高性能海工混凝土中高吸水率粗骨料的应用研究

冯宝君

(葫芦岛市绥中县水利建筑工程公司，辽宁 葫芦岛 125200)

0 引 言

盘锦市辽滨沿海经济区海堤工程所处海水化学侵蚀环境，自然条件复杂，依据不同分区其对结构的腐蚀作用达到C级中等至F级极端严重程度。研究表明，Cl-侵蚀引起钢筋腐蚀破坏是海工混凝土耐久性面临的主要问题[1-5]。因此，良好的抗Cl-渗透性是海堤工程混凝土结构必须满足的条件，为降低Cl-渗透性国内大多选用低水胶比、双掺掺合料等方法来提高混凝土密实度[6]。

目前，满足《建筑用碎石、卵石》压碎值、级配等指标要求的粗骨料大多具有较高的吸水率(2%-5%)，这明显不满足标准规定的≤2%要求。混凝土拌合过程中高吸水率粗骨料会吸收一定的拌合水，从而使得拌合物流动性下降，由于这部分水是物理吸附，在压力、温度等外界环境改变时吸附水会脱附，致使混凝土浇筑完成后的性能出现改变[7-8]。混凝土设计时若考虑选用高吸水率的轻集料，必然会造成配合比富余系数偏高、胶凝材料用量过大以及经济成本的增加。因此，为保证盘锦市辽滨沿海经济区海堤工程混凝土制备，有必要研究高性能海工混凝土配制时高吸水率(2%-4%)粗骨料的掺量及其最佳配合比。

1 原材料性能

试验选用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分与力学性能见表1；粉煤灰选用Ⅰ级灰，其主要性能指标见表2；细骨料选用大凌河天然河砂，基本性能和筛分结果见表3；粗骨料选用5-10mm、10-25mm双级配P碎石和Q碎石，无潜在碱活性，依据级配曲线按质量比为2:8和3.5:6.5配合使用，基本性能如表4；减水剂选用苏博特PCA-Ⅲ聚羧酸高性能减水剂，常压泌水率16%，减水率28.0%，碱含量2.4%，氯离子含量0.01%，28d收缩率100%，经检测各项性能指标均符合标准要求；试验用水为自来水。

表1 水泥的化学成分与力学性能

续表1 水泥的化学成分与力学性能

表2 粉煤灰的性能指标

表3 河砂的基本性能与筛分结果

表4 粗骨料的基本性能

2 配合比试验研究

2.1 不同粗骨料品种混凝土性能

为进一步明确不同碎石的适用范围对比分析了粗骨料的吸水率，随时间变化两种粗骨料(P石、Q石)的吸水率变化趋势见图1。

图1 碎石吸水率变化曲线

由图1可知，P碎石的饱和吸水量以及吸水速率均高于Q碎石，吸水1h和3h的P碎石、Q碎石逐渐趋于饱和。然后利用BJH法测试了碎石中石粉(颗粒<75μm)的孔分布见图2，粗骨料的孔分布见表5。

图2 石粉孔径分布

表5 粗骨料孔径分布

结合比表面积，2种粗骨料中石粉(颗粒<75μm)的比表面积均>水泥，骨料的平均孔径依次为20.6nm和14.5nm。深入分析化学成分，粗骨料的多孔结构直接决定了高吸水率，由于P碎石的孔体积高于Q碎石，因此其吸附的水也就更多，吸水率高于Q碎石。

在C40海工混凝土配制时使用以上两种粗骨料，配合比设计为m水∶m水泥∶m粉煤灰∶m粗骨料∶m细骨料∶m减水剂=168∶325∶115∶930∶757∶5.20，基本性能见表6。

表6 C40海工混凝土基本性能

从表6可以看出，在配合比完全相同的条件下，混凝土工作性能因配制碎石不同而存在较大差异，混凝土配制时选用Q碎石具有相对更大的初始流动性，其力学性能也相对更优，且经时损失也略高于P碎石。深入分析，这是由于Q碎石的吸水量低于P碎石，Q碎石的孔径较小使得其吸附的水释放速度较慢，因此经时损失高于P碎石；Q碎石的表观密度较高使得其坚固性较好，抗压强度高于P碎石。综合考虑施工成本、运输条件、石材储量等因素，拟选用施工性保持更为良好的P碎石和力学性能更优的Q碎石配制C50、C40海工混凝土。

2.2 C40海工混凝土配合比设计

粗骨料选用P碎石，设计混凝土密度2300kg/m3，用水量168kg/m3，砂率45%，减水剂掺量1.2%，结合设计水胶比调整胶凝材料用量。通过试验研究探讨20%、25%、30%、35%、40%五种粉煤灰掺量和0.36、0.38、0.40三种水胶比硬化混凝土力学性能以及新拌混凝土的工作性能，见表7。

表7 C40海工混凝土性能

由表7可知，各组混凝土抗压强度具有较高的富余系数，这与水胶比越低则混凝土抗压强度越高的变化规律相符；粉煤灰掺量相同条件下，水胶比为0.36与0.38的抗压强度相差不大，0.40水胶比的抗压强度明显较高。因此，考虑生产成本和抗压强度等要求，C40海工混凝土的最优水胶比取0.38。

考虑0.38水胶比下C40海工混凝土力学性能及工作性变化特点，混凝土初始坍落度随粉煤灰掺量的增加而增大，说明水泥的需水量高于粉煤灰，并且粉煤灰掺量越高坍落度保持更佳。混凝土中的粉煤灰发挥着“滚珠”作用，掺入适量的粉煤灰有利于改善混凝土施工性和工作性。从抗压强度上，混凝土7d、28d抗压强度均随着粉煤灰掺量的增加而下降，7d降幅较明显而28d降幅较小。粉煤灰掺量不超过30%时的7d抗压强度降幅较小，为了提高海工混凝土的耐久性以及降低早期的水化热，该条件下可以进一步增加粉煤灰掺量。粉煤灰掺量不超过35%时的28d强度变化较小，为了不影响后期强度并且达到降低早期水化热的目的，以35%作为粉煤灰的最优掺量。综上分析，C40海工混凝土选用高吸水率粗集料的最优配比为粉煤灰掺量35%、水胶比0.38、凝胶材料用量442kg/m3。

2.3 C50海工混凝土配合比设计

粗骨料选用Q碎石，设计混凝土密度2350kg/m3，用水量160kg/m3，砂率40%，减水剂掺量1.2%，结合设计水胶比调整胶凝材料用量。通过试验研究探讨20%、25%、30%、35%、40%五种粉煤灰掺量和0.30、0.32、0.34三种水胶比硬化混凝土力学性能以及新拌混凝土的工作性能，见表8。

表8 C50海工混凝土性能

由表8可知，各组混凝土抗压强度具有较高的富余系数，这与水胶比越低则混凝土抗压强度越高的变化规律相符。考虑到C50混凝土使用部位的特殊性，实际工程对混凝土的7d强度具有较高要求，即7d强度必须达到设计值的110%。结合表8中的数据，0.34水胶比下的强度不符合要求，水胶比为0.32和0.30的抗压强度能够满足要求。因此，考虑生产成本和抗压强度等要求，C50海工混凝土的最优水胶比取0.32。

考虑0.32水胶比下C50海工混凝土力学性能及工作性变化特点，粉煤灰掺量>25%时坍落度并未呈现出明显变化，这可能是该条件下的浆骨比达到最优，即浆液：骨料=35：65，从而降低了水对混凝土的影响，坍落度经时变化较低。因此，水胶比为0.32时混凝土的工作性受粉煤灰掺量变化的影响较低。从抗压强度上，混凝土7d、28d抗压强度均随着粉煤灰掺量的增加而下降，7d降幅较明显而28d降幅较小。为获取更高的7d以满足施工要求，以20%作为粉煤灰的最优掺量。综上分析，C50海工混凝土选用高吸水率粗集料的最优配比为粉煤灰掺量20%、水胶比0.32、凝胶材料用量500kg/m3。

2.4 混凝土耐久性分析

根据最优配合比见表9。试配C40和C50海工混凝土，并对比标准养护和海水浸泡条件下混凝土的抗压强度及其耐久性，应用非稳态电迁移试验法(RCM法)测试标准养护试样的氯离子扩散系数，如表10所示。其中，标准养护下的相对湿度≥95%，环境温度(20±2)℃；海水浸泡环境为辽滨沿海经济区海水，混凝土试块浸泡至海水中而容器置于室外，浸泡一段时间后取出测试。

表9 海工混凝土最优配合比

表10 耐久性试验数据

由表10可知，海水浸泡条件下的强度基本无损失，2种养护环境下的混凝土试样强度于180d龄期时相差不大。结合氯离子扩散系数，混凝土氯离子扩散系数随着养护龄期的延长不断减少，表明混凝土抗氯离子侵蚀能力不断提升[9-14]。

3 结 论

1)P碎石的饱和吸水量以及吸水速率均高于Q碎石，综合考虑施工成本、运输条件、石材储量等因素，拟选用施工性保持更为良好的P碎石和力学性能更优的Q碎石配制C50、C40海工混凝土。

2)粗骨料选用P碎石，探讨不同粉煤灰掺量和不同水胶比硬化混凝土力学性能以及新拌混凝土的工作性能，其最优配比为粉煤灰掺量35%、水胶比0.38、凝胶材料用量442kg/m3，以保证不影响后期强度并且达到降低早期水化热的目的。

3)粗骨料选用Q碎石，探讨不同粉煤灰掺量和不同水胶比硬化混凝土力学性能以及新拌混凝土的工作性能，其最优配比为粉煤灰掺量20%、水胶比0.32、凝胶材料用量500kg/m3，以更好地满足早期抗压强度要求。

4)对比标准养护和海水浸泡条件下混凝土的抗压强度及其耐久性，海水浸泡条件下的强度基本无损失，2种养护环境下的混凝土试样强度于180d龄期时相差不大，氯离子扩散系数随着养护龄期的延长不断减少，混凝土抗氯离子侵蚀能力不断提升。