CN102491706A - 一种用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，每立方米混凝土中各材料用量为：水泥300-400kg，矿渣粉60-120kg，砂700-720kg，石1130-1150kg，外加剂10-12.5kg，水145-153kg。本发明的高性能混凝土通过降低水灰比和扩大胶结材料的比表面积而达到高强度，高密实度，高早期强度，同时抵抗氯离子的渗透性。同时在混凝土配合比中掺入适量钢筋阻锈剂，提高了混凝土中钢筋抵抗氯离子的能力，加强了对混凝土中钢筋的保护。

Description

一种用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土

技术领域

本发明涉及一种混凝土，特别涉及一种高性能混凝土。

背景技术

自从1824年波特兰水泥发明开始，混凝土材料使用至今已经接近190年的历史，以水泥为胶结材的混凝土也取得了具大的发展，混凝土作为主要建筑材料之一在世界各国得到了最广泛的应用。随着时代的发展，人类对科学技术认识能力的提高，节约资源、能源，环境保护理念的提出，对于大跨度桥梁、高层及超高层建筑、高速公路、地下结构、海底隧道、大型堤坝等混凝土结构物，由于其所处环境和受力特点对混凝土材料从强度到耐久性均提出了更高的要求，于是“高性能混凝土的理论”就基于工程建筑的这些需求而产生。

高性能混凝土不是混凝土的一个品种，而是达到工程结构耐久性的质量要求和目标，是满足不同工程要求的性能和具有匀质性的混凝土，是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限，降低工程综合造价。

我国一些地域属盐碱地区，如滨海盐碱地区，其环境特殊：CL^-、mg²⁺三种离子的含量极高，因为水分蒸发后留下盐碱结晶体，使得这些地区的离子浓度高出正常环境的几倍甚至十几倍，腐蚀程度已经不能用F级(注：F级为环境作用等级6级中的最高级：极端严重)去评定。这就是一些高浓盐碱地区的新建混凝土桥梁结构在运营不到一年的时间里就发生严重的盐吸附的原因。从钢筋混凝土的各种腐蚀因素看，大部分都与混凝土的渗透有关。实践证明采用高性能混凝土是在恶劣的的盐碱腐蚀环境下提高结构耐久性的基本措施，它具有较强的抗渗性，同时有利于提高结构对破张力的抵抗能力，且有利于桥梁结构轻型化。如何提高混凝土耐久性，保证盐碱地区混凝土结构寿命，是当前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术盐碱地区混凝土结构寿命短的问题，提供一种能够提高钢筋混凝土对腐蚀环境的抵抗能力，实现混凝土耐久性的高性能混凝土。

本发明的技术方案概述如下：

一种用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，每立方米混凝土中各材料用量为：水泥300-400kg，矿渣粉60-120kg，砂700-720kg，石1130-1150kg，外加剂10-12.5kg，水145-153kg。

所述水泥为硅酸盐类水泥。

所述矿渣粉为S95或S95以上级别矿渣粉。

所述矿渣粉含量较佳为70-100kg/m³。

所述外加剂为高效减水剂或复合高效减水剂，所述高效减水剂或复合高效减水剂减水率大于20％。

所述外加剂掺加阻锈剂或复合防腐阻锈剂成分。

所述砂细度模数为2.8-3.0。

所述石为碎石5-25mm连续级配，压碎值6％。

所述高性能混凝土材料用于桥面铺装和伸缩缝的还含有钢纤维。所述钢纤维抗拉强度大于等于600Mpa，最大长度小于等于粗集料最大公称粒径的2倍，最短长度大于等于粗集料最大公称粒径的1/3。

本发明的有益效果为：本发明的高性能混凝土通过降低水灰比和扩大胶结材料的比表面积而达到高强度，高密实度，高早期强度，同时抵抗氯离子的渗透性。同时在混凝土配合比中掺入适量钢筋阻锈剂，提高了混凝土中钢筋抵抗氯离子的能力，加强了对混凝土中钢筋的保护。根据钢筋混凝土中的钢筋腐蚀破坏成因，一般我国水泥中含碱较高的特点，在混凝土配比中通过掺入适量的矿渣粉、高效减水剂等，加强对混凝土的试验检测，严格控制混凝土的碱含量等措施，可以抑制混凝土碱集料反应，从而使配制的高性能混凝土达到抗渗、抗氯离子、抗碳化的优异性能，大大降低混凝土腐蚀破坏的可能性，提高混凝土的耐久性。

具体实施方式

下面结合天津市滨海新区独流减河特大桥高性能混凝土系列配合比技术成果实例具体阐述本发明的实施方式。

1.独流减河特大桥结构形式简述

独流减河特大桥是天津市滨海新区海景大道南延线布置的主要桥涵构筑物，它的桥位位于天津市大港区东南，桥梁全长1454.160m，全宽25m，修筑起点桩号K6+439.170，终点桩号K7+893.330，修筑面积为36354m²。桥梁起点桥台位于荒地排污河北堤岸，横跨荒地排污河、热火河、海得润滋料场、独流减河，终点桥台坐落于独流减河南堤岸，线路走线与河道基本垂交。桥梁主要设计技术指标：桥梁结构的设计基准期为100年；桥梁结构设计安全等级：一级；设计洪水频率：P＝I/200；基本地震烈度VII度；抗震重要性系数1.7；桥梁上、下行桥结构分开，上下行桥间中央分隔带位置设置防撞护栏，上部结构采用30米、27米跨径的简支预应力小箱梁。桥梁下部结构中墩、边墩基础分幅设置，中墩采用桩接柱上设牛角盖梁形式，边墩采用边盖梁形式，墩位为直径1.5m的圆柱形墩柱，桩基是直径1.2m和1.8m的单排钻孔灌注桩基础，桩基之间通过系梁连接。根据特大桥设计要求及滨海盐碱地区腐蚀环境特点，特大桥混凝土全部采用高性能混凝土。桥梁下部结构的桩基、承台、系梁、盖梁、桥台混凝土采用C35高性能混凝土；桥梁上部结构预应力箱梁、湿接缝、横隔梁现浇、桥面铺筑采用C50高性能混凝土。

2.独流减河特大桥高性能混凝土配合比设计总体思路

独流减河特大桥混凝土配合比设计方案：考虑滨海盐碱地区腐蚀环境特点，重点以满足桥梁混凝土耐久性要求为设计目标，特大桥混凝土设计均采用高性能混凝土：

(1)桥梁下部结构桩基采用大塌落度C35高性能混凝土；

(2)桥梁系梁、墩柱、盖梁、地袱、搭板采用C35高性能混凝土；

(3)27米、30米预应力小箱梁预制梁体采用C50高性能混凝土；

(4)梁端封锚、悬臂、横隔梁现浇采用C50微膨胀高性能混凝土；

(5)桥面铺装采用C50防水高性能混凝土；

(6)梁伸缩缝两侧采用C50铣削钢纤维高性能混凝土。

3.独流减河特大桥混凝土品质要求

混凝土要求：下部结构混凝土最大水胶比控制在0.40，最大氯离子含量0.10％，最大碱含量3.0kg/m3。上部结构最大水胶比控制在0.36，最大氯离子含量0.06％，最大碱含量3.0kg/m3；

混凝土环境作用等级防护要求：上部结构混凝土需满足环境作用等级E级，墩柱、防撞墙和桥面铺装混凝土作用等级为F级，桥梁下部结构的桩基、承台、系梁、盖梁、桥台等结构混凝土按环境作用D级采取防护措施；

混凝土耐久性要求：混凝土抗冻性的耐久性指数DF(％)，桩基、墩柱、承台、盖梁、桥台DF值取70％，防撞墙和桥面铺装取80％，上部结构梁体DF值取60％。

4.独流减河特大桥混凝土所用材料品质要求

(1)水泥：因为本工程存在

腐蚀，因此要求水泥中C₃A含量不得超过8％，水泥细度不得大于350m²/kg，游离氧化钙不超过1.5％。氯离子含量预应力混凝土要求小于0.06％。碱含量要求小于0.60％。应选用硅酸二钙含量较高而水化热较低的硅酸盐类水泥。配合比试验选取天津本地产42.5水泥、山东产普通42.5R(两水泥的28天抗压强度均超过50.0Mpa)。

(2)矿粉：依据国家标准(GB/T18046-2008)<用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉>有如下规定：矿渣粉共分为三级，S105、S95、S75，应选用S95以上级别的矿渣粉，技术指标：矿渣粉密度不小于2.8g/cm3；比表面积不小于350m2/kg，三氧化硫不大于4.0％，氯离子含量不大于0.06％，烧失量不大于3.0％。混凝土配合比应适当加大矿物掺合料掺量，控制掺量在60-120kg/m3，配比试验选用天津本地和唐山生产S95矿渣粉对比试验(两矿粉的活性指数均达到S105级)。

(3)外加剂：应选用减水效果好的高效减水剂或复合高效减水剂。要求减水率大于20％，实测减水率大于25％，并应掺加阻锈剂或复合防腐阻锈剂成分，所有外加剂在试配使用前需要做与水泥的适应性试验。

(4)细骨料：配制混凝土用砂为闽江河砂，质地坚硬，筛分曲线居中。含泥量0.2％，泥块含量0.0％，细度模数为Mx＝2.8，堆积密度为1.54g/cm3，表观密度为2.62g/cm3。

(5)粗骨料：碎石为蓟县产碎石5-25mm连续级配，最大公称粒径为25mm，含泥量0.2％，泥块含量0.0％，针片状含量7％，压碎值6％，表观密度为2.74g/cm3。

(6)钢纤维：铣削型钢纤维要求抗拉强度不应低于600MPa；钢纤维最大长度不应大于50mm(粗集料最大公称粒径的2倍)，最短长度不小于10mm(粗集料最大公称粒径的1/3)，每立方米混凝土加入50kg钢纤维。

5.高性能混凝土配合比设计及试配过程(以C50混凝土为例)

桥梁箱梁C50高性能混凝土配合比设计依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2000)、《JTJ275-2000海港工程混凝土结构防腐技术规范》

工程应用时施工条件与实验室条件差异对混凝土的强度和有关参数指标的影响特别大，高性能混凝土尤为突出。试验配合比会和施工配合比有差异，这一点要引起注意。

(1)胶凝材料用量的选择：根据经验，C50混凝土胶凝材料用量450kg-550kg能够满足强度要求，我们选择500kg进行试验，实际施工中根据强度评定情况给予适当调整。

(2)掺合料选择：因为特大桥工程处于潮湿环境，水中环境和潮湿土中环境，地下水化学腐蚀较为严重，不得单独采用硅酸盐或普通硅酸盐，也不得单独采用抗硫酸盐水泥，不选择掺加粉煤灰的方案。选择大掺量或较大掺量矿物掺合料的的配合比设计方案。

(3)矿物掺合料矿粉的主要特点：a减少坍落度损失；b大大提高混凝土耐久性；c对混凝土的显著增强作用；d优良的碱骨料抑制剂；f增强混凝土的抗腐蚀性；g提高混凝土的可泵性；h减少混凝土泌水。性能；强度较高、凝结硬化较快、耐冻性好、和易性好。

(4)矿粉掺量选择：为满足生产进度要求，保证混凝土的早期强度，达到2～3天脱模的要求，我们选择水泥掺量20-40％左右矿粉掺量。

(5)砂率的选择：高性能混凝土常用砂率在36％-42％之间，但从泵送混凝土角度考虑，砂率过小，导致流变参数下降，对可泵性不利，容易堵塞管道。工程实践证明，使用中砂时，砂率一般控制在40％左右最佳。通常情况下，砂率的稍微调整对混凝土的强度无明显影响，较大砂率有利于减少粗骨料界面氢氧化钙聚集和混凝土在输送管内的阻力，能提高混凝土强度的稳定性。试拌混凝土时砂率控制为40％，确定其他材料掺量后，再细调最佳砂率。

(6)坍落度的控制：箱梁混凝土入模坍落度应不小于120mm。为确保其可泵性，考虑到环境温度和输送距离及混凝土在输送管内的坍落度损失，混凝土出机坍落度应该控制在140±20mm，30min内损失不大于20mm。

(7)含气量的控制：提高含气量对混凝土的耐久性有较大好处，但对外观质量影响较大。混凝土出机含气量控制在2-4％。

(8)确定基准配合比：根据以上方案原则，我们将选定的原材料分两批进行配制。第一批配制了18组、平均强度R₂₈＝66.4MPa，运用18组试验结果进行回归分析，确定初步配合比。第二批运用初步配合比进行调试和验证制件12组，平均强度R₂₈＝67.8MPa，再次用12组试验结果进行回归分析和建立回归方程。通过对两批配制混凝土进行强度结果比较，并进行经济分析，确定基准配合比如表1：

表1混凝土基准配合比(kg/m³)

6.混凝土拌合性能试验

试验采用60L的搅拌机，搅拌采用二次搅拌工艺，其投料顺序为：投入砂→投入胶凝材料→预拌30s→投入液态材料→继续搅拌30s→投入粗骨料继续搅拌120s→出机。出机后立即进行初始坍落度、扩散度试验和含气量测试，静置30min，再做坍落度、扩散度和泌水率试验。所配制的C50高性能混凝土具有如下性能指标：

(1)坍落度：130-160mm，不离析，不泌水，和易性良好；

(2)坍落度损失：30min损失最大值为20mm；

(3)扩展度：450-490mm；

(4)含气量：2.8％-3.5％；

(5)表观密度：2400-2420kg/m³

(6)高性能混凝土和普通混凝土力学性能试验对照表2

表2列出了C50、C35强度等级的高性能混凝土(G)与普通混凝土(P)的不同龄期力学性能数据的对比资料，可以看出高性能混凝土显著优于普通混凝土，其特点是：早期强度高，后期强度增长稳定，C35低强度等级的3-5可达设计强度，C50高强度等级的5-7天可达设计强度等级，弹性模量的数据也比普通混凝土的好的多。试验数据表明C35、C50高性能混凝土强度具有稳定性和可行性，满足C35、C50混凝土的配制要求，富余系数合理，且强度发展情况良好，能够满足结构混凝土设计和施工要求。

表2普通和高性能混凝土力学性能试验结果对比

表3高性能混凝土抗压强度与普通混凝土比例

	3天	7天	28天
				C50	130％	125％	112％
C30	165％	142％	115％

(7)高性能混凝土试验检测

桥梁下部结构桩基、系梁、墩柱、盖梁C35混凝土试块，上部结构箱梁、横隔梁、桥面铺装C50混凝土试块的强度等级、耐久性系数等性能指标经天津市政工程质量检测中心见证取样检测，所检测的各项指标全部合格。

(8)特大桥高性能混凝土系列配合比

表4特大桥高性能混凝土配合比(kg/m³)

表5高性能混凝土配合比参数

Claims (10)

1.一种用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，每立方米混凝土中各材料用量为：水泥300-400kg，矿渣粉60-120kg，砂700-720kg，石1130-1150kg，外加剂10-12.5kg，水145-153kg。

2.根据权利要求1所述用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐类水泥。

3.根据权利要求1所述用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，所述矿渣粉为S95或S95以上级别矿渣粉。

4.根据权利要求1所述用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，所述矿渣粉含量为70-100kg/m³。

5.根据权利要求1所述用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，所述外加剂为高效减水剂或复合高效减水剂，所述高效减水剂或复合高效减水剂减水率大于20％。

6.根据权利要求1所述用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，所述外加剂掺加阻锈剂或复合防腐阻锈剂成分。

7.根据权利要求1所述用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，所述砂细度模数为2.8-3.0。

8.根据权利要求1所述用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，所述石为碎石5-25mm连续级配，压碎值小于6％。

9.根据权利要求1所述用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，所述高性能混凝土材料还含有钢纤维。

10.根据权利要求9所述用于盐碱腐蚀环境中高性能混凝土，其特征在于，所述钢纤维抗拉强度大于等于600Mpa，最大长度小于等于粗集料最大公称粒径的2倍，最短长度大于等于粗集料最大公称粒径的1/3。