高抗氯盐渗透型海工混凝土配制技术研究

黄汉洋

【摘

王军赵日煦杨文吴雄包明

（中建商品混凝土有限公司）

谯理格

要】本文通过开展正交设计试验，研究了各因素对２８ｄ抗压强度以及６６ｄ海水侵蚀抗压强度

损失率的影响并进行了正交分析，综合考虑当前湖北混凝土原材料市场价格，得出了普通海工混凝土

力学性能以及抗氯离子基准配比，在此基础上研究陶砂作为抗氯盐侵蚀改性材料对混凝土工作性能、

渗透性能的影响，试验发现陶砂自身的良好毛细吸水和返还作用可达到很好的混凝土自养护效果，在陶砂掺量为２０％时，抗氯离子渗透性能较普通混凝土提高４０％以上。

【关键词】海工混凝土；抗氯盐侵蚀；电通量；陶砂

1前言我国作为世界上混凝土用量最大的国家，且拥有绵

延数万公里的大陆海岸线和几千个面积在５００ｍ２以上的岛屿［１］。交通部等有关单位曾多次调查过我国沿海港口工程混凝土结构耐久性状况，结果显示，我国南部沿海１８座已使用７至２５年码头中，基本全部存在明显的腐蚀现象，其中有９座受到了严重的腐蚀；东南沿海２２座已使用８至３２年的码头中，半数以上的码头梁和板混凝土保护层脱落严重，其中有１２座在浪溅区发生严重的钢筋锈蚀和混凝土剥落现象［２－３］。

钢筋混凝土结构由于氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀造成结构耐久性失效的情况已经非常严重，给各国带来了不良的社会影响和巨大的经济损失。因此开展氯盐环境中混凝土耐久性研究具有重要意义［４］。

本研究是按照两步完成，首先通过正交试验设计筛选出最优的高抗氯盐侵蚀的普通混凝土基准配合比，在此基础上将陶砂作为抗氯盐渗透改性材料掺入混凝土中，研究其对混凝土力学性能以及抗氯盐侵蚀性能的影响，从而得出最优的高抗氯盐渗透型海工混凝土的配制方案。

１２μｍ），其理化性能如表２所示。矿粉为中建商品混凝土有限公司Ｓ９５矿粉。

表1水泥的基本性能

标准稠度抗折强度／ＭＰａ用水量／ｇ３ｄ２８ｄ１３５６．８１１．４

抗压强度／ＭＰａ

３ｄ２８ｄ３３．６６０．５

密度安定性

／ｇ·ｃｍ－３３．２０

合格

表2水泥及矿物掺合料的物理性能

原材料水泥

Ｉ级粉煤灰矿粉

密度／ｇ·ｃｍ－３３．２０２．７３２．８０

比表需水比面积／％·ｋｇ－１／ｍ２

３５０９５０４５５

１００１１０１０５

流动度比／％１００１０５１００

抗压Ｒ２８２８ｄ

／ＭＰａ强度比／％６１．５５０．３５１．０

１００．０８１．８９８．１

⑵集料。细集料：采用天然河砂，表观密度为２．６６ｇ／ｃｍ３，细度模数２．６；碎石：采用全集配碎石，粒径范围５～２０ｍｍ，表观密度为２．７６ｇ／ｃｍ３。

⑶外加剂。减水型聚羧酸母液和保坍型聚羧酸母液均为我公司自制研发产品，并能大批量生产，消泡剂为巴斯夫产品，引气剂为韩国ＴＳ－０５，外加剂各组分均在水溶液中溶解自制。

⑷陶砂。

堆积密度８００ｋｇ／ｍ３，１ｈ吸水率４．５％，表观密度１６００ｋｇ／ｍ３，细度模数２．４。

2原材料及试验方法2.1原材料⑴水泥与矿物掺合料。

采用的水泥是亚东Ｐ．Ｏ４２．５水泥。其物理性能指标如表１所示。粉煤灰采用了麻城Ｉ级粉煤灰（Ｄ５０为

基金项目：中建股份（ＣＳＣＥＣ－２０１５－Ｚ－３８）

2.2试验方法目前国内外混凝土的抗氯离子侵入性能快速试验

方法主要是电场法，通过测定混凝土的电量、电阻、电导或者在电场作用下氯离子渗透深度，来评价高性能混凝

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材料研究与应用土的抗氯离子性能。其中最为常用的ＡＳＴＭＣ１２０２快速电量测定方法（简称电量法）和快速电迁移法（国内称ＲＣＭ法）。根据试验实际需要，本研究采用美国交通部联邦公路管理局在《高性能混凝土结构设计指南》中公布一种改进的ＲＣＭ方法，即采用ＲＣＭ法的试验夹具，初始电流小于１２０ｍＡ的混凝土，试验电压采用６０Ｖ，采用６ｈ的电量值来衡量混凝土的抗氯离子渗透性能。

混凝土工作性能和力学性能试验按照ＧＢ／Ｔ５００８０－２０１６《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和ＧＢ／Ｔ５００８１－２００２《普通混凝土力学性能试验方法标准》。

3结果与讨论3.1正交配合比对抗海水侵蚀混凝土性能的影响本文试验采用Ｌ（４５）正交设计，以水灰比、砂率、粉

煤灰、

矿粉、胶材用量等试验变化因素，配制强度范围为Ｃ２５～Ｃ５０，坍落度取２２０±２０ｍｍ，获得多水平下具有广泛代表性的混凝土配合比。用以探究海洋服役环境下高性能混凝土设计方案。

表3正交试验设计

因素水平

水灰比砂率粉煤灰掺量矿粉掺量胶材用量

１０．４６３８００３００２０．４０４０１０１５３６０３０．３４４２２０３０４２０４

０．２８

４４

３０

４５

４８０

表4混凝土正交试验结果

抗压强度／ＭＰａ海水侵蚀抗压编号２８ｄ６６ｄ海水干湿６６ｄ强度损失率

自然养护循环侵蚀清水浸泡

／％Ａ１３９．４４７．７４８０．６２Ａ２３９．２５３．２５３．９１．３６Ａ３４７．４５６．７５６．８０．１２Ａ４４１５３．１５０．６－５．０１Ａ５－－－－Ａ６５７．１６３．７５９．８－６．５２Ａ７５０．１６３．０４６．３－３６．００Ａ８４３．９５８．７６０．１２．２７Ａ９５２．４６９．４６６．８－３．８４Ａ１０４４．３６３．１５９－６．８９Ａ１１６１．３７０．５７３．５４．０４Ａ１２４１．６６９．８６８．５－１．９５Ａ１３６０．９７２．９７６．９５．１６Ａ１４３４．４７４．６７５．９１．７６Ａ１５５０６２．６５６－１１．８５Ａ１６

５７．８

７１．１

６７．４

－５．５４

-8-

广东建材2019年第2期在试验结果的基础上，采用２８ｄ抗压强度以及６６ｄ海水侵蚀抗压强度损失率对各因素进行了正交分析。

图1各因素对海工混凝土28d抗压强度的影响

图2各因素对海工混凝土

60d海水干湿循环侵蚀强度损失的影响

以市场价格计算海工混凝土的成本价格来评判海工混凝土的经济性，其中海工混凝土的水泥价格为３５０元／ｋｇ，粉煤灰为１４５元／ｋｇ，矿粉为２３５元／ｋｇ，石为８０元／ｋｇ，砂为８０元／ｋｇ，研究了各因素对海工混凝土经济性的影响，如图３。并根据海工混凝土各性能的重要程度，将加权系数设置如表５所示，性能指标的排队评分方法如表６所示。由于不同龄期抗压强度具有较大的相关性，因此各取其权重为１０％，海工混凝土的６０ｄ海水干湿循环侵蚀强度损失及其经济是其最核心的性能指标，因此其权重取３５％，最终得出各因素对海工混凝土的综合分析，如图４。

表5海工混凝土各性能的加权系数

性能指标

加权系数２８ｄ强度１０％６０ｄ抗压强度１０％６０ｄ侵蚀强度１０％６０ｄ强度损失３５％经济性

３５％

广东建材2019年第2期表6单一指标排队评分方法

排名评分１－２１００３－４９０５－６８０７－８７０９－１０６０１１－１２５０１３－１４４０１５－１６

３０

图3各因素对海工混凝土28d抗压强度的影响

图4各因素对海工混凝土

60d海水干湿循环侵蚀强度损失的影响

通过开展Ｌ（４５）正交设计试验，以水灰比，砂率，粉煤灰、矿粉、胶材用量等试验变化因素，综合考虑五个维度的影响，最终得出最优的海工混凝土配合比，配合比参数如表７。

表7海工混凝土最优配合比ZJ

原材料单方质量／ｋｇ

水泥２５２矿粉１６８石１０８７砂７２４．８用水量

１６８

材料研究与应用3.2陶砂对混凝土抗氯离子渗透性能的影响陶砂是经高温烧结、膨胀而成，内部含有大量的封

闭和联通的孔隙。陶砂这种内含多孔结构特点，可以通过自身的毛细吸水和返还作用达到“微泵”的效果。在混

凝土拌合时，会吸收一部分的拌合水，同时把空气密闭在孔隙内，这些密闭空气能截断海水进入混凝土内部的通道，有利于混凝土抗海水侵蚀性能的提高。在混凝土硬化后，陶砂孔隙中的水分将返还给水泥浆体，以供水泥的进一步水化，使水泥水化更为充分，界面强度增大，混凝土的密实度提高，这一定程度上又可以提高混凝土抗海水侵蚀性能。另外陶砂表面粗糙且有微孔，与水泥浆体的接触面积远大于普通混凝土，另一方面，由于陶砂的“微泵”作用，使得陶砂表面的局部水灰比降低，增强陶砂与浆体界面粘接力，从而提高界面强度。本阶段将陶砂采用同体积替代部分河砂，研究陶砂

掺量对混凝土的工作性能、

力学性能以及抗氯离子渗透性能的影响。

表8改性试验混凝土配合比

编号用水量砂石

矿粉水泥陶砂ＺＪ１６８７２４．８１０８７１６８２５２０ＺＪ－１１６８５７９．８４１０８７１６８２５２２０％ＺＪ－２

１６８４３４．８８

１０８７

１６８

２５２

４０％

表9陶砂改性混凝土试验结果

编号外加剂抗压强度电通量掺量流动度／扩展度／ＭＰａ／Ｃ备注ＺＪ０．８５２０５／５１０＋５２０６７５７５．７基准ＺＪ－１０．８５２１５／５３０＋４９０５４．９３３８．６陶砂ＺＪ－２

０．８５

２００／５２０＋５５０

６０．２

５７２．２

改性

从表８、表９可以看出，陶砂的加入对混凝土工作

性能影响不大，但是混凝土的力学性能有一定的减弱，但减弱幅度不大；在抗氯离子渗透性能方面，随着陶砂掺量的增加，电通量出现先降低后升高的现象，即在抗氯离子渗透方面，陶砂的掺量为２０％，混凝土的抗氯离子渗透性能达到最佳，且此时混凝土的抗压强度降低幅度也最小。

4结论⑴通过开展Ｌ（４５）正交设计试验，研究了各因素对２８ｄ抗压强度以及６６ｄ海水侵蚀抗压强度损失率的影响进行了正交分析，并综合考虑当前湖北混凝土原材料市场价格，得出了海工混凝土最优配比。

⑵在此基础上研究陶砂作为抗氯盐侵蚀改性材料

（下转第１２页）

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材料研究与应用表11聚丙烯纤维长度对自密实混凝土工作性能的影响

纤维长度／ｍｍ１０１２１４１６

纤维体积掺杂量／％０．１２０．１２０．１２０．１２

坍落度扩展度／ｍｍ６１５６０５５８０５５５

Ｔ５００／ｓ５．４５．６５．９６．３

Ｖ形漏斗Ｔ／ｓ１３．１１３．６１３．９１４．２

Ｌ形仪Ｈ２／Ｈ１＝０．８０Ｈ２／Ｈ１＝０．７７Ｈ２／Ｈ１＝０．７５Ｈ２／Ｈ１＝０．７４

广东建材2019年第2期⑵聚丙烯纤维的体积掺入量直接影响了自密实混凝土的工作性能和力学性能。本实验发现，当体积掺入量大于０．１２％时，纤维团聚现象明显，虽然提高了劈裂强度和抗折强度，但是严重影响工作性能和２８ｄ抗压性能。因此，在既有的配合比不调整的情况下，聚丙烯纤维最佳的体积掺入量为０．１２％。

⑶聚丙烯纤维长度也对自密实混凝土的工作性能和力学性能有影响。本次实验，在固定体积掺入量０．１２％时，改变纤维长度，实验发现，纤维的长度对２８ｄ抗压强度的影响可忽略不计，但对劈裂强度和抗折强度有较大的提高。因此，长纤维更加适合作为自密实混凝土的原料。●【参考文献】

表12聚丙烯纤维长度

对自密实混凝土力学性能的影响

纤维长度／ｍｍ１０１２１４１６

纤维体积掺杂量／％０．１２０．１２０．１２０．１２

抗压强度（２８ｄ）劈裂强度抗折强度

／ＭＰａ／ＭＰａ／ＭＰａ４３．８３．６２６．００４３．９３．８１６．１２４３．７４．３０６．４１４３．６４．５２６．８７

抗压强度的变化不太明显，劈裂强度和抗折强度不断增加。这个是由于随着聚丙烯纤维长度增加，长细比增加，

当试样收到劈裂和抗折更加有利于纤维之间形成桥接。

作用时，所受力通过纤维之间的桥接作用传递开来，整体上提高了试样的性能，起到阻裂作用，阻碍了裂纹的生成和发展，提高了劈裂强度和抗折强度。

［１］曹诚，王春阳．低掺量聚丙烯纤维在混凝土中的效应分析［Ｊ］．混凝土与水泥制品，２０００，（增刊）：３４－３６．

［２］丁一宁，王岳华，董向军，张峻翔．纤维自密实混凝土高性能「Ｊ］．木工程学报，２００５：５１－５７．混凝土工作度的试验研究

［３］ＧＢ／Ｔ５００８１—２００２，普通混凝土力学性能试验方法标准［Ｓ］．［４］陈睿，刘真．自密实混凝土应用研究［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００１，２３（１２）：２４－２６．

「Ｊ］．硅酸盐［５］刘运华，谢友军，龙广成．自密实混凝土研究进展学报，２００７，３５（５）：６７１－６７８．

［６］马一平，朱蓓蓉，谈慕华．纤维参数对水泥砂浆塑性收缩开裂「Ｊ］．建筑材料学报，２００２，５（３）：２２０－２２４．性能的影响

［７］傅沛兴，贺奎．自密实混凝土的配合比设计［Ｊ］．建筑技术，２００７，３８（１）：４９－５２．

［８］赵文兰．高性能自密实混凝土的力学性能研究［Ｄ］．郑州大学，２００５．

4结论⑴在自密实混凝土中掺入适量聚丙烯纤维可以改

阻碍混变力学性能。聚丙烯纤维在拌合物中相互桥接，

凝土硬化过程中裂缝的产生，减少了裂缝的数量，同时在受力的情况下，纤维之间的作用可以分散受力，延缓裂缝的发展，缓和了应力集中的程度，最终提高了劈裂强度和抗折强度。

------------------------------------------------（上接第９页）

对混凝土工作性能、力学性能以及抗氯离子渗透性能的影响，试验发现陶砂自身的良好毛细吸水和返还作用可达到很好的混凝土自养护效果，在陶砂掺量为２０％时，抗氯离子渗透性能较普通混凝土提高４０％以上。●【参考文献】

［１］邱大洪．海岸和近海工程学科中的科学技术问题［Ｊ］．大连理

工大学学报，２０００，４０（６）：６３１－６３７．

［２］夏宁，孝民，任青文．混凝土结构耐久性研究现状［Ｊ］．水利水电科技进展，２００５，２５（４）：６３－６６．

［３］卢木．混凝土耐久性研究现状和研究方向［Ｊ］．工业建筑，１９９７，２７（５）：１－６，５２．

［４］洪乃丰．混凝土中钢筋腐蚀与结构物的耐久性［Ｊ］．公路２００１，（２）：６６－６９．

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