近海盐渍地区大体积混凝土耐久特性研究.pdf
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1、近海盐渍地区大体积混凝土耐久特性研究邱冰1,肖文韬2,李睿智翔2,李鑫阳2,江朝华2(1.佛山市交通科技有限公司,广东佛山528300;2.河海大学教育部疏浚中心,江苏南京210098)摘要:近海盐渍地区湿度大、腐蚀多元化,亟需提高混凝土抗腐蚀等耐久性。结合连云港某热电厂工程腐蚀环境,解决大体积混凝土的内外温差应力开裂风险和防腐耐久性问题,进行了配置混凝土的抗压强度、绝热温升、体积稳定性、抗氯离子侵蚀和抗硫酸盐侵蚀特性研究。结果表明近海盐渍地区大体积混凝土宜采用S95级矿粉和粉煤灰等防腐混合材,其中矿粉掺量30%35%,粉煤灰+早强激发剂掺量20%25%。基于新型地聚合物碱激发原理制备的激发剂
2、能够有效避免大掺量混合材对混凝土早期强度的不良影响,从而避免其遭受腐蚀破坏的风险。大掺量掺合料的合理使用可以提高混凝土的工作性能和耐腐蚀性能,降低水泥用量,满足盐渍地区抗侵蚀及耐久性要求。研究可为近海盐渍地区抗腐蚀低收缩高性能混凝土的制备提供借鉴。关键词:近海盐渍区;混凝土;抗腐蚀;耐久性中图分类号:U654文献标志码:A文章编号:2095-7874(2024)02-0048-06doi:10.7640/zggwjs202402009Durability characteristics of mass concrete in offshore saline areasQIU Bing1,XIA
3、O Wen-tao2,LI Rui-zhi-xiang2,LI Xin-yang2,JIANG Chao-hua2(1.Foshan City Transportation Science and Technology Co.,Ltd.,Foshan,Guangdong 528300,China;2.Dredging Center of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China)Abstract:The high humidity and diversified corrosion in offsho
4、re saline areas urgently require improving the durability ofconcrete,such as corrosion resistance.Combined with the corrosive environment of a thermal power plant project inLianyungang to address the risk of internal and external temperature difference stress cracking and anti-corrosion durability o
5、fmass concrete.Research was conducted on the compressive strength,adiabatic temperature rise,volume stability,resistance tochloride ion corrosion,and resistance to sulfate corrosion of configured concrete.The results indicate that anti-corrosionmixtures such as S95 grade mineral powder and fly ash s
6、hould be used for mass concrete in offshore saline areas,with mineralpowder content of 30%35%and fly ash+early strength activator content of 20%25%.The activator prepared based on theprinciple of novel geopolymer alkali excitation can effectively avoid the adverse effects of large amounts of admixtu
7、res on theearly strength of concrete,thereby avoiding the risk of corrosion damage.The reasonable use of large amounts of admixtures canimprove the workability and corrosion resistance of concrete,reduce cement consumption,and meet the requirements ofcorrosion resistance and durability in saline are
8、as.The research can provide a foundation and reference for the preparation ofcorrosion-resistant,low shrinkage,and high-performance concrete in offshore saline areas.Key words:offshore saline areas;concrete;corrosion resistance;durability中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第2期2024年2月Vol.44No.2Feb.202
9、4收稿日期:2023-10-24修回日期:2023-11-22基金项目:广西重点研发计划项目(2021AB22114)作者简介:邱冰(1979),男,四川资中人,工程师,土木工程专业。E-mail:0引言近海盐渍区环境的特殊性,使得暴露的钢筋混凝土构筑物易受到含Cl-、SO42-的海水腐蚀及气候条件、海潮压力等因素影响,仅几年就会出现明显的混凝土剥蚀、开裂及钢筋锈蚀等现象,其抗腐蚀耐久性问题已经引起广泛关注。大量研究表明在混凝土中添加高掺量(水泥替代量超过50%)的粉煤灰、矿粉等混合材,可以降低水泥用量,减少普通硅酸盐水泥(OPC)生产过程中排放大量CO2的问题,改善其抗腐蚀等耐久特性1。掺2
10、024年第2期加矿粉可以降低水化热,提高抗渗、抗腐蚀等耐久性。此外,掺加适量的粉煤灰可以降低用水量,减少水泥用量,改善浆体工作性能,抑制混凝土干缩2。但大掺量粉煤灰将显著降低混凝土早期强度,影响拆模时间和施工速度,与有腐蚀性的海水接触时会急剧降低混凝土的耐久性,增加其后期遭受腐蚀破坏的风险。复合使用掺合料,利用不同掺合料化学组成、火山灰效应、颗粒尺寸、水化速率的差异,调节混凝土早期和后期强度的发展,可以获得良好的力学性能和耐久性能3。此外,新型地聚合物胶凝材料是粉煤灰、矿粉等硅铝质工业废渣在强碱常温激发下制得,具有早强、高强、抗侵蚀性等优良特性4。基于地聚合物制备原理,可以采用碱激发剂激发掺合
11、料的活性,提高大掺量混合材混凝土的早期强度,并使其后期强度不受影响。连云港某近海热电厂工程,地下水和场地土壤中Cl-和SO42-含量最高分别达29 636 mg/L和2 786 mg/L。地下水及地下水位以上的场地土对混凝土结构具有腐蚀性。工程中包含尺寸20 m伊10m伊3 m厚的汽机基座承台,尺寸为10 m伊7 m伊2.5m的磨煤机、锅炉承台等,均属于大体积混凝土。本文结合该热电厂工程腐蚀环境,考虑大掺量掺合料技术,采用碱激发原理提高早期强度,解决大体积混凝土的内外温差应力开裂风险和防腐耐久性问题,进行配置混凝土抗压强度、绝热温升、体积稳定性、抗氯离子侵蚀和抗硫酸盐侵蚀等性能检测,为近海盐渍
12、地区抗腐蚀低收缩高性能混凝土的制备提供基础和借鉴。1试验设计1.1试验原材料水泥为普通硅酸盐水泥、强度等级42.5;矿粉选取S95级,比表面积为420 m2/kg、流动度比为102%、烧失量1.8%、28 d活性指数为96%;粉煤灰为南京热电厂的域级灰,细度10.8%、需水量比96%、烧失量1.6%、活性指数75%;细骨料选取天然河砂,细度模数2.9,表观密度2 630kg/m3,含泥量小于1.5%,其颗粒粒径累计分布曲线如图1所示。粗骨料为531.5 mm连续级配的人工碎石,其表观密度为2 680 kg/m3、含泥量0.2%、针片状含量0.4%;减水剂选用江苏博特公司生产的PCA聚羧酸高性能
13、减水剂,减水率30%、含气量3.5%。1.2试验方案水胶比为0.38,分别采用粉煤灰单掺(20%和35%),矿粉、激发剂双掺(二者掺量分别为45%、5%和55%、5%),粉煤灰、矿粉和激发剂三掺(三者掺量分别为15%、30%、5%和20%、35%、5%)进行大体积混凝土配置。激发剂包括60%的半水石膏、30%的硫酸钠和10%的氧化钙。考虑现场混凝土泵送施工,坍落度控制(180依20)mm,含气量控制(4依1)%。经试拌,确定配合比设计方案见表1。表1大体积混凝土配合比Table 1Mass concrete mixing ratios试件编号每方混凝土原材料用量/(kgm-3)坍落度/mm含气
14、量/%水水泥粉煤灰矿粉激发剂砂石减水剂引气剂H01604200007341 0332.100.029 41805.0HF2016033684007061 0352.100.033 61703.0HF3516027314706821 0422.100.037 81903.0HS45J51602100189217111 0432.100.031 51804.7HS55J5160168231217101 0422.100.033 61905.0HF15S30J516021063126217001 0302.100.031 51804.0HF20S35J516016884147216921 0352.
15、100.031 51704.2图1颗粒级配分布图Fig.1Particle grading distribution1009080706050403020100粒径/mm100.10.011邱冰,等:近海盐渍地区大体积混凝土耐久特性研究49中国港湾建设2024年第2期1.3试验方法混凝土力学性能试验根据GB/T 500812019混凝土物理力学性能试验方法标准 进行。试件成型后在温度为(20依5)益、相对湿度大于50%的室内静置24 h后脱模。试件拆模后立即放置在温度(20依2)益、相对湿度大于95%的标准条件下养护至规定龄期。混凝土绝热温升、干缩、自生体积变形的试验依据SL/T 352202
16、0水工混凝土试验规程 进行。氯离子扩散、抗硫酸盐侵蚀等耐久性能试验根据GB/T 500822009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 进行。混凝土抗盐腐蚀试验模拟现场地下水和场地土壤中Cl-和SO42-的最高浓度(分别为29 636 mg/L和2 786 mg/L)进行,以浸泡15 h常温风干1 h高温烘6 h冷却2 h为1个干湿循环(24 h),根据不同循环次数下混凝土试件的抗压强度变化来评判混凝土抗盐侵蚀性能。2结果分析2.1抗压强度各组试件抗压强度结果见图2。从图中可知,各组混凝土试件28 d抗压强度均大于40 MPa。单掺粉煤灰显著降低混凝土的早后期强度,较之空白样,掺加35%的
17、粉煤灰试件的7 d和28 d抗压强度分别降低28.9%和17.1%。双掺55%矿粉+5%激发剂的试件分别降低26.2%和10.0%,三掺20%粉煤灰+35%矿粉+5%激发剂的试件分别降低28.6%和7.2%,由于激发剂的加入,有效地弥补了大掺量掺合料对混凝土强度早后期强度的不良影响。掺加粉煤灰、矿粉一方面起填充作用,胶凝材料体系的颗粒粒径分布改变,原本的大孔隙消除,孔的分布更加合适均匀,混凝土密实度提高。此外粉煤灰、矿粉还可以与水泥水化后生成的Ca(OH)2发生火山灰二次反应,水化产物在整个界面过渡层内分布更均匀,有利于试件强度发展。但粉煤灰早期活性较低,水化反应慢,二次火山灰反应生成的凝胶量
18、少,早期强度也远低于掺纯硅酸盐水泥。本文掺加的激发剂主要为半水石膏、硫酸钠和氧化钙,硫酸钠溶于水时呈现中性,并不能为激发粉煤灰、矿粉提供相应的碱性条件,使用硫酸钠时还需要向体系中掺入CaO、CaSO4等外掺料,使硫酸钠与外掺料首先在水中反应并形成高碱性条件。具体体现为:钙质活性外掺料+H2O寅2OH-+Ca2+,在水中硫酸钠解体Na2SO4寅2Na+SO42-,在形成的溶液中发生如下反应:2Na+SO42-+2OH-+Ca2+寅2NaOH+CaSO4,NaOH的生成提供了大量的OH-离子,形成了适合激发粉煤灰、矿粉活性的碱性条件,原料中的Si-O键、Al-O键和Ca-O键在氢氧根的作用下变得更
19、容易断开,可以生成更多的水化产物,提高强度。2.2混凝土热学性能混凝土的绝热温升曲线见图3,从图中可知,随着粉煤灰掺量增加,混凝土28 d绝热温升下降明显。单掺35%粉煤灰、掺加20%粉煤灰+35%矿粉+5%激发剂试件的最终温升值较低,分别为43.1 益和45.3 益。混凝土的水化反应为化学放热反应,水泥熟料中铝酸三钙C3A水化放热最大,具体反应为:3CaOAl2O3+6H2O寅3CaOAl2O36H2O。矿粉、粉煤灰的掺加减少了水泥用量,降低水泥水化反应的同时降低放热能量,从而降低水化时混凝土的温度,减少了温度裂缝对浇筑大体积混凝土结构的影响,提高了结构的耐久性能。图3混凝土绝热温升曲线Fi
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