淺談海港工程混凝土中添加抗蝕增強(qiáng)劑(CPA)的應(yīng)用
0.前言
當(dāng)前我國海港、海岸工程等建設(shè)蓬勃發(fā)展,海港工程混凝土結(jié)構(gòu)的數(shù)量迅速增長,然而海港工程混凝土腐蝕情況也十分普遍,經(jīng)濟(jì)損失巨大。工程中港口、碼頭等混凝土處在易受腐蝕的惡劣自然環(huán)境中,不可避免地要遭受海水、大氣中有害物質(zhì)的腐蝕,特別是處在浪濺區(qū)、水位變動區(qū)的混凝土。海港工程混凝土一般使用30多年其混凝土構(gòu)件就遭受嚴(yán)重腐蝕,影響結(jié)構(gòu)耐久性和安全性,為了保證海港各種設(shè)施的安全運(yùn)行,提高結(jié)構(gòu)耐久性和保證結(jié)構(gòu)安全性,必須采取各種有效的防腐蝕措施。海港工程的混凝土構(gòu)件是極其重要的結(jié)構(gòu)部位,在海港工程混凝土中添加適量外加劑是一項常用的防腐蝕措施之一,可以促進(jìn)混凝土質(zhì)量的優(yōu)化,提升混凝土的性能,降低混凝土的孔隙率和透水性,從而提高結(jié)構(gòu)耐久性,在海港工程混凝土中添加外加劑也成了混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計常用方法,而海港工程混凝土抗蝕增強(qiáng)劑為提高海港工程混凝土耐久性提供了新的材料。
1.海港工程混凝土腐蝕的原因分析
從國內(nèi)外海港工程混凝土破壞情況的分析表明,不僅海水中的有害離子對混凝土化學(xué)侵蝕,以及凍融、干濕等物理作用破壞外,還有混凝土收縮開裂、抗?jié)B性差也是重要原因之一,裂縫成為有害離子(CL-、Mg2+等)滲入混凝土內(nèi)部的渠道,與混凝土中的Ca(OH)2 起化學(xué)反應(yīng),使鋼筋的侵蝕和凍害加劇,導(dǎo)致海港工程混凝土耐久性下降。總之,混凝土在海水環(huán)境中的破壞是若干物理化學(xué)作用的綜合結(jié)果。
海港工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性涉及設(shè)計、材料、施工等方面,分析了海港工程混凝土的物理化學(xué)破壞后,就可以找到減少其破壞過程的技術(shù)措施。由于經(jīng)常受干濕和收縮影響,混凝土表面或內(nèi)部不可避免出現(xiàn)裂縫,這對長期處在具有腐蝕性的海水環(huán)境中的混凝土無疑是致命的,如何防止或減少混凝土結(jié)構(gòu)開裂,并提高混凝土密實(shí)度和抗?jié)B性是至關(guān)重要的。
2.提高海港工程混凝土耐久性的技術(shù)措施
2.1水泥品種的選擇
對海港工程混凝土選擇合適的水泥品種是十分重要的,應(yīng)保證降低孔隙率、降低透水性和增強(qiáng)抗?jié)B性,以及保護(hù)層不出現(xiàn)裂縫或控制有害裂縫(寬度大于0.2mm),為確保海港工程混凝土的耐久性,宜優(yōu)先選用C3A含量小于8%的普通水泥或抗硫酸鹽水泥。
2.2適量添加高效減水劑
單靠水泥品種選擇和水泥用量增加是不夠的,國內(nèi)外現(xiàn)在越來越多地通過添加外加劑來調(diào)節(jié)混凝土的性能,取得了很好的效果。
在海港工程混凝土中添加高效減水劑,能保持混凝土工作性質(zhì)不變而顯著減少拌合用水量、降低水灰比,提高海港工程混凝土的密實(shí)性和不透水性;同時,在混凝土中添加相適應(yīng)的高效緩凝減水劑,還可以改善混凝土和易性、降低水化熱、減緩水化速度,推遲初凝時間4~6h,延緩水泥水化熱的釋放速度,推遲混凝土放熱高峰時間,延長混凝土升溫期,減少混凝土表面溫度梯度,避免或減輕混凝土開裂。
2.3適量添加優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣粉等活性混合材
粉煤灰、礦渣、硅灰等火山灰質(zhì)材料的大量研究和應(yīng)用,使水泥品種對混凝土抗裂防滲的影響日漸突出。通過改善混凝土和易性、降低水化熱、與硅酸鹽水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng),致密水泥石結(jié)構(gòu)、改善集料和水泥漿體界面之間的粘結(jié)等作用,提高硬化混凝土微結(jié)構(gòu)的均勻性和抗裂能力。
粉煤灰、礦渣等活性混合材在其火山灰反應(yīng)中,消耗硅酸鹽水泥熟料水化產(chǎn)生的Ca(OH)2,使混凝土中Ca(OH)2含量減少,減輕NaCl等對水化硅酸鈣的腐蝕。粉煤灰還能改善水泥石孔結(jié)構(gòu),使水泥漿體中70%以上的孔分布在200?魡粉煤灰、礦渣等活性混合材在其火山灰反應(yīng)中,消耗硅酸鹽水泥熟料水化產(chǎn)生的Ca(OH)2,使混凝土中Ca(OH)2含量減少,減輕NaCl等對水化硅酸鈣的腐蝕。粉煤灰還能改善水泥石孔結(jié)構(gòu),使水泥漿體中70%以上的孔分布在200?魡以下,大大降低Cl-的擴(kuò)散系數(shù),從而降低海水對混凝土的化學(xué)侵蝕。
2.4適量添加海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑(CPA)
海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑是一種復(fù)合外加劑,以適量添加混凝土中,達(dá)到相關(guān)技術(shù)規(guī)范中的混凝土技術(shù)要求,具有很好的抗裂性能和抗?jié)B性。
3.外加劑在海港工程混凝土施工中的作用
3.1對混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行有效控制
在海港工程混凝土中普遍用到的外加劑有減水劑、緩凝劑、緩凝減水劑等,不僅提高混凝土和易性外,還可以抑制早期水化的溫升,對混凝土的內(nèi)部溫度進(jìn)行有效控制?;炷翂K體之所以在內(nèi)部溫度升高后能夠有所降低,其主要原因還是因?yàn)榫從郎p水劑在水泥水化放熱的過程中起到了很好的轉(zhuǎn)變作用,實(shí)現(xiàn)有利的溫度控制,防止混凝土開裂。
3.2克服骨料級配不佳的影響和改善混凝土的和易性
在施工時遇到級配差的骨料時,拌制混凝土過程中會由于流動性減小而導(dǎo)致用水量增多,對混凝土質(zhì)量是極不利,需添加減水劑做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。在海港工程混凝土添加外加劑主要是為了改善混凝土的和易性,對含水量進(jìn)行有效控制,由于萘系減水劑和木鈣的運(yùn)用變得逐漸普遍,使得添加外加劑改善和易性的效果能夠很好地發(fā)揮。
3.3提高施工的適應(yīng)性
在港口施工時常常要考慮到地理和氣候等原因帶來的影響,在需要時應(yīng)該增加相關(guān)的設(shè)施來滿足不同環(huán)境下的施工需要,在炎熱或寒冷地區(qū)的施工需要運(yùn)用緩凝劑、緩凝減水劑來不斷優(yōu)化混凝土施工的適應(yīng)能力,確?;炷恋臐仓|(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。
3.4改進(jìn)混凝土的施工工藝
在施工過程中運(yùn)用新工藝、新技術(shù)能夠?qū)κ┕すに囘M(jìn)行優(yōu)化,如泵送混凝土、流動混凝土、噴射混凝土等等,因外加劑的不同使用效果,對于其具體的海港工程施工工藝也有著很大的促進(jìn)。
3.5提高抗氣蝕能力
在混凝土標(biāo)號超過400號后,在30m3/s左右的流速環(huán)境下就難以出現(xiàn)氣蝕破壞,用高效減水劑制備高強(qiáng)度混凝土可以提高抗沖磨、抗氣蝕的性能,運(yùn)用高效減水劑就可以配制出高標(biāo)號混凝土,而且用高效減水劑配制高標(biāo)號混凝土要比樹脂混凝土和聚合物混凝土經(jīng)濟(jì)得多,且施工簡便,沒有污染。
4.混凝土外加劑的使用現(xiàn)狀
目前,我國海港工程混凝土一般采用添加粉煤灰或礦渣粉、減水劑和調(diào)凝劑,同時還要根據(jù)海水環(huán)境條件,分別添加引氣劑,阻銹劑,防水劑和膨脹劑等如此多的添加劑成分,不易保證混凝土質(zhì)量。
工程實(shí)踐表明,盡管海港工程混凝土添加了引氣劑,阻銹劑,減水劑等并且達(dá)到了海港混凝土技術(shù)要求,但是有些海港工程混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象也非常嚴(yán)重,這種現(xiàn)象除了與設(shè)計和施工質(zhì)量外,混凝土早起收縮開裂也是重要原因,這點(diǎn)往往被忽視,所以具有抗裂防滲性能的海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑(CPA)的推廣應(yīng)用是非常必要的。
5.海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑(CPA)的性能
5.1海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑(CPA)
是一種復(fù)合外加劑,適量添加混凝土中,達(dá)到《海港工程混凝土混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》中混凝土抗氯離子滲透性要求、滿足《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、《混凝土膨脹劑》中的補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)要求,具有優(yōu)異的抗裂防滲性能。有效解決了混凝土因干縮和冷縮產(chǎn)生有害裂縫、氯離子滲透、海水侵蝕等問題,是提高海港工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的優(yōu)質(zhì)材料。
5.2CPA的組成大致有
?。?)硫鋁酸鹽類膨脹劑——起補(bǔ)償收縮的抗裂作用。
?。?)高效引氣劑——起抗凍作用。
?。?)高效阻銹劑——起防止鋼筋銹蝕作用。
?。?)硅粉或超細(xì)磨渣粉——起密實(shí),抗蝕作用。以下,大大降低Cl-的擴(kuò)散系數(shù),從而降低海水對混凝土的化學(xué)侵蝕。
經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究,CPA內(nèi)摻量(替代膠凝材料重量)為10%左右CPA外觀為灰白粉末,比重2.90。CPA中的MgO<3%,氯離子含量<0.03%,堿含量<0.7%,無有害成分。在P.O.42.5水泥中內(nèi)添加10%CPA,與基準(zhǔn)水泥相比,CPA水泥的凝結(jié)時間正常,對強(qiáng)度影響不大,7d水中限制膨脹率ε2=3.1×10-4,180d 限制干縮率為1.02×10-4。
5.3 CPA水泥砂漿具有膨脹性能,且干縮率較小,也即具有補(bǔ)償收縮及抗裂性能
混凝土的配合比設(shè)計見表1。CPA以8%、10%、12%等量取代水泥和粉煤灰。FDN減水劑摻量為膠凝材料的0.8%,配制C40高性能混凝土。
?。?)CPA對混凝土的坍落度影響不大,凝結(jié)正常,工作性良好。
?。?)隨CPA添加量增加,混凝土早期強(qiáng)度有所降低,但后期強(qiáng)度穩(wěn)定上升。
?。?)隨CPA添加量增加,混凝土的限制膨脹率從1.9×10-4提高到3.15×10-4,其膨脹效應(yīng)比空白混凝土增加 4~6倍,干縮率也下降1~2倍,說明CPA混凝土具有良好的補(bǔ)償收縮功能。
?。?)添加與不添加CPA混凝土的彈性模量基本相同,28d的EC在3.50Gpa左右。
?。?)將準(zhǔn)15×30mm光面鋼段埋入尺寸為10×10×10cmCPA混凝土中,養(yǎng)護(hù)6月和1年后破型,觀察鋼段表面無銹斑痕跡,說明CPA對鋼筋無銹蝕作用。
?。?)將10×10×10cm的CPA混凝土塊,經(jīng)28d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,放入恒溫恒濕碳化箱內(nèi)6個月,取出后用酚酞溶液檢測其表面碳化深度,結(jié)果表明CPA混凝土抗碳化性能優(yōu)于普通混凝土。
5.4特性
經(jīng)過各種試驗(yàn)和實(shí)踐表明:
(1)具有較高的不透水性、優(yōu)異的抗氯離子滲透性及抗硫酸鹽腐蝕能力。
?。?)低堿、低摻。
?。?)不影響凝結(jié)時間,對強(qiáng)度影響不大,具有微膨脹性能,后期收縮較小,即具有補(bǔ)償收縮及抗裂性能。
(4)膨脹期短,水中14天后,不再有明顯膨脹,對混凝土后期強(qiáng)度增長有利。
6.結(jié)束語
港口工程如碼頭、船塢和跨海大橋等,海水腐蝕對其混凝土結(jié)構(gòu)破壞是非常普遍和嚴(yán)重的,國內(nèi)外對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性,延長構(gòu)筑物的安全使用期已越來越重視,國家對提高重大工程結(jié)構(gòu)耐久性的資金投入也給與相應(yīng)支持。
海水腐蝕不僅與混凝土的抗?jié)B性有關(guān),混凝土的早期收縮開裂也是重要原因,在海港混凝土添加抗蝕增強(qiáng)劑(CPA)能有效提高混凝土抗?jié)B性和減少混凝土結(jié)構(gòu)有害裂縫出現(xiàn),是提高混凝土耐久性非常重要的技術(shù)措施,海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑論文聯(lián)盟(CPA)的推廣應(yīng)用對提高海港工程混凝土耐久性具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【參考文獻(xiàn)】
[1]游寶坤,董同剛.使用海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑(CPA),提高沿海建筑結(jié)構(gòu)耐久性[J].地下工程與隧道,2007(A01).
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