某湖底隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土抗碳化耐久性試驗研究_潘志峰

1、某湖底隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土抗碳化耐久性試驗研究_潘志峰 2008年第10期總第124期 福建建筑 FujianArchitecture&Construction No102008 Vol124 某湖底隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土抗碳化耐久性試驗研究 潘志峰1,2 (1.廈門市建筑科學(xué)研究院集團股份有限公司;2.福建科之杰新材料有限公司361004) 摘要:結(jié)合某湖隧道工程的具體特點,確定抗碳化作為影響其耐久性的主要問題,研究了水泥品種、膠凝材料總量、礦物摻合料取代率、粉煤灰和礦粉比例和水膠比等配合比參數(shù)對混凝土抗碳化性能的影響。研究結(jié)果表明,不同水泥對混凝土碳化速度有較 大的影響,混凝土碳化深度隨

2、著膠凝材料用量降低、礦物摻合料取代率增加、粉煤灰比例的增加和水膠比的增加而增加。本文從抗碳化耐久性角度提出配合比參數(shù)的設(shè)計范圍。關(guān)鍵詞:隧道碳化粉煤灰礦粉耐久性 中圖分類號:TU502+.5 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1004-6135(2008)10-0036-03 ResearchonCarbonationDurabilityofConcreteforLiLakeTunnel ZhifengPan (1.XiamenAcademyofBuildingResearch(Group)CO.,LTD361004; 2.FujianProminentScienceNewMaterialsCO.,L

3、TD361101) Abstract:AccordingtothepeculiaritiesofLilaketunnel,carbonationandcrackresistancewasregardedasthemaindurability problems.Theinfluenceofsomemixparametersoncarbonationresistanceswasstudied.Factorsconsideredincludedcement,ce-mentitiouscontent,mineraladmixturereplacementlevel,w/B.Itisobservedth

4、atthecarbonationdepthincreasedwiththereduc-tionofcementitiousmaterialscontent,theincreasesofthemineraladmixturereplacementratio,theflyashcontentandw/Bratio.Themixproportionwasfinallybroughtforwardbasedontheexperimentresultsandcarbonationresistancedurability. Keywords:tunnelconcretedurabilitycarbonat

5、ionflyashslag 混凝土的耐久性問題對于工程結(jié)構(gòu)意義重大,優(yōu)化選擇耐 久性良好的配合比是確保結(jié)構(gòu)耐久性的前提,對于任何在建或者將建的重要的基礎(chǔ)設(shè)施,都有必要進行混凝土耐久性研究。某湖隧道是該市首條城市隧道,該隧道全長1180m,其中湖底暗埋段880m,敞開段300m,隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命為100年,混凝土強度等級C30。水質(zhì)檢測表明該隧道所處位置的地下水和湖水為非侵蝕性介質(zhì),不存在嚴(yán)重的氯鹽侵蝕問題,該地區(qū)混凝土抗凍性要求不高,因此該隧道混凝土面臨的主要耐久性問題是提高混凝土抗碳化耐久性、提高混凝土體積穩(wěn)定性以減少開裂幾率和提高混凝土抗?jié)B性能。 對于高強和低水膠比的混凝土,碳化造成的耐

6、久性問題并不嚴(yán)重,然而對于普通強度等級的混凝土,碳化問題不容忽視。碳化影響因素復(fù)雜,HusainAl-Khaiat1等研究表明水灰比和表面處理是影響碳化的主要因素之一,夏季澆注混凝土碳化深度高于冬季澆注混凝土的碳化深度,水泥類型對混凝土碳化影響較小。P.Sulapha2等研究表明礦粉和粉煤灰顯著降低混凝土抗碳化性能,延長水養(yǎng)護時間可以提高礦物摻合料混凝土的抗碳化性能。Malhotra3等對低水膠比混凝土長期戶外碳化研究結(jié)果卻表明礦物摻合料對碳化影響很小。 優(yōu)質(zhì)礦物摻合料是高性能混凝土的必要組成之一,然而無 作者簡介:潘志峰,1981年出生,男,助理工程師,碩士,主要從事外加劑 相關(guān)技術(shù)服務(wù)工作

7、。 收稿日期:2008-09-01 C-PGC-TSC-HAFlyashSlag 論是礦渣還是粉煤灰都會對混凝土抗碳化性能帶來一定的負(fù) 面影響,因此通過試驗確定合理的配合比是非常必要的。本文主要針對該隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土的原材料的選取和配合比參數(shù)的優(yōu)化,研究混凝土抗碳化性能。 1原材料、配合比和試驗方法 1.1試驗原材料 試驗中采用該隧道工程備選的三種P.O42.5水泥C-TS、C-HA和C-PG。粉煤灰為無錫周莊I級粉煤灰,礦粉為沙鋼S95級礦粉。水泥、粉煤灰和礦粉的的化學(xué)成分如表1所示。試驗中粗集料為531.5mm連續(xù)級配花崗巖碎石,細(xì)集料為贛江中砂,細(xì)度模數(shù)為2.78。外加劑為聚羧酸系高性

8、能減水劑。 表1水泥、粉煤灰和礦粉的化學(xué)成分 CaO(%)61.157.650.250.332.3 Si2O(%) 21.323.326.333.817.5 Al2O3(%) 6.038.2613.65.5335.7 SO3(%) 3.833.512.970.5092.13 Fe2O3(%) 3.293.703.605.190.257 MgO(%)2.541.731.460.70810.2 1.2試驗配合比 試驗配合比14組,C01C03組對比研究幾種不同水泥對 混凝土碳化性能影響;C04C06組研究膠凝材料總量360400kg/m3混凝土碳化性能,固定水膠比(0.4)和礦物摻合料取(33%(

9、/3和水 2008年第10期總第124期潘志峰某湖底隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土抗碳化耐久性試驗研究37 膠比(0.4),礦物摻合料取代量分別為20、40、50%;C10C13 組固定膠凝材料總量、水膠比和礦物摻合料總?cè)〈?研究粉煤灰和礦粉比例對混凝土碳化性能影響。1.3試驗方法 碳化試驗采用100mm100mm400mm的棱柱體試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護26d后取出,602溫度下烘48h。在標(biāo)準(zhǔn)加速碳化條件下(CO2濃度為203%,溫度202),按照J(rèn)TJ270-98水運工程混凝土試驗規(guī)程用酚酞酒精溶液測量劈開面上混凝土保護層的碳化深度來測定試件3d、7d、14d、28d時的碳化深度?；炷恋奶蓟禂?shù)根據(jù)28d

10、內(nèi)不同齡期碳化深度按照下式進行擬合得到: X=k+b 式中:X為碳化深度(mm),k為碳化系數(shù)(mm/d0.5) 表2試驗配合比(kg/m3) 組別C01 C02C03C04C05C06C07C08C09C10C11C12C13C14 W145145145144152160148148148148148148148162 C285285285240253266296222185250250250250240 FA808080808489377492.51208040080 SL000404245377492.50408012040 S767767767779779779782782782782

11、782782767767 G11031103110310761076107610801080108010801080108010801180 JM-PCA4.04.04.03.23.02.63.13.13.13.73.653.653.73.7 備注C-TS C-HAC-PGB-360B-380B-400Ad-20%Ad-40%Ad-50%FA33SL0FA22SL11FA11SL22FA0SL33W/B-0.45 圖1不同水泥品種的混凝土碳化深度 碳化深度最大,這主要是由于隨著膠凝材料用量的降低,混凝 土吸收CO2能力下降,而三組混凝土的水膠比相同,內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)近似。此外,骨料體積比例增加導(dǎo)致界

12、面過渡區(qū)比例的增加也對混凝土抗碳化性能不利。 備注:C04C13組水泥均為PG牌P.O42.5 表3混凝土的28d抗壓強度和碳化系數(shù) 組別C01C02C03C04C05 抗壓強碳化系抗壓強碳化系抗壓強碳化系度f數(shù)k(mm組別度f數(shù)k(mm組別度f數(shù)k(mm 5)5).5)(MPa)/d0.(MPa)/d0.(MPa)/d047.3 48.650.046.349.6 1.86 2.772.102.272.17 C06 C07C08C09C10 48.254.351.644.643.6 2.00 2.032.122.983.10 C11 C12C13C14 48.249.051.138.5 2.2

13、2 1.981.853.52 圖2不同膠凝材料總量的混凝土碳化深度 2試驗結(jié)果與討論 2.1水泥品種對混凝土碳化性能的影響 試驗對比了三種不同水泥對混凝土碳化性能的影響,試驗配合比如表2中C1C3組,碳化試驗結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出三種不同水泥配制混凝土的碳化速度有一定的差別,HA水泥混凝土的28d碳化深度最大,PG水泥次之,TS水泥混凝土碳化深度最小。HA水泥和TS水泥混凝土28d碳化深度差異有4mm左右,從表3也可以看出HA水泥配制混凝土的碳化系數(shù)顯著高于TS水泥和PG水泥,而抗壓強度卻是TS水泥混凝土最低,PG水泥混凝土最高,碳化系數(shù)與強度并不一致,在水泥品種選擇時不能僅依靠強度作

14、為指標(biāo),必須綜合考慮水泥在混凝土中效用,在本工程中從抗碳化耐久角度中棄用HA水泥。2.2膠凝材料用量對混凝土碳化性能影響 膠凝材料用量直接影響混凝土吸收CO2的量,因此對混凝土碳化速度有一定的影響,試驗配合比如表2中C04C06組。圖2表示了不同膠凝材料總量對混凝土碳化性能的影響,試驗中三組混凝土的28d碳化深度都比較小,隨著膠凝材料用 ,32.3礦物摻合料取代量對混凝土碳化性能影響 圖3為不同礦物摻合料取代量混凝土碳化深度隨時間的發(fā)展關(guān)系,礦物摻合料等質(zhì)量取代水泥量為50%、40%和20%時,混凝土28d碳化深度分別為12.3、9.6和8.7mm,碳化系數(shù)分別為2.98,2.12和2.03m

15、m/d0.5,隨著礦物摻合料取代量的增加混凝土碳化深度增加?？傮w來說,在這三個礦物摻合料取代水平下各組混凝土碳化深度都比較小,具有良好的抗碳化性能,摻量20%,40%混凝土的碳化曲線比較接近,摻量50%的混凝土碳化顯著高于其他兩組。 由于粉煤灰和礦渣微粉的火山灰反應(yīng)消耗了混凝土中大量的氫氧化鈣,礦物摻合料尤其是粉煤灰摻量的提高,帶來一個顯著的問題就是混凝土中氫氧化鈣含量降低,降低混凝土的抗碳化能力,這對保持鋼筋鈍化膜的穩(wěn)定性是不利的。此外,從表3可以看出隨著礦物摻合料取代量的增加,混凝土的強度降低,混凝土的孔隙率增加,CO2在混凝土中滲透性增加,也會增加混凝土的碳化速度。為了保證混凝土具有良好

16、的抗碳化性能,在本試驗的原材料條件下,礦物摻合料的取代量宜在20%40%范圍內(nèi),結(jié)合其他性能的試驗結(jié)果可以進一步確定具體摻量。2 2008年第10期總第124期潘志峰某湖底隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土抗碳化耐久性試驗研究38 度的反比關(guān)系具有較大的離散性。 圖3不同礦物摻合料取代量混凝土碳化曲線圖5混凝土碳化深度與強度關(guān)系 圖4為不同粉煤灰和礦粉比例的混凝土碳化深度曲線,礦物摻合料的總?cè)〈繛?3%,粉煤灰與礦粉的比例分別為 33%:0%,22%:11%,11%:22%和0%:33%。從圖中可以看出,隨著粉煤灰比例的增加,混凝土的碳化深度增加。這是由于試驗所用低鈣粉煤灰中CaO含量遠低于礦粉,粉煤灰火山

17、灰反應(yīng)消耗混凝土中更多的Ca(OH)2,粉煤灰引起的體系堿度降低甚于礦粉,粉煤灰混凝土水化產(chǎn)物中C-S-H凝膠的Ca/Si比較礦粉混凝土低4,吸收CO2能力較低,因此具有更大碳化深度。此外,粉煤灰相對更低的早期水化程度導(dǎo)致體系孔隙率增加,也會增加混凝土的碳化速度。復(fù)摻礦粉和粉煤灰可以降低粉煤灰對碳化性能的負(fù)面影響 。 2.7基于碳化耐久性混凝土配合比參數(shù)確定 根據(jù)前文研究結(jié)果,選用PG水泥和TS水泥作為備選水泥,從碳化耐久性的角度確定該隧道主體結(jié)構(gòu)混凝土配合比初步參數(shù)范圍如下: 水膠比0.400.42,膠凝材料總量370390kg/m3,礦物摻合料總?cè)〈?5%35%,粉煤灰和礦粉的比例在21

18、12。 具體的配合比尚需結(jié)合混凝土抗裂性、干燥收縮體積穩(wěn)定性、抗?jié)B性、工作性和經(jīng)濟性來確定。 3結(jié)論 對于我國南方淡水區(qū)水下隧道結(jié)構(gòu),開裂和碳化是影響其耐久性問題的主要因素,為了提高隧道混凝土工程耐久性,應(yīng)從原材料選擇、配合比設(shè)計、養(yǎng)護等階段多角度綜合考慮,通過試驗驗證確定最佳的原材料選擇和配合比參數(shù)。 (1)對于相同強度等級和品種的不同廠家的水泥,化學(xué)組成和品質(zhì)對混凝土的碳化性能有影響,試驗驗證是原材料選擇的最可靠的手段。 (2)在水膠比0.40左右情況下,粉煤灰和礦粉會加速早齡期混凝土的碳化,礦粉混凝土的抗碳化性能優(yōu)于粉煤灰混凝土,通過雙摻可降低粉煤灰對碳化性能的負(fù)面影響。 (3)在水膠比

19、大于0.40的條件下,混凝土的抗碳化性能對水膠比比較敏感,通過試驗采用合適的水膠比是確?；炷羶?yōu)異抗碳化性能的必要條件。 參考文獻 圖4礦物摻合料比例對混凝土碳化性能影響曲線 2.5水膠比對混凝土碳化性能影響 表2中C04組和C14組分別對應(yīng)水膠比0.40和0.45兩組混凝土,從表3可以看出,C14組混凝土的碳化速度顯著高于C04組,當(dāng)水膠比從0.45降低到0.40時,碳化系數(shù)從3.52mm/d0.5降低到2.27mm/d0.5,28d抗壓強度從38.5MPa增加到46.3MPa。水膠比對混凝土的碳化速度影響顯著,在混凝土強度可接受的超標(biāo)號范圍內(nèi),適當(dāng)降低水膠比可顯著降低混凝土的碳化速度,提高混凝土的抗碳化耐久性。2.6碳化深度與強度關(guān)系 圖5為混凝土加速碳化28d的碳化深度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d抗壓強度間的關(guān)系,從圖中可以看出,整體上碳化深度有隨著混凝土強度增加而降低的趨勢。強度可以反映混凝土的孔隙率,在一定程度上可以反映CO2的擴散速度。強度降低,混凝土孔隙率增加,CO2的擴散速度提高。然而,混凝土碳化并不僅僅是由CO2的擴散決定的,水化產(chǎn)物的化學(xué)組成對碳化速 5,(O)2含量,1HusainAl-Khaiat,NijadFattuhi.Carbonationo