水泥用量对配重混凝土密度及抗压强度影响的试验研究

吴学峰，李海燕，相政乐，赵利，贾振，陆娟

中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

水泥用量对配重混凝土密度及抗压强度影响的试验研究

吴学峰，李海燕，相政乐，赵利，贾振，陆娟

中海油能源发展股份有限公司管道工程分公司，天津300452

海底管道通常需要进行混凝土配重以克服海水浮力及提供机械保护，然而国内对于该类混凝土的研究较少。文章着重研究了水泥用量及水灰比对配重混凝土密度及抗压强度的影响规律。试验结果表明，配重混凝土抗压强度随着水泥用量的增加而提高，但达到某一最大值后，随着水泥用量的增加而降低。

海底管道；水泥用量；水灰比；配重混凝土；抗压强度；密度

0 引言

海底油气输送管道通常需要在其外表面进行混凝土涂敷，以克服铺设过程中海水浮力的影响及提供一定的机械保护作用。因此，要求混凝土具有优异的机械性能，诸如抗磨性能、抗压性能及抗折性能。相关研究表明，混凝土的抗磨性主要取决于其抗压强度。多年前，Bechyne[1]就已对其展开研究，结果表明，混凝土的抗磨性与其抗压强度成正比关系，也即抗磨性随着抗压强度的增加而增加[2-3]。抗压强度影响因素主要有水灰比、骨料级配及最低水泥用量。然而，关于最低水泥用量一直存在争议[4-5]。一项针对欧洲15个国家的混凝土应用调查表明[6]，其中13个国家针对最低水泥用量的规定存在差异。因此，研究水泥用量对于配重混凝土的影响规律具有重要意义。

本文着重研究了在一定水灰比（0.25、0.27、0.3、0.35、0.4）下，不同水泥含量（10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%、26%）对配重混凝土性能的影响规律，试验结果对于建立理想混凝土配合比具有一定借鉴意义。

1 试验过程

1.1 原材料

本试验采用的水泥为普通硅酸盐水泥，具体性能指标如表1所示。骨料为赤铁矿，属于无水氧化铁矿石，其化学式为Fe2O3，依据ASTM C127-07[7]分别测其比重和吸水率，具体性能指标如表2所示。水为可饮用自来水。

表1 硅酸盐水泥性能指标

表2 赤铁矿性能指标

1.2 配合比

为研究水泥用量对配重混凝土密度和抗压强度的影响规律，本试验选定了5种水灰比条件（0.25、0.27、0.3、0.35、0.4），每种条件下水泥用量以88 kg/m3为增长步幅，逐渐由440 kg/m3增加到1 144 kg/m3。具体配合比如表3所示。

表3 配重混凝土配合比

1.3 试件制作、养护及测试方法

试件制作步骤如下：

（1）材料混合。称取所需铁矿砂和水泥，将其混合搅拌1 min后再加入一定量水，且搅拌1.5 min。材料混合的搅拌时间不宜过长，否则会造成高密度赤铁矿的离析。

（2）浇筑。将均匀混合的材料分为三层逐步添加到尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的模具中，并在添加过程中使用电锤对其进行冲击捣实，但过分的振捣也会造成赤铁矿的离析。浇筑过程主要依据BS EN 12390-2:2009[8]进行。

（3）养护。制作完立方块试件后，将润湿后的塑料薄膜置其表面，并在室温下养护24 h。脱模后，将立方块试件放入水中浸泡至养护期结束。

混凝土抗压强度的测试主要依据BS EN 12390-3:2009[9]进行，6个测量值中的最大值和最小值中如有一个与平均值的差值超过平均值的15%时，则把最大值和最小值一并舍去，将剩余4个测量值再次进行平均值计算。密度测试主要依据BS EN 12390-7:2009[10]进行，其中立方块干质量为经过烘箱烘至恒重后的相应质量，体积为排水法所测体积。

2 试验结果与分析

2.1 配重混凝土抗压强度试验

试验结果表明，对于某一固定水灰比，配重混凝土抗压强度随着水泥用量的增加而增加，当达到某一最大值时，抗压强度则会随着水泥用量的增加而降低；同时，对于不同水灰比，存在某一固定区域，在该区域中其混凝土抗压强度要整体高于其他配合比，如图1所示。以图1中区2为例具体说明，在该区中，水灰比（w/c）为0.3（图1中蓝色线条）制作的混凝土试块抗压强度要整体高于其他配合比制作的；另外，对于管道配重用混凝土，水灰比不宜超过0.35。

从机理上分析，原因可能为：水量较少时部分水泥因未参加水化反应而存在于混凝土中；水量过多时较多的水会残留在混凝土内部形成孔隙或蒸发后形成气孔，从而从很大程度上降低了混凝土抵抗荷载的实际有效面积，并可能在孔隙周围形成应力集中，最终导致混凝土抗压强度下降。

图1 水泥用量对配重混凝土抗压强度影响规律

2.2 配重混凝土密度试验

试验结果表明，对于不同水灰比，混凝土密度均随着水泥用量的增加而降低，如图2所示，这是因为：当混凝土中水泥用量增加后，必然会降低骨料用量，因此会造成混凝土整体密度的降低。

图2 水泥用量对配重混凝土密度影响规律

3 结论

通过本文试验可以得到以下结果：

（1）配重混凝土抗压强度随着水泥用量的上升而增加，当达到某一数值后，其抗压强度随水泥用量增加而下降。

（2）配重混凝土密度随水泥用量的上升而下降。

（3）对于海底油气管道配重用混凝土，其水灰比不宜超过0.35。

（4）对于海底油气管道配重用混凝土，最佳配合比为骨料∶水泥∶水=68.8%∶24%∶7.2%。

[1]Bechyne S.Technology of Concrete，Vol.3[M].Prague:State Publishing House of TechnicalLiterature，1959.

[2]Mindess S，Young J F，Darwin D.Concrete[M].2nd ed. Englewood Cliffs，NJ：Prentice-Hall，2002.

[3]Naik T R，Singh S S，Ramme B W，et al.Effect of source of fly ash on abrasion resistance of concrete[J].J Mater CivilEng.，2002，14（5）：417-426.

[4]Harrison，T A.The Role of Minimum Cement Content in the Achievement of DurableConcrete，ACT CourseLecture Notes[R].London，UK：ImperialCollege，1997.

[5]Concrete Society.The Influence of Cement Content on the Performance of Concrete[R].London，UK：The Concrete Society，1999.

[6]Marsh B.A Summary of European Concreting Practice[R]. Watford，UK：Building Research Establishment，1993.

[7]ASTM C 127-07，Standard Test Method for Density，Relative Density（Specific Gravity），and Absorption of Coarse Aggregate[S].

[8]BS EN 12390-2：2000，Testing hardened concrete—Part 2: Making and curing specimens for strength tests[S].

[9]BS EN 12390-3：2009，Testing hardened concrete—Part 3: Compressive strength of test specimens[S].

[10]BS EN 12390-7：2009，Testing hardened concrete—Part 7: Density of hardened concrete[S].

Test Research on Effect of Cement Content on Coated Concrete Density and Compressive Strength

Wu Xuefeng，LiHaiyan，Xiang Zhengle，Zhao Li，Jia Zhen，Lu Juan
CNOOC Energy Technology&Services-Pipe Engineering Co.，Tianjin 300452，China

Concrete weighted coating is usually needed in subsea pipelines in order to overcome seawater buoyancy and provide mechanical protection.However，not much information is available on this kind of concrete at home. This paper presents a study in which the effects of cement content and water/cement ratio on mechanical properties of the concrete are investigated.It is found from the tests performed that the compressive strength of concrete increases with the increase of cement content up to a certain limit，after that the strength starts decreasing reversibly.

subsea pipeline；cement content；water/cement ratio；coated concrete；compressive strength；density

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.002

吴学峰（1987-），男，安徽合肥人，工程师，2010年毕业于中国石油大学（北京）应用化学专业，硕士，现从事海底管道防护保温研究工作。

2014-06-24；

2015-01-30