复合胶凝材料体系对海工混凝土抗氯离子渗透性及抗压强度的影响

复合胶凝材料体系对海工混凝土抗氯离子渗透性及抗压强度的影响

酒亚宾

中国水利水电第十一工程局有限公司

摘要：为了进一步提升海工项目的施工质量，本次研究中重点围绕海工项目的混凝土抗氯离子渗透性及抗压强度展开实验分析，其间主要引进了复合胶凝材料体系作为混凝土配比原材料，借此为海工混凝土的质量提升提供实验数据支持，以期为相关人员提供参考。

关键词：复合胶凝材料体系；海工混凝土；抗氯离子渗透性；抗压强度

引言：建筑工程中，混凝土是所有建筑工程中必不可少的一样施工材料，其质量的高低，将会直接影响工程整体施工质量的优劣。与陆地施工项目相比，海工建筑项目的施工要求明显更高，一旦钢筋混凝土结构出现被破坏或是失效情况，将会导致整个项目无法推进的重大事故。从本质上分析，海工混凝土工程项目建成投用后，需要长时间经受复杂海洋环境的侵蚀，包括海水腐蚀、冻融破坏等。因而，全面把控海工混凝土的耐久性以及强度设计施工标准至关重要。鉴于此，本次研究展开具有重要现实意义。

一、实验条件

（一）实验材料

1.水泥。主要以硅酸盐水泥为主，型号为P·Ⅱ42.5。

2.矿粉。主要以S95级矿渣粉为主[1]。

3.粉煤灰。主要以F类Ⅰ级粉煤灰为主，其CaO的含有量控制在10%以下。

4.细集料。主要以河砂为主。

5.外加剂。主要以NOF-AS型聚羧酸高性能减水剂，减水率达到32%，固含量为22.3%，泌水率及含气量分别为0%、3.2%，且pH值控制为5.8.

6.水，主要以自来水为主[2]。

（二）实验方法

本次实验过程中，海工混凝土的凝胶材料配合比基准配比主要以纯水泥（C0）为主，为各类掺合料的添加提供抗氯离子渗透性及抗压强度实验结果提供对比参考[3]。实验期间，会选用粉煤灰、矿粉的等一类物质去等量替换掉海工混凝土制作中的水泥使用量，具体的实验方法如下：

1.单纯添加矿粉/粉煤灰的替代量分别为20、35、50%三种，后文实验中三种替代量的结果统计时，矿粉主要使用SG1、SG2、SG3、表述；粉煤灰主要使用FA1、FA2、FA3表述。

2.矿粉以及粉煤灰两者复合处理后，添加到海工混凝土配比制作中，复合替代量达到了水泥用量的50%[4]。三组不同的配比实验中，矿粉以及粉煤灰的掺合比例分别达到了2:3、1:1、3:2，主要使用SF1、SF2、SF3表述。

3.为了更好地确保实验期间的数据可比性，在海工混凝土配比处理时，还选择了下述不同品类的混凝土制作材料，用量固定，其中固定水灰比为0.32、粗细集料总量为1802kg/m³、砂率为40%、用水量为144kg/m³[5]。与固定实验材料相比，实验中会出现变化的胶凝材料会出现种类以及掺入量的变化，详细的配置表如表1所示，

表1 实验配置方法表

4.实验中，所应用到的实验标准主要包括以下几种：

①《普通胡凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2002），主要用于检测海工混凝土的抗压强度等级[6]。

②《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB50082-2009），主要用于检测混凝土内部的抗氯离子渗透性，渗透程度主要通过氯离子扩散系数加以体现。

③实验中，主要选择《混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB50082-2009）作为实验质量衡量标准，实验中主要结合快速氯离子迁移系数方法（RCM法）推进实验。

二、实验结果及分析

（一）海工混凝土的抗压强度、和易性分析

本次实验中，主要选用了水泥、矿粉以及粉煤灰颗粒完成实验，经过分析可以发现，掺合料的添加，对于海工混凝土的性能影响，主要体现在三个效应上，分别是形貌、微集料以及火山灰三种效应类型[7]。结合下表2以及矿粉的实验结果进行分析可以发现，本次实验中的矿粉构成，主要以玻璃体为主，其优势为表面光滑，可显著降低海水对建筑冲刷时的吸附力，并为混凝土的润滑提供充足的水分，促使海工混凝土的坍落度明显提升。与此同时，结合表2以及粉煤灰中的实验数据结果加以分析能够发现，粉煤灰颗粒受到本身材质的影响比较轻，表面积大，多以不规则多角形为主，当使用粉煤灰颗粒去配比海工混凝土，能够明显提升浆体含有量，对于海工混凝土的内摩擦力增长也具有促进效果

[8]。因此在进行海工混凝土配比时，设定粉煤灰的添加量为35%时，会明显降低混凝土的坍落度，下降幅度达到了42%；当掺合料用量达到50%以上时，还可以更好地对水泥颗粒做分散处理，使得所有被包裹于混凝土内部的水分溢出，提升海工混凝土的润滑性，同步助推其坍落度随之得以增长[9]。

表2 海工混凝土物理性能及耐久性实验分析表

为了加强对于种类不同、用量不同的掺合料力学性能的了解，并掌握其性能发展规律，本次实验中，研究人员从两个龄期着手，分别是第7天和第28天为实验数据统计的时间节点，整理海工混凝土的抗压强度测试结果后得出早期强度数据关联如表2、图1所示，且随着水化程度的加重，各组混凝土在越来越多的C-S-H凝胶的生成影响下，在第28天时的抗压强度明显优于第7天。同时，混凝土的抗压强度一直呈现逐步递减的变化趋势，原因在于矿粉、粉煤灰两项掺合料的加入，由此可分析得出，混凝土的强度变化，很大程度上会与粉煤灰的加入量多少关联性更大。如本次实验中，粉煤灰的掺合量处于50%时，混凝土的第7天养护时、第28天养护时的抗压强度分别为43.2、46.8MPa，与标准的混凝土抗压强度参数值相比，下降比例达到了37%。分析其原因，主要是掺合料加入后水泥用量开始减少所引起，此时混凝土的强度的保障，主要是受到C-S-H凝胶的实际生成量所影响，且在混凝土配比的最早阶段，粉煤灰的也发挥了一定作用，通过物理填充的形式，融合于C-S-H凝胶之内，使得混凝土的水化现象初步减缓[10]。但需要注意，随着水泥后续水化作用的不断增强，Ca（OH）2的生成量会增长，继而将粉煤灰之中所含有的活性物质SiO2、Al2O3两类物质的活动因子激活，促使其生成更多的C-S-H凝胶，对于混凝土内部的孔结构来讲，有利于改善，且还可将混凝土的致密度加以提升，但基于海工混凝土配比制作的时间维度来讲，上述过程的形成极其缓慢，因此可以得出在混凝土制作的早期阶段，随着粉煤灰的掺合量越大，抗压强度则会越低。

结合海工混凝土制作的化学原料组成进行分析可以发现，在矿粉中，CaO的含有量并不少，当其与水泥水化生成的Ca（OH）2作用后，会促使其活性玻璃体被共同激发出来，反应生成的强烈程度，明显高于粉煤灰的反应。与此同时，受到矿粉中微细颗粒广泛分布在水泥颗粒中的因素影响，可见其能够完美将水泥中所存在的颗粒间隙加以填充，促使水泥浆体的实际致密度得到进一步的提升。由此可见，当在海工混凝土制作中，掺入一定量的矿粉时，对于抗压强度的变化负面影响较小，甚至在海工混凝土养护的第28天时，抗压强度相对于标准强度而言，会有所强化。

图1 掺合料、海工混凝土两者的早期强度变化关联性分析

（二）海工混凝土的抗氯离子渗透性能分析

为了能够进一步探讨海工混凝土制作中掺合料的添加对于抗氯离子渗透性能的具体影响及相应影响规律，本次研究中技术人员针对实验试件在第28天的养护时间节点中，对其氯离子扩散系数DRCM的测试结果展开了分析，在此过程中，掺合料、海工混凝土的关系如图2、表2所示。分析图3中的信息可以发现，当SG掺合量加大时，海工混凝土的抗氯离子渗透能力开始呈上升态势，当SG的掺合量增加至混凝土总量的35%时，如果仍旧继续增加掺入量，海工混凝土的系数变化并不大。在海工混凝土中添加FA时，混凝土敏感度明显上升，且会随着添加量的增长，而出现氯离子扩散系数成倍增长的情况，代表着海工混凝土中抗氯离子渗透性会在FA的增加下快速降低，FA的添加量达到混凝土总量的50%后，此时FA3的氯离子扩散系数会超出标准参数的4.4倍。结合实验结果分析还可以发现，本次实验中SF1、SF2、SF3的SG：FA统计结果为3:3、1：1、3：2。另结合图3中的信息还可发现，设定矿料总体掺合量不发生改变时，海工混凝土的氯离子扩散系统会随着SG添加量呈反比例增长；与FA的添加量呈正比例增长，代表着混凝土抗氯离子渗透性能影响中，SG有积极意义，FA相反。

图2 掺合料与混凝土氯离子扩散系数图

海工混凝土制作中，氯离子的渗透性变化，影响因素主要有混凝土的致密性、混凝土对氯离子的结合能力两种。分析SF1与SF2的数据可发现，后者矿粉仅需投入占比总量的5%即可完全替代前者的作用，氯离子的扩散系数也随之开始下降，下降比例达到了45.7%，当混凝土中氯离子的吸附作用处于主导地位时，那么SF3相对于SF1来讲，仅需使用10%的SF3即可替换掉SF1的用量，并促使氯离子渗透系数再次呈下降状态，下降比例达到48.9%，SF3的系数下降比例高处SF2共计3.2%。结合此实验结果进行分析可以发现，海工混凝土的抗氯离子渗透性出现巨大变化，并非完善其应为受到胶凝材料或是相关水化产物的影响，且混凝土的致密程度会主导抗氯离子渗透性能变化。

三、结论

本次实验研究中，主要得出以下几点结论：

其一，当使用矿粉或是粉煤灰等物质去等质量替代水泥制作海工混凝土，会在混凝土养护的第7天时，混凝土的抗压强度会下降，且添加物质的用量越大，混凝土的强度降低越快，原因在于粉煤灰添加后，会在混凝土制作的早期阶段对其力学性能产生极大的影响。单独将50%的FA添加到海工混凝土制作中，会分别在第7天、第28天得出混凝土抗压强度下降的实验结果，且与纯水泥制作的海工混凝土抗压强度标准相比，降低了37%。

其二，在海工混凝土中，氯离子的渗透性与致密性、混凝土对氯离子实际结合能力高低两者之间具有较大关联性。且混凝土的致密程度高低，会直接对混凝土内部抗氯离子渗透性能形成主导作用。

参考文献：

[1] 李涛,金磊,申瑞娟,等. 低品位石灰石粉与粉煤灰复掺效应对C50海工混凝土抗Cl-迁移的影响[J]. 混凝土与水泥制品,2020(1):21-23,28.

[2] 谢彪,徐文,张坚,等. C50低温升、低收缩海工大体积混凝土抗裂性能研究与应用[J]. 混凝土,2021(9):98-101,105.

[3] 文成,田玉琬,王贵,等. 海工混凝土微孔隙环境中钢筋的腐蚀电化学行为[J]. 广东海洋大学学报,2022,42(2):126-134.

[4] 徐力,王子晴,孙林柱. 三元共聚纤维增强海工混凝土强度及耐久性研究[J]. 四川建筑科学研究,2022,48(2):66-72,80.

[5] 王胜年,曾俊杰,范志宏. 基于长期暴露试验的海工高性能混凝土耐久性分析[J]. 土木工程学报,2021,54(10):82-89.

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[7] 杨文武,杜蓬娟,范伟,等. 海工磨细矿渣混凝土的冻渗性与孔结构研究[J]. 硅酸盐通报,2020,39(7):2134-2138,2153.

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[9] 王宇,王睿,李冬云,等. 西村港跨海大桥工程用高性能海工混凝土配合比优化设计[J]. 施工技术(中英文),2022,51(6):14-18.

[10] 张宏,朱海威,杨海成,等. 冰冻海水环境下混凝土表面涂层长期暴露试验研究[J]. 硅酸盐通报,2022,41(4):1301-1307.