某湖底隧道主体结构混凝土抗碳化耐久性试验研究_潘志峰

1、某湖底隧道主体结构混凝土抗碳化耐久性试验研究_潘志峰 2008年第10期总第124期 福建建筑 FujianArchitecture&Construction No102008 Vol124 某湖底隧道主体结构混凝土抗碳化耐久性试验研究 潘志峰1,2 (1.厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司;2.福建科之杰新材料有限公司361004) 摘要:结合某湖隧道工程的具体特点,确定抗碳化作为影响其耐久性的主要问题,研究了水泥品种、胶凝材料总量、矿物掺合料取代率、粉煤灰和矿粉比例和水胶比等配合比参数对混凝土抗碳化性能的影响。研究结果表明,不同水泥对混凝土碳化速度有较 大的影响,混凝土碳化深度随

2、着胶凝材料用量降低、矿物掺合料取代率增加、粉煤灰比例的增加和水胶比的增加而增加。本文从抗碳化耐久性角度提出配合比参数的设计范围。关键词:隧道碳化粉煤灰矿粉耐久性 中图分类号:TU502+.5 文献标识码:A 文章编号: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 混凝土的耐久性问题对于工程结构意义重大,优化选择耐 久性良好的配合比是确保结构耐久性的前提,对于任何在建或者将建的重要的基础设施,都有必要进行混凝土耐久性研究。某湖隧道是该市首条城市隧道,该隧道全长1180m,其中湖底暗埋段880m,敞开段300m,隧道的结构设计寿命为100年,混凝土强度等级C30。水质检测表明该隧道所处位置的地下水和湖水为非侵蚀性介质,不存在严重的氯盐侵蚀问题,该地区混凝土抗冻性要求不高,因此该隧道混凝土面临的主要耐久性问题是提高混凝土抗碳化耐久性、提高混凝土体积稳定性以减少开裂几率和提高混凝土抗渗性能。 对于高强和低水胶比的混凝土,碳化造成的耐

6、久性问题并不严重,然而对于普通强度等级的混凝土,碳化问题不容忽视。碳化影响因素复杂,HusainAl-Khaiat1等研究表明水灰比和表面处理是影响碳化的主要因素之一,夏季浇注混凝土碳化深度高于冬季浇注混凝土的碳化深度,水泥类型对混凝土碳化影响较小。P.Sulapha2等研究表明矿粉和粉煤灰显著降低混凝土抗碳化性能,延长水养护时间可以提高矿物掺合料混凝土的抗碳化性能。Malhotra3等对低水胶比混凝土长期户外碳化研究结果却表明矿物掺合料对碳化影响很小。 优质矿物掺合料是高性能混凝土的必要组成之一,然而无 作者简介:潘志峰,1981年出生,男,助理工程师,硕士,主要从事外加剂 相关技术服务工作

7、。 收稿日期:2008-09-01 C-PGC-TSC-HAFlyashSlag 论是矿渣还是粉煤灰都会对混凝土抗碳化性能带来一定的负 面影响,因此通过试验确定合理的配合比是非常必要的。本文主要针对该隧道主体结构混凝土的原材料的选取和配合比参数的优化,研究混凝土抗碳化性能。 1原材料、配合比和试验方法 1.1试验原材料 试验中采用该隧道工程备选的三种P.O42.5水泥C-TS、C-HA和C-PG。粉煤灰为无锡周庄I级粉煤灰,矿粉为沙钢S95级矿粉。水泥、粉煤灰和矿粉的的化学成分如表1所示。试验中粗集料为531.5mm连续级配花岗岩碎石,细集料为赣江中砂,细度模数为2.78。外加剂为聚羧酸系高性

8、能减水剂。 表1水泥、粉煤灰和矿粉的化学成分 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试验配合比 试验配合比14组,C01C03组对比研究几种不同水泥对 混凝土碳化性能影响;C04C06组研究胶凝材料总量360400kg/m3混凝土碳化性能,固定水胶比(0.4)和矿物掺合料取(33%(

9、/3和水 2008年第10期总第124期潘志峰某湖底隧道主体结构混凝土抗碳化耐久性试验研究37 胶比(0.4),矿物掺合料取代量分别为20、40、50%;C10C13 组固定胶凝材料总量、水胶比和矿物掺合料总取代量,研究粉煤灰和矿粉比例对混凝土碳化性能影响。1.3试验方法 碳化试验采用100mm100mm400mm的棱柱体试件,标准养护26d后取出,602温度下烘48h。在标准加速碳化条件下(CO2浓度为203%,温度202),按照JTJ270-98水运工程混凝土试验规程用酚酞酒精溶液测量劈开面上混凝土保护层的碳化深度来测定试件3d、7d、14d、28d时的碳化深度。混凝土的碳化系数根据28d

10、内不同龄期碳化深度按照下式进行拟合得到: X=k+b 式中:X为碳化深度(mm),k为碳化系数(mm/d0.5) 表2试验配合比(kg/m3) 组别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 备注C-TS C-HAC-PGB-360B-380B-400Ad-20%Ad-40%Ad-50%FA33SL0FA22SL11FA11SL22FA0SL33W/B-0.45 图1不同水泥品种的混凝土碳化深度 碳化深度最大,这主要是由于随着胶凝材料用量的降低,混凝 土吸收CO2能力下降,而三组混凝土的水胶比相同,内部孔结构近似。此外,骨料体积比例增加导致界

12、面过渡区比例的增加也对混凝土抗碳化性能不利。 备注:C04C13组水泥均为PG牌P.O42.5 表3混凝土的28d抗压强度和碳化系数 组别C01C02C03C04C05 抗压强碳化系抗压强碳化系抗压强碳化系度f数k(mm组别度f数k(mm组别度f数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 图2不同胶凝材料总量的混凝土碳化深度 2试验结果与讨论 2.1水泥品种对混凝土碳化性能的影响 试验对比了三种不同水泥对混凝土碳化性能的影响,试验配合比如表2中C1C3组,碳化试验结果如图1所示。从图1可以看出三种不同水泥配制混凝土的碳化速度有一定的差别,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碳化深度差异有4mm左右,从表3也可以看出HA水泥配制混凝土的碳化系数显著高于TS水泥和PG水泥,而抗压强度却是TS水泥混凝土最低,PG水泥混凝土最高,碳化系数与强度并不一致,在水泥品种选择时不能仅依靠强度作

14、为指标,必须综合考虑水泥在混凝土中效用,在本工程中从抗碳化耐久角度中弃用HA水泥。2.2胶凝材料用量对混凝土碳化性能影响 胶凝材料用量直接影响混凝土吸收CO2的量,因此对混凝土碳化速度有一定的影响,试验配合比如表2中C04C06组。图2表示了不同胶凝材料总量对混凝土碳化性能的影响,试验中三组混凝土的28d碳化深度都比较小,随着胶凝材料用 ,32.3矿物掺合料取代量对混凝土碳化性能影响 图3为不同矿物掺合料取代量混凝土碳化深度随时间的发展关系,矿物掺合料等质量取代水泥量为50%、40%和20%时,混凝土28d碳化深度分别为12.3、9.6和8.7mm,碳化系数分别为2.98,2.12和2.03m

15、m/d0.5,随着矿物掺合料取代量的增加混凝土碳化深度增加。总体来说,在这三个矿物掺合料取代水平下各组混凝土碳化深度都比较小,具有良好的抗碳化性能,掺量20%,40%混凝土的碳化曲线比较接近,掺量50%的混凝土碳化显著高于其他两组。 由于粉煤灰和矿渣微粉的火山灰反应消耗了混凝土中大量的氢氧化钙,矿物掺合料尤其是粉煤灰掺量的提高,带来一个显著的问题就是混凝土中氢氧化钙含量降低,降低混凝土的抗碳化能力,这对保持钢筋钝化膜的稳定性是不利的。此外,从表3可以看出随着矿物掺合料取代量的增加,混凝土的强度降低,混凝土的孔隙率增加,CO2在混凝土中渗透性增加,也会增加混凝土的碳化速度。为了保证混凝土具有良好

16、的抗碳化性能,在本试验的原材料条件下,矿物掺合料的取代量宜在20%40%范围内,结合其他性能的试验结果可以进一步确定具体掺量。2 2008年第10期总第124期潘志峰某湖底隧道主体结构混凝土抗碳化耐久性试验研究38 度的反比关系具有较大的离散性。 图3不同矿物掺合料取代量混凝土碳化曲线图5混凝土碳化深度与强度关系 图4为不同粉煤灰和矿粉比例的混凝土碳化深度曲线,矿物掺合料的总取代量为33%,粉煤灰与矿粉的比例分别为 33%:0%,22%:11%,11%:22%和0%:33%。从图中可以看出,随着粉煤灰比例的增加,混凝土的碳化深度增加。这是由于试验所用低钙粉煤灰中CaO含量远低于矿粉,粉煤灰火山

17、灰反应消耗混凝土中更多的Ca(OH)2,粉煤灰引起的体系碱度降低甚于矿粉,粉煤灰混凝土水化产物中C-S-H凝胶的Ca/Si比较矿粉混凝土低4,吸收CO2能力较低,因此具有更大碳化深度。此外,粉煤灰相对更低的早期水化程度导致体系孔隙率增加,也会增加混凝土的碳化速度。复掺矿粉和粉煤灰可以降低粉煤灰对碳化性能的负面影响 。 2.7基于碳化耐久性混凝土配合比参数确定 根据前文研究结果,选用PG水泥和TS水泥作为备选水泥,从碳化耐久性的角度确定该隧道主体结构混凝土配合比初步参数范围如下: 水胶比0.400.42,胶凝材料总量370390kg/m3,矿物掺合料总取代量25%35%,粉煤灰和矿粉的比例在21

18、12。 具体的配合比尚需结合混凝土抗裂性、干燥收缩体积稳定性、抗渗性、工作性和经济性来确定。 3结论 对于我国南方淡水区水下隧道结构,开裂和碳化是影响其耐久性问题的主要因素,为了提高隧道混凝土工程耐久性,应从原材料选择、配合比设计、养护等阶段多角度综合考虑,通过试验验证确定最佳的原材料选择和配合比参数。 (1)对于相同强度等级和品种的不同厂家的水泥,化学组成和品质对混凝土的碳化性能有影响,试验验证是原材料选择的最可靠的手段。 (2)在水胶比0.40左右情况下,粉煤灰和矿粉会加速早龄期混凝土的碳化,矿粉混凝土的抗碳化性能优于粉煤灰混凝土,通过双掺可降低粉煤灰对碳化性能的负面影响。 (3)在水胶比

19、大于0.40的条件下,混凝土的抗碳化性能对水胶比比较敏感,通过试验采用合适的水胶比是确保混凝土优异抗碳化性能的必要条件。 参考文献 图4矿物掺合料比例对混凝土碳化性能影响曲线 2.5水胶比对混凝土碳化性能影响 表2中C04组和C14组分别对应水胶比0.40和0.45两组混凝土,从表3可以看出,C14组混凝土的碳化速度显著高于C04组,当水胶比从0.45降低到0.40时,碳化系数从3.52mm/d0.5降低到2.27mm/d0.5,28d抗压强度从38.5MPa增加到46.3MPa。水胶比对混凝土的碳化速度影响显著,在混凝土强度可接受的超标号范围内,适当降低水胶比可显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碳化深度与强度关系 图5为混凝土加速碳化28d的碳化深度与标准养护28d抗压强度间的关系,从图中可以看出,整体上碳化深度有随着混凝土强度增加而降低的趋势。强度可以反映混凝土的孔隙率,在一定程度上可以反映CO2的扩散速度。强度降低,混凝土孔隙率增加,CO2的扩散速度提高。然而,混凝土碳化并不仅仅是由CO2的扩散决定的,水化产物的化学组成对碳化速 5,(O)2含量,1HusainAl-Khaiat,NijadFattuhi.Carbonationo