海工水泥在洞头南塘中闸的应用研究

马志登，童丽芬，程力群

(浙江省水利水电勘测设计院项目管理公司，杭州 310002)

1 研究背景

随着浙江省现代化进程的飞速发展，沿海地区水利围垦工程建设大量展开，大面积、大体积的钢筋混凝土结构长期在海洋环境中使用，其耐久性和经济性的问题越来越受到重视，这些工程建筑不仅需要有设计要求的安全性和功能性，而且也要求其在海洋环境中保持其耐久性，还要求这些工程在设计年限内抵抗侵蚀能力。我国现有海洋环境下钢筋混凝土的耐久性是一个非常复杂和常见的问题，特别是对于水利工程钢筋混凝土的耐久性研究才刚刚起步。

混凝土结构耐久性是指混凝土结构及其构件在可预见的工作环境及材料内部因素的作用下，在预期的使用年限内抵抗大气影响、化学侵蚀和其他劣化过程，而不需要花费大量资金维修，也能保持其安全性和适用性的功能。混凝土结构产生耐久性失效是由于混凝土或钢筋的材料物理、化学性质及几何尺寸的变化，继而引起混凝土构件外观变化，不能满足正常使用的要求，导致承载能力退化，最终影响整个结构的安全。耐久性失效最普通、最严重的原因是氯化物侵蚀引起的锈蚀，其次是冻融侵蚀、硫酸盐侵蚀、碳化锈蚀、碱集料反应和延缓钙矾石生成［1］。

以洞头南塘中闸为例，对采用海工水泥为原材料提高混凝土抗氯离子性能的技术措施应用开展研究。温州洞头南塘中闸加固改造工程地处浙东南沿海百岛之县洞头岛境内，由水闸、泵站、堤防组成。南塘中闸从2010年底开始施工，2012年3月投入使用。正常潮位以下工程浇筑海工混凝土超4 600 m3，主要部位在底板、闸墩、预应力闸门、胸墙及检修平台，使用海工水泥2 000 t左右。

2 海工水泥特性

在长期的工程实践中，人们认识到普通水泥混凝土在海洋环境中存在严重的海水腐蚀、强度降低、混凝土耐久性差等问题，而高掺量的矿渣、粉煤灰水泥混凝土具有耐腐蚀性、后期强度高等特点，但其早期强度低。海工水泥克服了这些缺点，具有抗腐蚀、阻锈、低水化热、低碱、早强等性能［2］。

(1)抗腐蚀性能:海工水泥抗海水侵蚀系数k≥0.9，对氯离子 Cl－、硫酸盐离子 SO42－腐蚀具有很强抵抗能力。

(2)钢筋阻锈:在水泥矿物组成中添加了钢筋阻锈组分，使混凝土水化后在钢筋表面形成保护膜。

(3)早期强度高:海工水泥与硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥混凝土相比具有较高的早期强度，3 d抗压强度可达28 d抗压强度的50%以上。

(4)抗渗性能:海工水泥中具有微膨胀剂，增强了混凝土的密实性，提高了其抗渗性和抗裂性。

(5)低水化热:海工水泥比普通水泥水化热低1/3。

3 海工水泥物理化学性能指标检测和混凝土配合比的选用

本工程采用“三狮”42.5海工水泥，物理力学性能和化学性能由杭州大业建设工程检测有限公司检测，对潜在膨胀性能、浸泡抗侵蚀性能通过国家建筑材料测试中心进行检验。从试验成果可以得出，海工水泥的比表面积、凝结时间和3 d抗压强度、耐腐蚀性等各项指标均优于普通水泥，结果见表1和表2。细骨料砂的细度模数为2.44，表观密度2 620 kg/m3，含泥量1.6%。5～40 mm粗骨料碎石表观密度2 610 kg/m3，压碎指标8.4%，含泥量0.4%。根据试验室级配试验成果，推荐使用的配合比如表3所示。

4 施工质量控制注意要点

为提高海工混凝土的耐久性，必须在施工过程中控制混凝土的质量，提高混凝土密实性和抗渗性，减少表面裂缝，从而提高混凝土的抗氯离子Cl－、硫酸盐离子SO42－腐蚀性能，所以在施工中要注意以下几点:

(1)混凝土的拌制。本工程采用商品混凝土厂家拌制混凝土，可以严格按配合比控制用量，减少人工拌制材料重量上的误差。混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法，裹砂法裹砂石法等工艺，提高混凝土拌合料的和易性、保水性，提高混凝土强度，减少用水量;大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝、收缩裂缝和施工裂缝，建立混凝土的浇筑振捣制度，提高混凝土密实度和抗渗性，减少混凝土裂缝。

(2)混凝土材料的选用。混凝土拌和骨料应避免碱－集料反应，骨料应尽量避免采用活性集料，限制混凝土的碱含量;限制原材料带入混凝土的氯离子量，即外加剂、拌和水及骨料等带入混凝土的氯离子总量一般不得超过混凝土中水泥重量的0.1% ～0.3%。

(3)控制水灰比。针对水化物以及其引发的问题，在保证混凝土拌和物所需流动性的同时，尽可能降低用水量，减少水灰比，使混凝土的总孔隙，特别是毛细管孔隙率大幅度降低。技术上可通过加入高效减水剂，达到降低水胶比的目的。可掺入高效活性矿物掺料，活性矿物掺料中含有大量活性SiO2(二氧化硅)及活性Al2O3(三氧化二铝)，它们能和水泥水化过程中产生的游离石灰及高碱性水化矽酸钙产生二次反应，生成强度更高、稳定性更优的低碱性水化矽酸钙，从而达到改善水化胶凝物质的组成，消除游离石灰的目的，使混凝土结构更为致密，并阻断可能形成的渗透路径［3］。

(4)温度控制。混凝土在温度效应下的性能受许多因素影响，如材料组成、升温速度、最高温度、最高温度下的持续时间、冷却方法及是否存在荷载等。普通混凝土虽然能承受一定程度的温度作用，但其内部化学组成会发生一定的变化。在常温下，水泥浆是完整的，由钙钒石、C－H凝胶、C－S－H凝胶(水化硅酸钙)组成。而当温度大于70℃时，钙钒石就开始破裂并逐步消失，当温度继续升高时，C－H凝胶、C－S－H凝胶也会逐渐破坏直至消失，结构内部逐渐变得酥松，孔隙率增大，甚至出现裂缝［4］。在混凝土浇筑过程中掺入一定量的纤维可以有效降低养护不足及后期温度效应造成的损伤，聚丙烯纤维可以改善混凝土由于养护不足或温度效应后的耐久性，减缓混凝土劣化速度［5］。在混凝土拌合和浇筑现场应严格监控骨料和混凝土出料口的温度，在混凝土结构内部埋设温度监控仪器，密切收集混凝土水化热的资料整理分析，根据资料、天气变化等因素采取相应的温控措施。

表1 海工水泥与普通硅酸盐水泥物理力学性能试验成果Table 1 Test results of mechanical and physical properties of marine cement and ordinary Portland cement

表2 海工水泥化学性能试验成果Table 2 Test results of chemical properties of marine cement

表3 海工水泥混凝土配合比Table 3 The mix proportions of marine concrete

(5)养护。一般在施工现场采用覆盖浇水养护、喷水养护、覆膜养护和涂刷养护剂养护，还有部分结构在浇筑成型后无法得到正常养护。通过涂刷养护剂、塑料薄膜密封及湿棉絮覆盖3种养护措施对混凝土的强度和耐久性的影响，发现混凝土的强度和抗氯离子渗透性依次减小，水化温升和早期收缩依次升高。湿养护时间越长，混凝土的强度越高，耐久性及护筋性越好。早期的养护不足及后期的温度效应作用会对混凝土的内部孔隙结构产生影响，造成混凝土渗透性和抗氯离子侵蚀能力降低［5］。所以在海工混凝土初凝后必须及时进行湿养护，有条件地均匀涂刷养护剂。

(6)二次抹压。混凝土浇筑振捣密实后，首先用木抹子将表面一次抹平。一次抹平后，若不立即养护，在混凝土初凝前至少要再抹压一次，将混凝土表面抹压密实。二次抹压的主要作用有:①消除混凝土的表面缺陷及早期的塑性裂缝;②提高混凝土表层的密实度;③ 表层密实度提高后，减缓了混凝土内水分迁移蒸发的速度，提高了混凝土的抗裂能力。故在施工过程中必须进行二次挤压。二次抹压工艺施工现场一般用抹刀手工抹压，效率低，力度不够，当缺陷由表及里发展较深时手工抹压很难消除，建议在护坦、消力池、闸门底板等较大面积平板混凝土采用圆盘式抹光机二次抹压。

(7)保护层厚度。大量试验表明，暴露于氯盐环境的混凝土，其距表面12 mm深度内的氯离子含量远远高于25～50 mm深度范围，即使是高性能混凝土也不例外［6］。因此在这种环境中工程的混凝土保护层厚度最好小于50 mm，保护层厚度建议50～80 mm。实际控制时应将钢筋的安放位置误差检查作为质量控制的重要内容，防止钢筋偏位造成保护层不足。

(8)表面涂层。表面涂层可作为降低氯离子渗透速率和降低碳化速率的有效辅助措施，本工程采用的是国外已普遍使用的侵入型有机硅涂料，国内对该类材料的应用尚处于推广使用阶段。

(9)混凝土输送。本工程采用混凝土为商品海工水泥混凝土，浇筑现场采用汽车输送泵进行混凝土输送。由于海工水泥混凝土黏度大、高密实导致泵送阻力大，泵管堵塞磨损现象，尤其在弯管处爆裂喷浆。所以在浇筑现场要保证混凝土泵送连续，经常敲打检查泵管，减少弯头，多备泵管。

5 海工水泥混凝土质量综述

从施工过程检测看，使用海工水泥拌制的混凝土7 d龄期抗压强度普遍高于普通水泥拌制的混凝土，其抗渗性能也优于普通水泥拌制的混凝土(见表4)。施工过程混凝土状态良好，不泌水、不离析，施工过程顺利，项目投入运行以来没有出现钢筋锈蚀膨胀现象。对海工水泥混凝土的28 d抗压强度进行数理统计，混凝土拌合质量优良，结果见表5。

表4 混凝土抗压强度比较Table 4 Comparison of the compressive strength between marine concrete and ordinary concrete

对于海工水泥混凝土耐久性，本工程主要从氯离子扩散系数和碳化深度试验检测2个方面考虑，本工程由于运行时间较短，未对这2项进行检测。在已经运行5 a的类似工程中，选取了同一强度采用2种水泥(海工水泥和普通硅酸盐水泥)浇筑的混凝土，在同一高程位置现场取样，进行氯离子扩散系数和碳化深度对比试验［7］，检测结果如表6所示。

表5 海工水泥混凝土抗压强度数理统计Table 5 Mathematical statistics of the compressive strength of marine concrete

表6 混凝土氯离子扩散系数和碳化深度检测成果Table 6 Detection results of Chloridion diffusion coefficient and carbonation depth

由表6可知，海工水泥混凝土氯离子扩散系数较普通水泥混凝土整整小了一个数量级，表明海工水泥混凝土抗氯离子渗透性能较优。

6 结语

海工水泥混凝土作为一种新型高性能混凝土，优点很多，通过在洞头水闸工程中实际应用，表明海洋环境中其工作性能和强度、耐久性指标优良。混凝土高性能化方法、措施随着水利大开发会越来越多，何种性价比最优或最好的方案还有待验证。海工混凝土的耐久性指标能否达到所预期的使用寿命，全面完整地探讨海洋环境中海工混凝土耐久性的机理和应用关键技术等有待在工程实践中深入研究。

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