低温早强耐久高性能混凝土研究

陈锦华(兰州交大工程咨询有限责任公司，甘肃 兰州730070)

低温早强耐久高性能混凝土的研究和应用，对解决低温条件对混凝土的冰冻损害和解决高原地区混凝土的防腐蚀是一种行之有效的方法。一是研究采取掺加高效减水、早强、防冻、防腐蚀复合外加剂的技术措施，使混凝土（负温混凝土）既可以在正温条件下凝结硬化，又可以在负温条件下凝结硬化，同时具有良好的抗腐蚀能力，且在负温下表现出其特殊的凝结硬化功能：①负温下不会遭受冻害、强度持续增长；②在规定的龄期内达到混凝土相应的设计强度等级，为下一步工程施工打下基础。二是通过优化混凝土设计，使混凝土具有良好的工作性能。三是通过对低温早强耐久高性能混凝土在负温条件下混凝土强度的发展规律的研究，为养护方案的确定提供依据。四是通过混凝土耐久性的试验研究，确定保证和提高混凝土耐久性的技术措施，使混凝土结构物在高原严寒干燥多风恶劣条件下仍具有良好的工作性能。

研究低温早强耐久高性能混凝土在不同负温条件下混凝土强度的发展规律：根据工程施工期间气温变化情况，研究混凝土在10℃、0℃、-10℃、-20℃强度发展情况和受冻害情况，为养护方案的确定提供依据。

1 耐久性混凝土复合外加剂的选择与作用机理分析

高原冬季施工混凝土外加剂为铁科院铁峰建筑工程技术开发公司生产的DZ-X系列低温早强高性能耐久混凝土复合外加剂，具有以下显著作用。

1.1 抗冻作用

外加剂中含有防冻组分，此防冻组分是指一种能使混凝土拌合物在负温环境下不受冻害的化学物质。它能够有效降低混凝土中水的结冰温度，从而可以使混凝土中的水泥和水在一定的负温下起化学反应，保证混凝土硬化。有许多无机盐和某些有机物都具有防冻功能，如亚硝酸钠、氯化钠、尿素、甲醇、氯化钙、碳酸钾等。

1.2 减水组分

减水组分具有良好的减水效果。在较低的水灰比下就能使混凝土获得很大的坍落度，达到泵送混凝土的要求。如本工程中C30强度等级的混凝土水胶比仅为0.39，基准混凝土坍落度只有20mm，加入DZ-3外加剂后坍落度达到180mm。该组分是一种表面活性剂，它能使水泥在水化过程中形成的絮状结构分散，絮状结构中包裹的许多水分就释放出来，从而有效地增加了混凝土拌合物的流动性。另一方面，由于减水作用对水泥的分散作用，使得水泥颗粒与水接触的表面更多，水化比较充分，从而可提高混凝土的强度，还能提高混凝土的抗渗性能及防腐蚀能力。

1.3 早强组分

该组分可促进水泥水化速度，使混凝土获得较高的早期强度，促进混凝土早期结构的形成，提高混凝土早期抵抗冻害的能力。

1.4 引气组分

引气组分能在混凝土中产生一定量的微小独立空气泡，气泡的直径大小在0.05～1.25mm之间，均匀分布在混凝土中，在拌合物中犹如“滚珠”一样起到润滑作用，增加拌合物的流动性；引入的微小气泡，存在于硬化的混凝土中，对冻融破坏起到一定程度的缓冲作用，提高混凝土的抗冻融性，微小气泡增加了渗水的阻力，提高了混凝土的抗渗性。

1.5 抗渗组分

该组分为有机表面活性剂，掺入混凝土中可形成络合物，堵塞毛细孔隙，显著提高混凝土的抗渗性，从而提高了混凝土的耐久性。

2 耐久性混凝土的优化配制

2.1 混凝土配合比设计耐久性技术指标要求

为了保证青藏高原严寒干燥多风等恶劣条件下各种混凝土构件的寿命，高原耐久性混凝土应达到如下指标：

抗冻融循环性能：混凝土的抗冻融循环次数不少于300次；

抗渗性：混凝土的抗渗等级应不小于S12；

护筋性：混凝土砂浆中的钢筋不得锈蚀；

抗裂性：混凝土表面非受力裂缝的平均宽度不大于0.2mm；

混凝土的抗氯离子渗透性：混凝土抗氯离子渗透值≤1000C。

耐腐蚀性：混凝土耐S042-的极限浓度为2000～l0000mg/L。

耐风蚀性：暴露于大气中的混凝土，其砂浆的磨损率不大于0.5kg/m2。

抗碱—骨料反应性能：符合设计规定。

2.2 混凝土配合比设计技术要求

混凝土配合比设计是保证混凝土质量的中心环节，因此对混凝土的配合比设计、施工工艺均提出了较高的技术要求。具体技术要求如下：

混凝土拌合物在环境气温-20℃范围内不结冰、受冻；

混凝土拌合物温度不低于20℃；

混凝土早期强度要求：当最低气温在-10℃以上时，采用综合蓄热法养护，3～7天达到拆模强度，15～20天强度达到设计强度等级；当最低气温在-10℃～-30℃时，采用蒸汽加热+综合蓄热法养护，3～5天达到拆模强度，15天强度达到设计强度等级；

施工时混凝土灌注采用泵送，搅拌站与施工点较近时，直接泵送，与施工点较远时，混凝土罐车运输泵送；

混凝土具有良好的工作性和可泵性。

2.3 对原材料的技术要求

水泥应选用普通硅酸盐系列产品水泥，其性能应满足GB175-1999的规定。细骨料应选用含泥量小，坚固性优良、有害物含量少、非碱活性、级配良好的中粗砂。粗骨料应选用含泥量小、针片状颗粒含量少、压碎指标值小、坚固性优良、非碱活性、连续级配、坚固耐久的碎石、卵石或二者的混合物，其最大颗粒直径不得大于钢筋最小净距的3/4，且大于40mm的颗粒含量不超过5%。本项目混凝土工程搅拌用水采用三岔河中水，经检验符合混凝土拌和用水要求。

外加剂应选用专用外加剂。掺用外加剂之前，应根据产品性能要求和工程使用的水泥、砂、石、水、掺和料等原料的实际情况，进行适应性试验。试验内容包括：混凝土的坍落度及其损失、混凝土含气量、混凝土泌水率、混凝土凝结时间、混凝土的强度等。实验结果应能满足设计和施工的要求。本项目采用铁科院与兰州铁道学院联合研制的D2-3型低温早强高性能耐久混凝土外加剂。此外加剂在环境温度低于-20。C时需采用外界加热的方法辅助养护。

表1 混凝土的抗裂性能试验结果

表2 混凝土的胶砂护筋性能电位经时试验结果

表3 混凝土的胶砂耐腐蚀性能试验结果

3 低温早强耐久高性能泵送混凝土长期性能试验研究

3.1 试验方法

抗冻融性能、抗渗性、抗氯离子渗透性、耐风蚀性和耐腐蚀试件按相关标准规定的方法成型，在室温下带模静置养护至此成熟度180℃h后，在负温下养护7天拆模再转入标准养护28天，按《青藏铁路混凝土耐久性试验方法》进行相关性能试验。护筋性和抗裂性按《青藏铁路混凝土耐久性试验方法》标准规定的方法成型、养护、试验。

3.2 抗裂性能试验

混凝土出现裂缝的时间直接反映了未成熟混凝土抵抗早期收缩开裂的能力，是混凝土耐久性的重要指标之一。本研究采AASHTO PP34-99标准进行试验。混凝土的抗裂性能试验结果见表1。

从表1中的试验结果来看，掺加D2-3低温早强多功能外加剂的混凝土平均开裂时间为9天，最短开裂时间为6天，因此，混凝土的养护时间不应小于10天。其最大裂缝宽度平均值为0.130mm，最大裂缝宽度极大值为0.175mm，均满足《青藏铁路耐久性混凝土技术条件》最大裂缝宽度不大于0.20mm的技术要求。

3.3 护筋性能试验

本研究采用GB8076-1997标准进行试验。混凝土的胶砂护筋性能试验结果见表2。

从表2中的试验结果来看，掺加DZ-3低温早强多功能外加剂的混凝土阳极极化—时间曲线为钝化曲线，满足《青藏铁路耐久性混凝土技术条件》的技术要求。

3.4 耐腐蚀性能试验

本研究采用GB2420-81标准进行试验。混凝土的胶砂耐腐蚀性能试验结果见表3。

4 结 语

配制高原地区高性能耐久混凝土的关键技术措施是必须在混凝土中掺加具有高效减水、早强、防冻、增实、保坍多功能的复合混凝土外加剂，并采取切实可行的保温、保湿养护措施和一系列工艺措施。

对低温早强耐久高性能泵送混凝土在负温条件下混凝土强度的发展规律的研究，为养护方案的确定提供了技术依据。研究表明：在负温条件下，尤其是在-10～-20℃气温条件下，要想加快施工进度，保证工期和混凝土施工质量，就必须采取加热养护措施，而且养护温度不宜低于10℃，养护保温时间不得少于7天。

通过对混凝土抗冻、抗渗、抗腐蚀等性能的试验研究，DZ-3型高性能耐久混凝土具有一系列优越的物理力学性能和长期耐久性能，可以满足高原地区低温和严寒干燥多风恶劣条件下混凝土施工和使用的需要。

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