矿物掺合材料在高性能海工混凝土中的应用
......
上海为了建设全国乃至世界的物流中心和开发海洋自然资源,海洋工程的发展十分迅速。作为世人瞩目的工程,深水港项目对上海经济持续高速发展将起到十分重要的拉动作用。而作为上海深水港重要组成之一的东海大桥南起浙江崎岖列岛小洋山岛的深水港区,北至上海南汇芦潮港的海港新城,跨越杭州湾北部海域,全长31公里,是我国较为罕见的大型海洋工程。由于东海大桥是连接港区和大陆的集装箱物流输送动脉,对上海深水港的正常运转起到不可或缺的支撑保障作用,因此在国内首次采用100年设计基准期。为了保证大桥混凝土在海洋严酷的环境中有较高的耐用寿命,采用了高性能混凝土技术方案。
高性能海工混凝土即针对混凝土结构在海洋环境中的使用特点,通过合理的配制技术,形成耐久性能、施工性能、物理力学性能以及相关性能俱佳的混凝土材料。高性能海工混凝土的突出特点表现在其高耐久和耐腐蚀性能,尤其是混凝土抵抗氯离子侵蚀的性能方面。
高性能海工混凝土与普通混凝土在原材料、配合比以及生产和施工工艺等方面有所差别。具体表现在,(1)高性能海工混凝土胶凝材料的原材料除水泥外,还要掺用至少一种矿物细掺料,并保证一定的胶凝材料用量,从而使得混凝土微结构得以优化,孔隙结构得以改善。(2)高性能海工混凝土通过高性能混凝土减水剂的合理使用,降低混凝土单方用水量,有利于形成混凝土致密结构。(3)高性能海工混凝土在保证其良好的施工性能和物理力学性能的同时,最大化地提高其耐久性能,尤其是抵抗海洋环境中的氯离子侵蚀作用。
本文根据课题组在深水港东海大桥高性能海工混凝土技术的研制结论,着重分析矿物掺和材料在其中的应用。
二、 高性能海工混凝土专用掺和料的研究开发
2.1 原材料及试验
细度
80um
筛余量% |
初凝
时间
(min) |
终凝
时间(min) |
安
定
性 |
抗压强度(MPa) |
抗折强度(MPa) |
密度
g/cm3 |
标准稠度用水量
%
|
比表面积m2/kg | ||
3d |
28d |
3d |
7d | |||||||
1.4 |
90 |
135 |
合格 |
46.2 |
74.0 |
7.6 |
11.0 |
3.12 |
26.2 |
383 |
化学成分
胶凝材料 |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
CaO |
MgO |
Na2O |
K2O |
SO3 |
H牌525#水泥 |
20.40 |
5.25 |
3.38 |
64.1 |
1.28 |
0.06 |
0.64 |
2.88 |
矿渣 |
32.81 |
14.10 |
2.88 |
2.55 |
1.07 |
- |
- |
0.55 |
粉煤灰 |
48.70 |
27.60 |
7.90 |
1.50 |
1.50 |
1.70 |
3.40 |
0.80 |
硅灰 |
91.10 |
1.33 |
3.68 |
0.33 |
1.44 |
0.55 |
1.51 |
0.28 |
图1混凝土立方体抗压强度发展趋势
图2 混凝土渗透高度比
图4 胶凝材料颗粒平均粒径
掺加了粉煤灰和矿粉等掺合材料的混凝土的抗氯离子渗透能力明显强于普通混凝土。即掺合材料的引入,明显地改善了混凝土的抗渗性能。如图2、图3所示,掺合料混凝土渗透高度比和抗氯离子扩散系数明显较普通混凝土小。从混凝土的抗渗透能力上来说,H4最好,H3次之,H2再次,但都强于H1胶凝材料仅为硅酸盐水泥的普通混凝土。
(3) 胶凝材料颗粒粒度分析
Rosin-Rammler分布的均匀性系数n是粉料粒度分析的一个重要表征参数。n值越小,表明颗粒群体分布范围越广,大小颗粒相互搭配,其颗粒级配越好。粉料的空隙率的大小也可以比较各粒径范围内的颗粒互相填充的效果,即空隙率越小级配越好。分析混凝土粉料的微级配,以比较各胶凝材料复合时的互相填充效果。分析结果如图5、6所示。
图6 粉料空隙率
从图5、6可以看出,H4的均匀性系数n值最小,H3、H2次之,H1最大;也就是说相比较而言,水泥、矿渣、粉煤灰、硅灰等四种复合的胶凝材料的级配最为密实,水泥、矿渣、粉煤灰等三种复合的胶凝材料次之、水泥、矿渣等复合的胶凝材料次之,水泥最差。
根据上述试验结果,粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰等多元矿物掺合材料在微集料效应复合、火山灰效应复合、形态效应复合以及界面效应交互复合作用下,对混凝土综合性能有明显改善。复掺粒化高炉矿渣、粉煤灰、硅灰四元复合胶凝材料的混凝土,其综合性能要优于复掺矿粉、粉煤灰的三元复合胶凝材料的混凝土,亦优于单掺矿粉的二元复合胶凝材料的混凝土。这说明只要比例控制适当,使得三种矿物掺合料交互复合达到正效应的最大化,协同水泥,形成四元复合胶凝体系,有助于混凝土良好微级配的形成,从而改善混凝土的宏观性能。
根据上海地区原材料的供应情况以及多元矿物掺合材料复合交互效应特点,并根据海工混凝土构件所处腐蚀环境的不同以及耐久性要求的不同,开发了高性能海工混凝土专用掺和材料Ⅰ型和Ⅱ型。高性能海工混凝土专用掺合料以矿渣微粉为主要原料,以粉煤灰、硅粉等活性矿物掺合材料为辅掺材料,采用适度球磨混合工艺生产。两种型号掺和料的选材、配比和工艺控制参数有所区别,主要是针对海工混凝土构件不同的耐用环境要求以及保护层等结构因素,通过掺合材料而对混凝土达到不同的改善效果。通过多批试验生产,确定了高性能海工混凝土专用掺合料的质量控制参数和企业标准,并取得产品发明专利。在东海大桥工程以及港区码头工程中得到应用。
图7 高性能海工混凝土专用掺合料掺量对混凝土性能的影响
3.2.1试验用混凝土配合比
编号 |
掺合料类型 |
水胶比 |
每立方砼中材料用量(kg/m3) | ||||
水泥 |
掺合料 |
砂 |
石 |
外加剂 | |||
35J |
基准组 |
0.36 |
400 |
0 |
686 |
1168 |
3.6 |
35Ⅰ |
Ⅰ |
0.36 |
120 |
280 |
668 |
1188 |
3.6 |
35Ⅱ |
Ⅱ |
0.36 |
120 |
280 |
668 |
1188 |
3.6 |
50J |
基准组 |
0.32 |
470 |
0 |
641 |
1139 |
4.23 |
50Ⅰ |
Ⅰ |
0.32 |
188 |
282 |
641 |
1139 |
4.23 |
50Ⅱ |
Ⅱ |
0.32 |
188 |
282 |
641 |
1139 |
4.23 |
3.2.2 新拌混凝土性能
编号 |
坍落度(mm) |
粘聚性 |
保水性 |
坍落度经时损失(mm) | |||
30min |
60min |
90min |
120min | ||||
|
165 |
一般 |
一般 |
150 |
120 |
90 |
70 |
35Ⅰ |
175 |
良好 |
良好 |
175 |
150 |
135 |
130 |
35Ⅱ |
170 |
良好 |
良好 |
170 |
150 |
130 |
110 |
50J |
160 |
一般 |
一般 |
155 |
120 |
80 |
60 |
50Ⅰ |
165 |
良好 |
良好 |
165 |
150 |
140 |
110 |
50Ⅱ |
160 |
良好 |
良好 |
160 |
145 |
140 |
110 |
编号 |
抗压强度(MPa) | |||||
3d |
7d |
14d |
28d |
60d |
90d | |
35J |
34.6 |
43.2 |
48.3 |
51.2 |
56.3 |
60.1 |
35Ⅰ |
26.9 |
33.8 |
38.9 |
46.6 |
52.6 |
60.3 |
35Ⅱ |
28.5 |
37.1 |
40.8 |
47.4 |
58.8 |
62.9 |
50J |
40.8 |
50.9 |
58.7 |
64.3 |
66.8 |
67.4 |
50Ⅰ |
31.3 |
42.5 |
53.2 |
63.4 |
67.5 |
70.2 |
50Ⅱ |
35.9 |
44.2 |
54.5 |
65.7 |
68.9 |
70.6 |
表5趋势说明了在标准养护条件下,相对普通混凝土(纯水泥混凝土)而言,掺有Ⅰ型和Ⅱ型高性能海工混凝土专用掺和料的高性能海工混凝土的早期抗压强度较低,28天抗压强度则基本相当,而后期强度则较高,并且各龄期Ⅱ型高性能混凝土的抗压强度均大于Ⅰ型。
3.2.4混凝土其它力学性能
编号 |
抗折强度(Mpa) |
劈拉强度(Mpa) |
轴压强度(Mpa) |
弹性模量(104MPa) |
35J |
8.0 |
4.3 |
36.6 |
3.00 |
35Ⅰ |
7.4 |
3.8 |
29.7 |
3.27 |
35Ⅱ |
7.9 |
4.0 |
27.2 |
3.35 |
50J |
9.5 |
4.4 |
43.8 |
3.69 |
50Ⅰ |
8.9 |
3.9 |
36.8 |
3.65 |
50Ⅱ |
9.3 |
4.5 |
36.6 |
4.13 |
3.2.5 收缩变形性能
图8 35系列混凝土收缩变形性能
3.2.6混凝土的绝热温升变化趋势
表7:混凝土绝热温升试验结果
编号 |
绝热温升值(℃) |
峰值时间(小时) |
50J |
74.2 |
45 |
50Ⅰ |
65.5 |
61 |
50Ⅱ |
67.4 |
53 |
根据表7,高性能海工混凝土在配制过程中大掺量引入活性矿物掺合材料,故其绝热温升峰值较基准混凝土有不同程度的降低,且峰值出现时间推迟。在相同掺量条件下,Ⅱ型掺合料其绝热温升较Ⅰ型掺合料要高,峰值出现时间提前。故采用Ⅰ型高性能海工混凝土专用掺合料的混凝土可用于大体积混凝土的浇筑。
3.2.7 混凝土常规耐久性能
编号 |
碳化深度(mm) |
渗透高度(mm) |
抗冻(冻融循环100次) | |||
碳化深度
(mm) |
碳化后混凝土强度损失(%) |
最大渗水压力(MPa) |
渗水高度
(mm) |
质量损失
(%) |
相对动弹性模量损失(%) | |
35J |
0.30 |
0.63 |
2.5 |
26.3 |
0.9 |
8.1 |
35Ⅰ |
0.16 |
0.42 |
2.5 |
7.1 |
0.6 |
6.9 |
35Ⅱ |
0.16 |
0.46 |
2.5 |
6.5 |
0.6 |
7.2 |
50J |
0.25 |
0.50 |
2.5 |
20.5 |
0.7 |
7.2 |
50Ⅰ |
0.17 |
0.38 |
2.5 |
6.6 |
0.5 |
6.8 |
50Ⅱ |
0.14 |
0.37 |
2.5 |
5.4 |
0.4 |
6.4 |
表中数据表明,高性能混凝土的抗碳化、抗渗和抗冻性能均较基准混凝土有不同程度的提高,尤其是高性能混凝土抗渗能力的改善十分明显,说明较基准混凝土,高性能混凝土的内部孔隙结构得以致密或曲化,使得渗透通路阻塞或延长。
为对比掺有Ⅰ和Ⅱ型掺合料的高性能海工混凝土与纯水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能和抵抗碱骨料反应性能, 同时进行了复合胶凝体系与纯水泥体系的抗蚀系数和碱骨料反应试验。 表9结果表明,将高性能海工混凝土专用掺合料引入纯水泥胶凝体系后,其抗硫酸盐、抑制碱骨料反应的能力有明显改善。
编 号 |
抗蚀系数 |
碱骨料反应 |
纯硅酸盐水泥(100%) |
0.92 |
0.2 |
纯硅酸盐水泥(40%)+Ⅰ型掺合料(60%) |
1.25 |
0.05 |
纯硅酸盐水泥(40%)+Ⅱ型掺合料(60%) |
1.12 |
0.03 |
3.2.8混凝土抗Cl-渗透性能研究
编号 |
电通量(C) |
表观Cl-扩散系数Da(E-12m2/s) |
备注 |
35J |
1263 |
4.85 |
此中Da值为浸泡90天时的测试值 |
35Ⅰ |
826 |
1.28 | |
35Ⅱ |
741 |
1.10 | |
50J |
1112 |
4.26 | |
50Ⅰ |
750 |
1.15 | |
50Ⅱ |
637 |
0.95 |
试验结果表明,掺有海工专用掺和料的混凝土电通量均小于1000C,且Ⅱ系列较Ⅰ系列小,但均比基准混凝土组小。这说明高性能海工混凝土的抗氯离子渗透性能比普通混凝土有极大提高,Ⅱ型高性能海工混凝土专用掺合料对于混凝土抗氯离子渗透性能的改善程度较Ⅰ型掺合料高。90天表观氯离子扩散系数的测试结果也与电通量试验结果有相类似的趋势。
3.2.8.2恒电压钢筋快速锈蚀试验
四、结论
4.2 高性能海工混凝土专用掺合料基于各种矿物掺合材料的交互叠加效应,通过各种矿物掺合材料的合理匹配,以特殊工艺形成的可满足高性能海工混凝土配制的矿物外掺材料,对新拌混凝土性能,混凝土的物理力学性能,混凝土温升,混凝土抑制碱骨料反应等具有改善效果。尤其对混凝土耐久性能,抗氯离子侵蚀性能等有显著的增益效果。
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