高性能海工混凝土外加剂优选试验研究

谢 蒙 李玉伟 吴立彬

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东广州 510610)

随着我国海洋及海岸经济开发与基础建设的大量开展，海工结构及构筑物的混凝土强度技术日趋成熟，如何大幅度提高混凝土的耐久性能则亟待解决。

在海洋环境下，混凝土结构不仅遭受海水的动力破坏，同时还要抵抗多种化学离子侵害，而氯离子的侵蚀作用尤为明显。海水中的氯离子会透过混凝土腐蚀钢筋，导致混凝土开裂，发生整体破坏[1]。因此，非常有必要对海工高性能混凝土进行系统研究。影响混凝土性能的主要因素是掺合料和外加剂，在混凝土中加入适当的活性掺合料，可以大大提高其密实性，是提高其耐久性的有效方法[2]。本试验依托汕头市某水闸项目，采用不同外加剂对海工混凝土的性能影响展开了外加剂的优选研究。

1 试验目的、内容及方法

1.1 试验目的及内容

当地石材强度指标偏低，石料中风化石含量较多，其压碎指标只能达到 10%左右，给项目的高性能配合比设计工作带来难题。根据工程设计要求和当地原材料供应情况，本着经济、实用和安全的原则，合理采用双掺粉煤灰和矿粉矿物掺合料，以抗压强度、抗渗等级、电通量及氯离子扩散系数作为混凝土耐久性主控指标，对相关外加剂进行优选，同时考虑外涂剂，综合性研究外加剂与当地材料适配性能比较。拟选择的外加剂种类有：深圳某公司的CPA海港混凝土抗蚀增强剂（简称CPA）、上海某公司的WG-高效抗腐蚀剂（简称WG）及进口的DPS永凝液（简称DPS）。其中CPA与WG均为粉状复合型增强剂，内含部分硅灰等成分。

1.2 试验原材料

试验采用汕头韩江砂，砂的关键性能参数如下：含泥量0.3%，泥块含量0.1%，细度模数2.6。

碎石采用二级配：5～20mm的关键性能参数如下：含泥量0.4%，针片状4%，压碎指标14；16～31.5mm的关键性能参数：含泥量0.4%，针片状4%，压碎指标14%。

水泥采用广东塔牌 P.O.42.5R普通硅酸盐水泥，水泥的关键性能参数如下：比表面积352 m2/kg，安定性合格，标准稠度用水量 25.8%，3d抗折/抗压强度4.4/6.9 MPa，28d抗折/抗压强度23.4/43.7 MPa。

粉煤灰采用漳州益材Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的关键性能参数如下：细度 15.3%，需水量比 98%，烧失量0.4%，三氧化钙0.1%，密度2.4 kg/m3。

矿粉采用揭东县永泰粒化高炉矿渣粉，矿粉的关键性能参数如下：密度 2.88 kg/m3，比表面积414m2/kg，烧失量0.76%，流动度比97%，活性指数7d为78%、28d为112%，三氧化硫0.18%，氯离子0.007%。

1.3 试验方法

在一定水胶比的基础上，内掺不同的外加剂，制成相应的试块并按照标准养护，测试其相应的抗压强度、抗渗等级、电通量及氯离子扩散系数。

抗压强度试验采用150mm×150mm×150mm的试件，并按《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)进行试验。混凝土的抗渗等级、电通量和氯离子扩散系数均按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)要求进行试验。其中，抗渗试验采用 Ф175mm×185mm×150mm的圆台体试件及HP-40型混凝土抗渗仪，逐级加压法试验；氯离子扩散系数采用Ф100mm×50mm的圆柱体试件及NJ-RCM混凝土氯离子扩散系数测定仪，按照 RCM法进行试验；电通量采用Ф100mm×50mm的圆柱体试件及SW-6D型混凝土氯离子电通量测定仪进行试验。

1.4 外加剂及外涂剂组合情况

考虑三个影响因素：WG、CPA、DPS，采用无内掺外涂样、单掺样及组合样进行对比分析。考虑到百年使用期限，设计要求较高，其中，抗压强度需达到C45等级，抗渗等级P9，氯离子电通量6h通过电量≤800C，氯离子扩散系数≤4e-12m2/s。

表1 外加剂组合表

1.5 配合比设计

混凝土的工作性能要求为：坍落度160～200mm，经过一系列试拌与调整，具体的配合比见表2。

2 混凝土试验结果分析

2.1 混凝土拌合物工作性能分析

无内掺外涂样和内掺样的混凝土拌合物的质量密度平均值由大到小依次为：掺 WG样组平均值2461kg/m3，素混凝土样6组平均值2454kg/m3，掺CPA样6组平均值2399kg/m3。

坍落度值分布区间为 170～200mm之间，满足设计要求，而延展度的分布情况见图1。18个试验组的扩展度分布区间为 390mm～520mm之间，分布较为均匀，无重大差异性，综合来看，混凝土的配合比试拌效果良好。

图1 混凝土拌合物扩展度分布散点图

式中：y为强度值，t为成型天数，a、b为拟合参数。

2.2 混凝土强度分析

试验获得了不同外加剂组合下混凝土的14天、28天和56天抗压强度数据，见表3。通过对单个试验组合的强度曲线拟合，基本符合对数增长模式：

表2 配合比设计及工作性能

表3 无内掺外涂样及不同外加剂试样抗压强度

在胶凝材料（包含外加剂）均为410kg/m3的情况下，CPA及WG两种外加剂的混凝土抗压强度相对无内掺外涂样试件均有不同程度的提高。CPA的28d强度提高其强度29%，56d提高35%；WG的28d强度提高其强度13%，56d提高25%。

在水胶比及胶凝材料、砂石用量都相同的情况下，内掺WG及喷涂DPS两种途径的混凝土抗压强度相对无内掺外涂样试件均有不同程度的提高。喷涂DPS对试样的强度影响不明显，WG的28d强度提高其强度13%～17%。

2.3 混凝土抗渗性能分析

混凝土的抗渗性表征了其抵抗有压力水渗透作用的能力，在工程结构实体中，抗渗性能差的混凝土，会导致一部分水渗入混凝土内部，当遇到冰冻情况或者水中含有侵蚀物质时，混凝土易发生冻害或者侵蚀破坏。其发生的原因有两方面，一方面是施工振捣不密实或者有裂缝；另一方面是水泥浆中多余的水分蒸发而留下的毛细孔、水泥浆泌水而形成的孔道及骨料下部界面聚积的水隙，其通道的多少主要关乎于胶凝材料性能与水灰比的大小。

试验结果（表4）表明：单涂DPS试件的抗渗等级(P)与无内掺外涂样试件相比有不同程度的提高，提高率为16.7%～40%。单掺CPA、单掺WG、掺CPA涂DPS、掺WG涂DPS试件的抗渗等级(P)与空白样试件相比显著提高，提高率为 66.7%～200%，其抗渗等级(P)为 10～12，均能满足设计抗渗等级P9要求。

可见，掺合料掺入混凝土中具有改善了内部组分，优化了内部孔隙结构，从而使高性能混凝土的抗渗性能得到大幅度的提高。另外，外涂DPS对试样的抗渗性能有一定的提高，但效果相对不明显。

表4 无内掺外涂样及不同外加剂试样的耐久性能

2.4 混凝土抗氯离子渗透性能分析

混凝土氯离子扩散系数试验结果（表4）表明：无内掺外涂样试件的 RCM值(e-12m2/s) 为 6.35～8.55；单涂DPS试件的RCM值(e-12m2/s) 为5.40～8.01；单掺CPA及单掺WG试件的RCM值(e-12m2/s)为 4.79～6.55。掺 CPA涂 DPS试件的 RCM值(e-12m2/s)为2.34～2.57，满足设计氯离子扩散系数≤4e-12m2/s的要求；掺WG涂DPS值(e-12m2/s)为 3.85～5.95。可见：单涂DPS、单掺CPA及单掺WG的RCM值(e-12m2/s)均明显减低，其中：单掺CPA及单掺WG的效果优于单涂DPS；掺CPA涂DPS和掺WG涂DPS的耐久性能明显优于单涂DPS、单掺CPA及单掺WG；掺CPA涂DPS的耐久性能效果最好。

图2 典型电通量曲线

混凝土电通量试验的典型电通量曲线如图2所示，试验结果（表4）表明：单掺CPA及单掺WG、掺WG涂DPS、掺WG涂DPS的混凝土电通量要远远高于素混凝土样，基本能够满足设计氯离子电通量6h通过电量≤800C的要求；而无内掺外涂样及单涂DPS的效果较差，不足以满足设计要求。

3 结 语

（1）不同外加剂组合下高性能海工混凝土的14d、28d和56d抗压强度的增长规律仍基本符合对数增长模式。

（2）掺合料掺入混凝土中具有改善了内部组分，优化了内部孔隙结构，从而使高性能混凝土的抗渗性能得到大幅度的提高。而外涂DPS对试样的抗渗性能有一定的改善，但效果相对不明显。

（3）混凝土氯离子扩散系数为混凝土耐久性能的控制性指标。对于高性能海工混凝土来说，氯离子扩散系数指标与混凝土电通量指标相比，要敏感得多。

（4）高性能海工混凝土的耐久性能，往往不能通过单掺某种外加剂就可达到其耐久性能，应因结合工程所在地的原材料特性，适当采用外涂和内掺组合方式，达到保证其耐久性能的目的。

[1]赵国藩.高性能混凝土发展简介[J].施工技术,2002(4)∶1～2,16

[2]朱晓文,吕恒林.双掺高性能混凝土抗氯离子渗透性试验研究[J].粉煤灰综合利用,2009(5)∶116～119

[3]王成启.Ⅱ级粉煤灰对海工高性能混凝土抗氯离子渗透性能的影响[J].水运工程,2006(6)∶5～8

[4]刘建忠,刘家平.矿物掺合料对混凝土抗压强度和氯离子渗透性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2005(4)∶11～13