淺談海港工程混凝土中添加抗蝕增強(qiáng)劑(CPA)的應(yīng)用

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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(dòng)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(xiàng)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(jì)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(duì)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?？傊?，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(jì)、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(duì)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(duì)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，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(shí)，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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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

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(duì)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(duì)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(jí)配不佳的影響和改善混凝土的和易性

在施工時(shí)遇到級(jí)配差的骨料時(shí)，拌制混凝土過程中會(huì)由于流動(dòng)性減小而導(dǎo)致用水量增多，對(duì)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(duì)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(shí)常常要考慮到地理和氣候等原因帶來的影響，在需要時(shí)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(dòng)混凝土、噴射混凝土等等，因外加劑的不同使用效果，對(duì)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(hào)超過400號(hào)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(hào)混凝土，而且用高效減水劑配制高標(biāo)號(hào)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(shí)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(jì)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)劑的推廣應(yīng)用是非常必要的。

5.海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑的性能

5.1海港混凝土抗蝕增強(qiáng)劑

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(duì)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(shí)間正常，對(duì)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(jì)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(duì)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?！?/p>

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(duì)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(gè)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：

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(shí)間，對(duì)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。

膨脹期短，水中14天后，不再有明顯膨脹，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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)盟的推廣應(yīng)用對(duì)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，提高沿海建筑結(jié)構(gòu)耐久性[J]．地下工程與隧道，2007．