低温升高抗渗C30海工大体积混凝土的研究

田 焜 陶瑞鹏 王月兰 柯 晓 朱见胜

(1.湖北省产品质量监督检验研究院，湖北 武汉 430061； 2.武穴市产品质量监督检验所，湖北 武穴 435400)



·建筑材料及应用·

低温升高抗渗C30海工大体积混凝土的研究

田 焜1陶瑞鹏1王月兰1柯 晓1朱见胜2

(1.湖北省产品质量监督检验研究院，湖北 武汉 430061； 2.武穴市产品质量监督检验所，湖北 武穴 435400)

针对海工大体积混凝土中胶凝材料用量高、水化反应放热多、使用寿命短等问题，在该混凝土中掺入了水泥分散增强剂与疏水化合孔栓物，降低了混凝土的水泥和胶凝材料用量，提高了混凝土的耐久性，制备出了低温升高抗渗C30海工大体积混凝土。

海工大体积混凝土，水泥分散增强剂，疏水化合孔栓物

0 引言

1 C30低温升海工大体积混凝土配合比优化设计

1.1 试验原材料

1)水泥：华新P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度(0.08 mm方孔筛的筛余)2.7%，技术性能指标见表1；

表1 水泥的主要性能指标

2)粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，烧失量为5.7%，需水量比为98%，细度为9.7%(0.045 mm筛余)；

3)矿粉：S95级矿粉，比表面积450 m2/kg，流动度比为99%，7 d活性指数为88.7%，28 d活性指数为100%；

4)细集料：天然砂(S)，细度模数2.83，含泥量0.4%；

5)粗集料：碎石(G)，5 mm～20 mm连续级配碎石，压碎值8.9%；

6)减水剂：上海产高效聚羧酸减水剂，减水率27%；

7)水泥分散增强剂：江苏产高效水泥分散增强剂；

8)疏水化合孔栓物：江苏产混凝土疏水化合孔栓物；

9)水：自来水。

1.2 密实骨架堆积设计混凝土配合比

密实骨架堆积法是通过寻找混凝土中各原材料的最大堆积密度来寻找最小孔隙率，并利用曲线拟合得出原材料间的最佳比例[7]。由材料的堆积理论得知，利用密度小的材料填充密度大的材料，其曲线会出现具有一个峰值的二次函数形式图。混凝土中粉煤灰的密度比混凝土中的细骨料密度小很多，现通过粉煤灰填充细骨料的空隙，得出致密系数α，再以α比例的细骨料(包含粉煤灰)填充粗骨料，得到最大堆积因子β，由此得出最大单位重量Uw和最小空隙率Vv，利用富余浆体理论，确定水泥浆体的放大倍数，得出所需的润滑和填充水泥浆量,从而确定混凝土的初步基准配合比,见表2。

表2 混凝土基准配合比及力学性能

表2表明，混凝土基准配合比的坍落度和抗压性能均满足了设计要求，而抗压强度较大，配合比中水泥的用量过高，从而会产生大量的水化热，使混凝土的绝热温升提高，易使其产生开裂。利用矿粉等量取代部分水泥后，其自身的微集料效应和二次水化作用，能显著提高混凝土的结构致密性，从而延长混凝土的使用寿命；并且矿粉的二次水化反应，放热量较小，可大幅降低混凝土的绝热温升，减小混凝土的温度应力，提升海工混凝土的抗开裂能力。因此掺入矿粉替代部分水泥进行混凝土配合比优化。

1.3 C30海工大体积混凝土胶凝材料体系优化

采用矿粉等量取代部分水泥，对混凝土胶凝材料用量进行优化，得到C30海工大体积混凝土配合比，见表3。

表3 海工大体积混凝土配合比

由表3结果可知，矿粉取代部分水泥后，混凝土的强度略有降低，但能达到C30大体积混凝土的要求。根据GB 50496—2009大体积混凝土施工规范中绝热温升计算方法，计算绝热温升得31.4 ℃，符合GB 50496—2009大体积混凝土施工规范中“混凝土实际温升不超过50 ℃”的规定。

2 水泥分散增强剂与疏水化合孔栓物优化C30海工大体积混凝土

海工大体积混凝土一般应用在国家重点大型工程中，工程设计使用寿命长，因此海工大体积混凝土需要有优良的耐久性能。而大体积混凝土尺寸较大，由于胶凝材料水化放出大量的热，产生较大的温度应力，当温度应力大于同龄期的劈裂抗拉强度时，混凝土将出现开裂。相关研究表明，混凝土中有10%～20%的水泥在水泥拌合中不能充分分散，无法发生水化反应，仅仅起到填充作用[8]。为避免大体积混凝土出现温度裂缝，最直接最经济的措施是在确保强度的前提下降低水泥及其他胶凝材料的用量。

2.1 水泥分散增强剂对混凝土性能的影响

在保证水胶比与砂率不变的基础上，对混凝土配比减少10 kg/m3水泥和10 kg/m3粉煤灰，同时通过引入一定量的水泥分散增强剂，使其充分分散水泥颗粒，促进水泥水化和提高其颗粒之间的胶结作用，以提高混凝土抗压强度[9]。在表2配合比的基础上掺入占胶材重量0.4%，0.6%和0.8%的水泥分散增强剂，实验结果见表4。

表4 C30海工大体积混凝土配合比及性能

由表4可知，随着水泥分散增强剂掺量的增加，混凝土的强度出现了先增加后减少的趋势，当水泥分散增强剂掺量为0.6%时，混凝土强度出现最大值，高于未降低水泥及胶材用量前的抗压强度。当水泥分散增强组分掺量超过0.6%时，混凝土强度均出现下降。因此，确定水泥分散增强剂的最佳掺量为0.6%。

2.2 疏水化合孔栓物对混凝土性能的影响

利用密实骨架堆积原理设计的混凝土水泥及胶凝材料用量较少，虽添加了矿物掺合料，降低了用水量，在一定程度上能够改善混凝土界面结构，但胶凝材料及水泥的用量较少，水泥浆体对骨料的包裹性不佳，使其内部孔隙增多，抗渗性能降低，因此需对海工大体积混凝土的耐久性进行提升设计，以满足其恶劣的服役环境。疏水化合孔栓物是一种可阻止侵蚀离子在混凝土内部传输的新型功能型添加材料，添加到混凝土内后，与混凝土孔溶液中Ca2+发生络合反应，析出不溶于水的络合物，吸附在孔隙内，形成“塞子”堵塞毛细孔，阻止侵蚀离子的进入，优化混凝土内部结构，增大混凝土的致密性，提高混凝土的耐久性能。现掺入不同重量的疏水化合孔栓物，配合比见表5。

表5 C30海工大体积混凝土耐久性能配合比 kg/m3

2.2.1 对混凝土力学性能和渗透性能的影响

表6为不同掺量疏水化合孔栓物的C30海工混凝土的工作性能、力学性能和抗氯离子渗透性能试验结果。

表6 C30海工大体积混凝土试验结果

由表6可以得出，随着疏水化合孔栓物掺量的增加，混凝土的力学性能和抗渗能力不断提高，但工作性能略有降低。未掺疏水化合孔栓物时，C30混凝土的抗渗等级为P18，28 d Cl-扩散系数为6.0×10-12m2/s；掺入了15 kg/m3疏水化合孔栓物后，混凝土的抗渗等级达到了P24，28 d Cl-扩散系数降低至4.3×10-12m2/s。由此可见，掺入疏水化合孔栓物后，混凝土的抗渗能力得到了显著提高。

2.2.2 对混凝土碳化性能的影响

表7为不掺合掺入15 kg/m3疏水化合孔栓物的C30海工大体积混凝土的碳化深度。

表7 C30海工大体积混凝土的碳化深度 mm

由表7试验结果可知，未掺加疏水化合孔栓物的混凝土28 d碳化深度为6.7 mm；掺有疏水化合孔栓物的混凝士抗碳化性有了显著的提高，3 d碳化深度仅有2.5 mm，7 d仅有3.3 mm，28 d为3.5 mm，并且随着龄期的增加，碳化深度几乎不增加。分析可知，掺入的疏水化合孔栓物堵塞了毛细孔，降低了混凝土内部的孔隙率，阻止了水和其他离子的扩散。

2.2.3 对抗硫酸盐侵蚀性能试验

表8为不掺合掺入15 kg/m3疏水化合孔栓物的C30海工大体积混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能试验结果。

表8 C30海工大体积混凝土的碳化深度抗硫酸盐侵蚀试验结果

由表8的试验结果可知，利用密实骨架堆积原理设计出的C30大体积混凝土本身就具有优良的抗硫酸盐侵蚀性能，掺有疏水化合孔栓物之后，抗硫酸盐侵蚀性能更佳，150次干湿循环后抗压强度由原来的42.4 MPa变为38.9 MPa，强度仅降低7.8%，抗蚀等级优异。分析认为，密实骨架堆积法降低了混凝土的孔隙率，同时疏水化合孔栓物堵塞了毛细孔，阻止了水和其他离子向混凝土内部的扩散，从而抑制侵蚀。

3 结语

1)随着水泥分散增强剂掺量的增加，C30海工大体积混凝土的力学性能先增加后减小，当水泥分散增强剂掺量为胶凝材料重量的0.6%，同时取代10 kg/m3水泥和10 kg/m3粉煤灰的情况下，混凝土强度与未减少胶材之前基本无变化，28 d抗压强度达到39.8 MPa。

2)疏水化合孔栓物可提高混凝土耐久性能，当掺入15 kg/m3的疏水化合孔栓物后，C30混凝土的抗渗等级达到了P24，28 d Cl-扩散系数降低至4.3×10-12m2/s；28 d碳化深度降低至3.5 mm；150次干湿循环后抗压强度由原来的42.4 MPa变为38.9 MPa，强度仅降低7.8%，抗硫酸盐侵蚀性能大大提高。

3)通过对C30混凝土胶凝材料的优化设计，同时复掺水泥分散增强剂和疏水化合孔栓物，配制出低温升高抗渗C30海工大体积混凝土，可应用在环境复杂的海工工程中。

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Research on low hydration heat flow anti-permeation C30 marine engineering mass concrete

Tian Kun1Tao Ruipeng1Wang Yuelan1Ke Xiao1Zhu Jiansheng2

(1.Hubei Provincial Supervision and Inspection Research Institute for Products Quality, Wuhan 430061， China；2.Wuxue Product Quality Inspection and Supervise Service， Wuxue 435400, China)

According to the high amount of cementing materials, much exothermic of hydration reaction, short service life and other problems in marine mass concrete, mixed cement dispersion strengthening agent and hydrophobic compound suppository in the concrete, reduced the cement and cementing materials amount of concrete, improved the durability of concrete, prepared the low temperature elevated anti-permeability C30 marine mass concrete.

marine mass concrete, cement dispersion strengthening agent, hydrophobic compound suppository

1009-6825(2017)08-0113-03

2017-01-06

田 焜(1983- )，男，博士，高级工程师； 陶瑞鹏(1989- )，男，硕士

TU528

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