论掺RMA海水耐蚀剂海工混凝土在跨海大桥抗裂性控制技术探讨

韦桂深

广东省长大公路工程有限公司第一分公司

摘要：本文根据工程设计要求,掺加RMA海水耐蚀掺合料以提高混凝土抗裂性能,并优化其配合比,RMA海水蚀剂在海工混凝土的应用在国内刚起步，公司决定在本工程试验研究。配制掺RMA海水耐蚀剂抗裂性能好的高性能混凝土,以达到设计标准,并在工程中取得了较好的使用效果。

关键词：海工混凝土;配合比设计;抗裂性；

2008年我公司承建的项目是329国道舟山朱家尖海峡大桥扩建工程。主要讨论结构混凝土强度等级为C40的主跨承台高性能海工混凝土,大桥设计使用年限为100年。欲达到这一目标,除适当增加结构钢筋的混凝土保护层厚度外,关键在于高性能海工混凝土性能达到设计指标,并确保工程整体质量。

1工程所用原材料

①水泥采用宁波海螺42.5PⅡ型;②细骨料细度模数为2.6～2.9,含泥量小于2%,泥块含量小于0.5%;③粗骨料5～25mm级配,含泥量小于0.5%;④掺合料RMA海水耐蚀,比表面积423m2Pkg,需水量比0.97,⑤南京化电煤灰，Ⅰ级，细度6到9之间，⑥舟山汇邦S95级矿粉⑦混凝土外加剂安徽中铁RAWY101聚羧酸型。混凝土减水率为28%。

2RMA海水耐蚀剂和掺合料的技术特性

提高海工混凝土整体工程的质量需从两个方面考虑,优化混凝土配方实现低电通量(或降低氯离子扩散系数)是很重要的一个方面,但海工混凝土的抗裂性是更不可忽视的重要方面。为此本课题首先从优化复合矿物掺合料着手,确定以Ⅰ级煤灰为主,辅以适量的RMA海水耐蚀剂和S95级矿粉配制成复合矿物掺合料配制成砂浆进行抗裂性测试与不掺RMA海水耐蚀剂的海工砼砂浆抗裂性测试比较[1],测定结果如图1所示(抗裂试验环境温度为25～30℃,相对湿度为20%右)。

由图1砂浆开裂试验结果,可以看到在3种掺合料比较中,掺有RMA掺合料的砂浆抗裂性较好。采用压汞法测定3种配方浆体的孔结构。对不同直径孔隙的累积体积分布的数据分析如表2所示。从表2的分析结果可以看到,复合矿物掺合料RMA的配方:①总的孔体积比单掺矿粉的有所减小,比掺硅粉的减小明显;②无害孔所占百分比最大;少害孔与其他2种配方相比略少;③有害孔和多害孔的百分比远远小于其他2种配方。因此从宏观和亚微观两方面的测定结果分析,均表明复合矿物掺合料RMA具有较好的抗裂性能。

3高性能海工混凝土的配制

为了使混凝土实现高性能化,海工混凝土配方设计首先要确定适宜的胶凝材料组成,其次再确定适宜的砂浆体积和水胶比。

3.1胶凝材料组成设计

胶凝材料组成设计主要取决于复合矿物掺合料和RMA的掺量,RMA的适宜掺量应从两个方面来考虑:除要考虑到胶凝材料与外加剂的相容性外,主要从混凝土耐久性角度进行设计。为了快速确定海工混凝土的设计参数对混凝土耐久性的影响,我们用7d龄期的混凝土试样委托同济大学采取交流阻抗谱的方法对氯离子扩散进行评价,其优点是引起扩散的浓度梯度由电极反应本身所产生,而不是由人为制造,使用交流电场产生很小的浓度差,不至于对整个测量系统产生大的扰动。

我们选用如下测量条件:在AgPAgCl阴离子可逆电极间通过低频的交变电流,正弦交流振幅10mV,频率为0110Hz到11131Hz,测量用FFT方法进行。试验前,将100mm×100mm×100mm的试块放入011molPL的NaCl溶液中浸泡48h。根据试验测定的交流阻抗的实部Z′和虚部Z″以及交变电流的角频率ω得到氯离子扩散阻抗σ,可计算混凝土氯离子扩散系数D。

为谋求使RMA与硅酸盐水泥的复合具有最大的优势互补效应,用交流阻抗谱法测得的不同RMA掺量与氯离子扩散系数的测定结果如图2所示。从氯离子扩散系数数据观测,随着RMA复合矿物掺合料掺量的增大氯离子扩散系数降低,当RMA复合矿物掺合料掺量大于15%时,氯离子扩散系数变化趋于平缓,兼顾到相容性优化测定结果,本课题确定胶凝材料组成中RMA掺量为10%。主要考虑经济效益和氯离子扩散系数比设计要求值少40%左右，已达到显著效果。

3.2混凝土组成中最佳浆体含量的设计

对于最佳的浆体含量,传统理论认为35%的浆体体积是兼顾高抗渗性和高尺寸稳定性的最佳折衷[2]。我公司认为最佳的浆体含量与混凝土外加剂减水率与胶凝材料性能有关,当今混凝土外加剂品种已由萘系发展到采用聚羧酸型的情况下,350L的浆体体积作为最佳的浆体含量并不一定可取,因为新拌混凝土的工作性与浆体在混凝土组合物中的均匀性是由水泥的矿物成分、复合矿物掺合料的性能与聚羧酸型混凝土外加剂的掺量三因素所决定。我公司测定了3种水泥在固定浆体体积为320L、RMA掺量为10%情况下混凝土的物理力学性能是较理想的。

从表1可以看到在所选用材料情况下,3种水泥用量配制的混凝土均仍能实现高抗渗性和高尺寸稳定性的最佳折衷,其中以水泥为180KG最佳。（见表1）

表1朱家尖大桥承台海工砼配合比设计

序号粉煤灰矿粉RMA砂碎石水外加剂R7mpaR28mpa氯离子渗透扩散系数1165165100157421364.436.552.82.01×10-12m2.s-1218016090207421314.343.755.71.83×10-12m2.s-1320016060207421324.441.858.61.87×10-12m2.s-1

3.3高性能海工混凝土配方的设计参数

高性能海工混凝土只有在低水胶比条件下,大掺量复合矿物掺合料的火山灰性质才可扬长避短,充分发挥其潜在的正效应,充分抑制其潜在的早期强度和早期抗氯离子渗透性低的负效应[2]。固定浆体体积320L、掺合料掺量为70%条件下不同水胶比对氯离子扩散系数的影响如图3所示。

由图3可见扩散系数随水胶比的增大而增加,但当水胶比大于0.29时扩散系数发现明显的转折,当水胶比增大至0.31时扩散系数增大至2.32。据此测定结果我公司确定大桥的高性能海工混凝土的水胶比为0.29,其配方组成如表4所示。

3.4海工混凝土抗裂性评估

为研海工混凝土抗裂性,我公司除从还原论的观点研究矿物掺合料的适宜组成外,还从整体论的观点综合研究混凝土的抗裂性。从整体论的观点分析,工程结构物中引起裂缝的原因,文献[5]认为属于由变形变化(温度、收缩、不均匀沉降)引起的约占80%以上,属于由荷载引起的约占20%左右。针对大桥工程实际情况分析,我公司认为控制混凝土变形变化引起裂缝的影响因素及其途径为:降低水胶比及水泥用量,增大矿物掺合料掺量,减小用水量,这样可使水化温升降低,温度收缩

及干缩减少,使拉应力降低,同时使混凝土具有适宜的早期强度与弹性模量,极限拉伸增大,拉应变减少,这样产生可见裂缝概率降低,耐久性提高。

图3水胶比

表2朱家尖大桥海工混凝土的设计参数

水胶比/（W/B）胶凝材料总量掺合料/﹪砂率/﹪RAWY101外加剂/﹪0.2945060420.95

我公司承担施工的大桥承台长25m,厚7.5m,宽为10m,均属大体积混凝土。除了干缩变形外还存在着内外约束引起的温度变形,实际工程结构中干缩变形和温度变形时而是相伴发生,外部约束和内部约束也时而同时存在。混凝土干缩变形通常要换算为“当量温度”叠加于温差之中,再据以计算包含干缩成分的温度应力[7]。当应力超过混凝土的抗拉强度,就发生开裂。

由于C40高性能海工混凝土组成中复合矿物掺合料占60%,水泥用量仅为180kgPm3,可以判断混凝土早期峰值温度较低,水化热测定结果如图4所示,干缩变形测定结果如图5所示。

由图4水化热测定结果可以看到C40高性能海工混凝土的峰值温度为4312℃,对降低温度应力很有利。由图5测得的混凝土干缩变形是以《水运工程混凝土试验规程》JTJ270-98进行。90d干缩应变为492με,干缩应变较小。但图5测得的干缩应变结果没有反映混凝土从初凝至3d龄期内的混凝土的自收缩。

据文献[6]认为,高性能混凝土处于环境相对湿度小于100%的条件下,自收缩与干燥收缩会同时发生,并建立了复合收缩模型,通过ZSH法测定发现低水灰比高性能混凝土的自收缩约为干燥复合收缩的70.1%～88.4%。本课题确定的海工混凝土配方水胶比为0.29,显见尽可能减少自收缩对控制混凝土裂缝是极其重要的。

关于混凝土的自收缩,文献[7]认为改变组成材料的酸碱性即亲水性和憎水性,也是改善混凝土自收缩的重要手段。按文献[7]认为胶凝材料(主要指掺合料)的酸碱性可以按其化学成分当中SiO2含量高低大致分为酸性、中性和碱性三类。其中酸性掺合料SiO2含量大于65%,中性掺合料SiO2含量为52%～65%,碱性掺合料SiO2含量为小于52%。由表1可见,RMA复合矿物掺合料中SiO2含量为34.8%,属碱性掺合料,有利于自收缩的减小。此外文献[7]认为胶凝材料

的颗粒分布与水泥石中毛细孔数量与分布存在相关性,从而间接影响混凝土的早期化学收缩、干燥收缩和自收缩,如果减少水泥颗粒组成中小于5μm的颗粒含量,就能明显改变混凝土的细观孔隙结构,使水泥石中的微毛细孔数量减少,大毛细孔数量增多从而减少毛细孔压力,且还能降低混凝土的早期化学收缩和干燥收缩,能有效地减少混凝土的自收缩现象。由水泥与掺加70%的混合胶凝材料的粒径分布,测定结果如表5所示。

由表5测定数据可见,用SBM-3水泥并掺有70%的SSB复合矿物掺合料的胶凝材料,其小于5μm的颗粒体积含量较大,据此推测用该胶凝材料配制的低水胶比高性能海工混凝土自收缩量是较大的.

表3胶凝材料粒径分析结果

种类

平均

径/um

中位径

众数

径/um

小于5um

颗粒含量%

22.5

16.08

22.3

16.2

15.7

10.65

17.3

Φ35.8

提高高性能海工混凝土的抗裂性,其技术关键是提高混凝土的抗变形能力。文献[4]认为对于变形变化引起的裂缝问题,仅仅看到抗拉强度是不全面的,更重要的是要看到“材料的抗变形能力。本课题确定的海工混凝土配方,委托上海港湾工程检测院测定的抗拉极限变形结果如表4所示。

表4混凝土轴向拉伸试验结果

轴心抗拉强度/Mpa

轴心抗拉弹模/Gpa

极限拉伸值10-6

90d

28d

90d

28d

90d

6

51.5

59.8

130

137

关于混凝土的极限拉伸,文献[4]认为混凝土在静荷载作用下,其极限拉伸约在100×10-6左右,慢速加荷时可提高到160×10-6。由表6可见,本课题设计的海工混凝土的极限拉伸为120×10-6～127×10-6,在一般混凝土极限拉伸范围之内。

据调研海工混凝土的开裂时间一般为7d左右。为便于分析,我公司测定了10d内不同龄期抗压强度、劈裂抗拉强度与静力受压弹性模量的变化状况。据文献[5]认为混凝土抗拉弹性模量取为与抗压弹性模量等值,因此由劈裂抗拉强度与抗压弹性模量的比值的0.8倍[4],可粗糙地近似定性反映不同龄期极限拉伸变化规律,以作为分析混凝土抗裂性的参考。

由表7可见极限拉伸变化规律在1～3d内增长较快,而由3～8d内增长陡度减小,但8～10d趋于平缓。这种极限拉伸变化规律可能与复合矿物掺合料特性有关。文献[5]认为一般在大体积混凝土浇筑后的温升期中(3～5d内),混凝土处于塑性2弹性转变阶段,徐变系数大而混凝土弹性模量小,一般不致发生问题。混凝土峰温过后,弹性模量逐渐增大,但抗拉强度的增长速度稍大于弹性模量的增长速度,ΔTm(外约束引起的变形转换为当量温差)、ΔTd(内约束引起的变形转换为当量温差)也要随着时间推移发生变化,而混凝土抗拉强度波动性很大,这就决定了混凝土施工期中温度裂缝大多出现在浇筑后的7～20d。采用本课题确定的海工混凝土,由图7可知在8d内极限拉伸一直在增长,这种特性对大体积混凝土降温期间提高抗裂性是较为有利的。

表510d龄期内的不同力学性能参数

龄期/d

抗压强度/Mpa

劈拉强度/Mpa

弹性模量/Gpa

极限拉伸/10-6

7.5

0.45

10.00

36

13.8

1.69

15.85

85.3

20.5

1.96

20.75

75.57

27.0

2.50

21.20

94.34

26.8

2.61

22.35

93.42

28.2

2.66

19.45

109.41

29.2

2.92

21.00

111.24

31.8

3.35

20.55

130.41

34.1

3.82

24.10

126.47

35.0

3.94

24.30

129.71

虽然本文对降低混凝土温度应力、减少混凝土干缩与自收缩与提高极限拉伸变形做了尽可能多的优化工作,但从工程实践中发现成型后的混凝土试块拆模后,试块尺寸明显减小,表明混凝土自收缩值依然很大,但工程未见肉眼可见裂缝(小于0.05mm)。据分析认为由于自生收缩在混凝土体内均匀发生,且在模板尚未拆除之前,混凝土自生收缩大部分已经发生,甚至已基本完成[8]。因此由本课题优化设计的海工混凝土配合比,可以认为混凝土抗裂性是较好的。

5工程实践效果

我公司承担的舟山朱家尖大桥扩建工程，海上主跨二个承台工程,每个施工到浇捣任务时间为一个月。共计浇筑混凝土约3700m3,其海上引桥标准跨的承台约50多个,每个约250m3，总计浇筑掺RMA海工高性能混凝土约18000m3左右。

工程见证取样的混凝土各项性能测定结果如下:

(1)强度测定

试块组数n=295组,平均强度mfcu=56MPa,达到设计要求的160%。最小值为fcu,min=50.2MPa,标准差Sfcu=4.43MPa。

(2)耐久性测定(检测龄期约为84d)

①混凝土氯离子电通量值689～985(C);②混凝土氯离子扩散系数0.84×10-12m2Ps。

(3)裂缝观察

工程实践中,在舟山朱家尖大桥扩建工程内需掺RMA海水耐蚀剂共浇筑2.2万m3左右海上承台和海上墩身中均未发现任何肉眼可见裂缝,说明用本课题研制生产的预拌混凝土有良好的抗裂性,且稳定性良好.

6结语

(1)采用低水胶比、大掺量RMA复合矿物掺合料并采用低浆体体积的技术手段来配制高性能海工混凝土的技术路线是正确的。

(2)采用该技术路线配制的高性能海工混凝土具有较好的抗裂性,且耐久性能符合大桥海工混凝土设计指标。

参考文献

[1]文梓芸,杨医博.化学外加剂和矿物掺合料对水泥砂浆干缩与开裂影响的研究[A].

[2]洪定海.高性能混凝土在海工结构上的应用[A].

[3]史美伦.混凝土阻抗谱[M].北京:中国铁道出版社,2003..

[4]富文权,韩素芳.混凝土工程裂缝分析与控制.