含鋇硫鋁酸鹽水泥在沿海公路混凝土橋的修補應(yīng)用研究

摘要：針對沿海高速公路硅酸鹽水泥混凝土橋梁存在的侵蝕問題，展開高性能含鋇硫鋁酸鹽水泥在沿海環(huán)境中的修補試驗研究。結(jié)果表明：在沿海環(huán)境中，含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土比硅酸鹽水泥混凝土具有更加致密的孔隙結(jié)構(gòu)，從而具有更高的強度和耐海水侵蝕性，可適用于沿海公路混凝土橋梁的水泥基修補工程。

關(guān)鍵詞： 沿海混凝土橋；含鋇硫鋁酸鹽水泥；孔隙率；修補工程

中圖分類號：TU528.45     文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

       Study on Ba bearing sulphoaluminate cement applied in repairing bridges in coastal area

引 言

　　近年來，山東省沿海地區(qū)公路橋梁建設(shè)發(fā)展較快，在海中或海潮影響范圍內(nèi)建設(shè)了大量的跨海灣橋梁構(gòu)造物，這些橋梁在運營過程中，除正常運營荷載外，還承受著海潮和風(fēng)浪的侵蝕作用。有的高速公路（依海而建，由于特殊的地理環(huán)境，有的混凝土橋梁就建在出海口附近，受到海水和海風(fēng)的侵蝕作用，橋梁體系存在很多損害及安全隱患。尤其是距離內(nèi)陸淡水河入?？诜浅＝幕炷翗蛄?，在落潮期間，橋梁完全出于淡水浸泡狀態(tài)，但在漲潮期間，則完全處于海水浸泡侵蝕狀態(tài)。內(nèi)陸河流的干涸期和豐水期又形成干濕交替的環(huán)境，進(jìn)一步加劇侵蝕。海水通常其總含鹽量約為35g/L， 富含高濃度Cl-和SO42-。Cl-侵蝕是引起鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)脹裂的首要因素，SO42-對硅酸鹽水泥造成硫酸鹽侵蝕，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂。同時因地處我國北方冰凍地帶，每年冬季結(jié)冰，夏季炎熱，存在嚴(yán)重的凍融侵蝕。另外還存在空氣碳化效應(yīng)等危害[1-3]。以上復(fù)雜惡劣的侵蝕環(huán)境，導(dǎo)致混凝土橋梁體系遭受了嚴(yán)重的破壞，見圖1。



　　目前，在混凝土橋梁的加固修補工程中，雖然有電化學(xué)、碳纖維等很多新技術(shù)，但在惡劣的侵蝕應(yīng)用環(huán)境中，考慮實際條件，通常采用的方法是增大截面法，將侵蝕表面清理后，再采用圍堰、套筒等方法，進(jìn)行水泥修補保護(hù)層[4-6]。

　　減少Cl-、SO42-等侵蝕性離子進(jìn)入了混凝土的內(nèi)部，改變水泥成分和降低孔隙率，是改善耐海水侵蝕的有效途徑。因此，一般水泥修補保護(hù)層采用大比例摻加礦渣、粉煤灰等混合材，添加高效減水劑、防水劑等有效措施[7，8]。但由于使用的仍是硅酸鹽水泥混凝土，由于水泥本身的特性，耐硫酸鹽侵蝕性差、收縮開裂等問題依然存在。

　　含鋇硫鋁酸鹽水泥在是硫鋁酸鹽水泥的基礎(chǔ)上開發(fā)研制的一種新型水泥。該水泥是以鋁質(zhì)原料、石灰質(zhì)原料、石膏和含鋇礦物，按一定配合比，煅燒成主要礦物為無水硫鋁酸鋇鈣（C2.75B1.25A3 ）和硅酸二鈣（C2S）的熟料，再摻入適量石膏共同磨細(xì)制得的水硬性膠凝材料。與硅酸鹽水泥相比，該水泥具有早強、耐腐、抗凍、微膨脹等性能，屬于高性能水泥。它的主要水化產(chǎn)物是水化硫鋁酸鋇鈣，因此，含鋇硫鋁酸鹽水泥具有優(yōu)異的耐硫酸鹽侵蝕的能力。同時，由于該水泥水化產(chǎn)物中氫氧化鈣含量較少，所以，水泥抗溶失性侵蝕的能力很強。在相同的水灰比下，含鋇硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物水化硫鋁酸鋇鈣和鋁膠與硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和Ca（OH）2相比含有較多的結(jié)晶水，水化產(chǎn)物構(gòu)筑的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加密實，從而使含鋇硫鋁酸鹽水泥石孔隙率降低，致密度高，抗?jié)B性能優(yōu)良，這也有效地阻止了外界水及外來離子對鋼筋混凝土的侵蝕，延長了構(gòu)筑物的使用壽命[9-11]。本論文主要針對用含鋇硫鋁酸鹽水泥做修補保護(hù)層展開實驗研究。

1 實驗與結(jié)果分析

1.1抗壓強度試驗

　　混凝土由砂子、石子、含鋇硫鋁酸鹽水泥、摻合料和水?dāng)嚢瓒?。水泥為淄博某特種水泥廠生產(chǎn)的含鋇硫鋁酸鹽水泥，砂子選用濟(jì)南近郊產(chǎn)中砂(細(xì)度模數(shù)為2.6)；石子為5～20mm連續(xù)級配，濟(jì)南近郊產(chǎn)；摻合料為濟(jì)鋼產(chǎn)磨細(xì)礦渣(細(xì)度為400m2/kg)和某電廠一級粉煤灰，摻量為20%。水膠比要滿足抗?jié)B性要求，按水膠比為0.33進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計?；炷恋纳奥蕿?.42，高效減水劑適量，坍落度為195mm?；炷恋呐浜媳热绫?所示：

　　制成10×10試塊，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。同時制作了相同配合比的硅酸鹽水泥混凝土對比試樣。在液壓式壓力實驗機(jī)下進(jìn)行不同齡期抗壓強度測定，結(jié)果如表2所示：

　　可以看出含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土不僅具有一定的早期強度，并且28d強度比硅酸鹽水泥混凝土高22%，具有較好的強度性能。用POREMASTER-60全自動孔隙率分析儀對28d齡期試樣的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定分析。結(jié)果如圖2-1和圖2-2所示（OPC代表硅酸鹽水泥混凝土，BSAC代表含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土）：

按照煙威高速路實際沿海大橋?qū)嶋H施工時的C20硅酸鹽水泥混凝土配比，先制作10×5混凝土試塊，再在其上分別澆注5cm的含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土和硅酸鹽水泥混凝土粘結(jié)層，使之成為10×10的標(biāo)準(zhǔn)試塊。并制作含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土和硅酸鹽水泥混凝土試塊做對比試樣。置于實橋下海水中浸泡。經(jīng)過6個月的浸泡，其中還經(jīng)歷短暫的冰凍、淡海水交替等的實際環(huán)境。取回試塊，進(jìn)行試驗。圖4是破碎后的粘結(jié)混凝土試塊照片：

實驗結(jié)果如表3所示：

　　結(jié)果表明，在真實侵蝕環(huán)境試驗中，含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土試塊的強度要高于硅酸鹽水泥混凝土試塊，并且在粘結(jié)混凝土試驗中，含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土與老混凝土的粘結(jié)程度也要優(yōu)于硅酸鹽水泥混凝土。

1.3砂漿試塊實驗

　　按照國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強度檢驗方法》(ISO法)同時制作了砂漿試塊，并分別置于真實侵蝕環(huán)境和實驗室環(huán)境下浸泡，6個月后，進(jìn)行力學(xué)性能測試。結(jié)果如表2-4所示： 

　　結(jié)果表明：在砂漿試驗中含鋇硫鋁酸鹽水泥的抗折強度和抗壓強度均高于硅酸鹽水泥，雖然在真實海水侵蝕環(huán)境中抗壓強度指標(biāo)比實驗室環(huán)境下有所下降，但是保留率仍為84%，高于硅酸鹽水泥砂漿的68%。

1.4混凝土樁修補層實驗

　　為了進(jìn)一步模擬實橋橋墩混凝土修補層在海水中侵蝕情況，采用硅酸鹽混凝土電線桿模擬樁實驗。首先將線桿切割，然后進(jìn)行手工打毛，刷凈、沖洗。在潤濕的情況下，進(jìn)行套筒澆注成型保護(hù)層。澆注厚度控制在10cm，澆注混凝土分別為：硅酸鹽水泥混凝土、含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土。并將模擬樁置放于煙威高速路沿海大橋下。如圖5所示。

          圖5  修補層模擬樁實驗        　　　　　　　　  圖6  一年后的模擬樁情況

Fig.5  simulation experiment of repair layer     Fig.6   Repair layer after 1year

　　經(jīng)過12個月，到現(xiàn)場仔細(xì)觀察模擬樁情況，樁體表面上分布有海生貝類生物，但未發(fā)現(xiàn)有任何細(xì)微的裂紋，如圖6所示。

1.5實橋修補試驗

　　經(jīng)過多家單位協(xié)調(diào)，實橋修補試驗順利進(jìn)行,如圖7所示。

 

　　該實橋試驗測試及監(jiān)測還在進(jìn)行中，將結(jié)合實驗室檢測手段進(jìn)行微觀分析和測試，以期掌握更加長期的試驗資料，為下一步沿海高速路的混凝土橋梁體系的修補工程提供更直接、客觀的理論和實踐依據(jù)。

2 結(jié)論

　　含鋇硫鋁酸鹽水泥混凝土具有比硅酸鹽水泥混凝土更加致密合理的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高強度，改善耐海水侵蝕性能，并且與老混凝土的粘結(jié)程度較好。因此適合用于沿海公路混凝土橋梁的水泥基修補工程。