氯离子扩散系数、168 h腐蚀电流的影响如表3所示，不同阻锈剂掺量混凝土腐蚀电流随时间的变化如图2所示。

表3 阻锈剂掺量对混凝土性能的影响

由表3可见，和对照组FK41相比，掺加阻锈剂后，混凝土的坍落度、扩展度和28 d抗压强度没有明显变化；掺1%阻锈剂时混凝土的28 d氯离子扩散系数有所提高，当阻锈剂掺量为3%、5%、7%时，混凝土的28 d氯离子扩散系数较FK41组分别减小了12.5%、13.4%、8.7%，平均减小了11.5%。

图2 不同阻锈剂掺量混凝土腐蚀电流随时间的变化

由图2可见，随着通电时间的延长，腐蚀电流不断减小。随阻锈剂掺量的增加，168 h腐蚀电流逐渐减小。未掺阻锈剂时，FK41组的168 h腐蚀电流仍有430μA。当阻锈剂掺量为3%~7%时，168 h腐蚀电流小于150μA，参照JGJ/T 192—2009可知，能对钢筋进行有效防护。从混凝土耐久性及工程成本考虑，阻锈剂掺量以3%为宜。

3 海工混凝土工程应用验证

3.1 工程概况

舟山市小干至长峙跨海通道是舟山嵊泗至定海的控制性工程，工程横跨新城湾两侧，该工程全长1456 m，全线按城市主干道标准设计，设计时速60 km/h。大桥桥面箱梁为现浇预应力高性能海工混凝土，设计强度为C55，坍落度（180±20）mm，耐久性设计要求抗氯离子渗透小于1.5×10-12m2/s，是JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》中混凝土抗氯离子渗透性能等级（RCM法）中最高等级RCM-V。

3.2 原材料及配合比

桥面箱梁工程混凝土设计强度等级C55、坍落度（180±20）mm，矿物掺合料及阻锈剂掺量参照本试验研究结果，混凝土施工配合比如表4所示。

表4 抗氯离子侵蚀高性能混凝土的配合比

水泥：舟山银马水泥有限公司海螺牌P·Ⅱ52.5水泥，比表面积355 m2/kg，初、终凝时间分别为148、225 min，标准稠度用水量28.0%，28 d抗压、抗折强度分别为61.2、8.9 MPa。

减水剂：舟山市汇邦建材有限公司产HB-V聚羧酸减水剂，含固量26.3%，掺量1.5%时砂浆减水率为27%。

粉煤灰、河砂、石、阻锈剂均参照1.1。

3.3 现场检测

施工单位对C55海工混凝土进行现场抽检，抗压强度每100 m3留样1组，共186组；氯离子扩散系数DRCM每1000 m3留样1组，共15组。送第三方有检测资质的机构进行检测，测试结果见表5。

表5 工程现场海工混凝土性能测试结果

表5的测试结果表明，抽检混凝土强度合格，最低强度达57.8 MPa，平均强度75.9 MPa。84 d氯离子扩散系数最大值为1.30×10-12m2/s，平均值为1.25×10-12m2/s，符合氯离子扩散系数≤1.5×10-12m2/s的设计要求。

4 结论

（1）和JZ组相比，单掺矿粉或粉煤灰与矿粉复掺都会使混凝土的28 d氯离子扩散系数减小；84 d龄期时，掺加40%矿物掺合料都会使混凝土的氯离子扩散系数减小，其中复掺15%粉煤灰+25%矿粉时混凝土的84 d抗氯离子渗透系数最小。

（2）掺加阻锈剂后，混凝土的抗压强度没有明显变化；掺3%~7%阻锈剂，混凝土的氯离子扩散系数较未掺组有所减小；随阻锈剂掺量的增加，168 h腐蚀电流逐渐减小，当阻锈剂掺量为3%~7%时，腐蚀电流小于150μA，能对钢筋进行有效防护。

（3）施工单位对C55海工混凝土进行现场抽检，结果表明，所抽检混凝土强度全部合格，最低抗压强度达57.8 MPa，平均抗压强度为75.9 MPa；84 d氯离子扩散系数最大值为1.30×10-12m2/s，平均值为1.25×10-12m2/s，符合氯离子扩散系数≤1.5×10-12m2/s的设计要求。