青岛理工大学工学硕士学位论文于两要青岛跨海大桥是目前国内在建的第3 座跨海大海，设计耐久寿命为1 0 0 年。本课题针对实际工程的具体要求，开展了青岛跨海大桥海工高性能混凝土( H i g hP e r f o r m a n c eM a r i n eC o n c r e t e 简称H P M C ) 的专题试验研究，系统研究了大掺量矿物掺合料H P M C的物理力学性能和耐久性，为该工程建设奠定科学的理论和试验基础。首先，通过测定减水率及抗压强度比等多项试验，对减水剂进行了科学合理的选择；对不同等级的H P M C 进行配合比设计及抗压强度试验研究；在此基础上，系统研究了H P M C 的膨胀收缩和绝热温升等物理性能；并且研究了H P M C 的抗渗性、耐腐蚀系数、抗碳化性能及抗氯离子渗透性等耐久性能。研究表明，C W 、马贝、西卡三种高效减水剂具有最为优良的性能；通过合理调整复合矿物掺合料的组成比例，可以配制出满足强度等级要求的大掺量矿物掺合料H P M C ；掺加矿物掺合料的H P M C 收缩增大，粉煤灰和矿渣掺量比例不应低于3 ：1 ；H P M C 温峰出现时间比基准混凝土推迟约2 5 - - 一3 0 h ，而且其峰值出现时的温度约低1 6 ；掺加4 0 复合矿物掺合料的H P M C 抗渗性能显著提高，抗渗等级可达到P 3 0 ：H P M C 具有优良的耐腐蚀性能，其耐腐蚀系数能达到0 9 以上；H P M C 的碳化速度要高于基准混凝土，但是随着养护龄期的延长，其碳化速度系数降低，当混凝土保护层为6 0 m m 时，通过计算H P M C 可以满足1 0 0 年设计基准期的要求；掺加4 0 复合矿物掺合料的H P M C 具有优良的抗氯离子渗透性能，D a 1 6 x 1 0 q 2不适用于严酷环境3 9 海工混凝土氯离子含量测定参照N TB U I L D 2 0 8 、A A H S T OT 2 6 0 、水运工程混凝土试验规程( J T J2 7 0 一- 9 8 )及建筑结构检测技术标准( G B T5 0 3 4 2 0 0 4 ) 进行混凝土中氯离子含量的测定，本方法适用于混凝土中水溶性氯离子含量测定。1 试验设备及材料滴定管( 5 0 m 1 ) 、移液管( 5 0 m 1 ) 、锥形瓶、硝酸溶液( 1 - + - 3 ) 、酚酞指示剂( 1 ( 1 I g 1 ) 、0 0 2 N 的硝酸银标准溶液、5 的铬酸钾指示剂。2 试验步骤和注意事项( 1 ) 将标准养护7 d 的混凝土立方体试件，除一个侧面作为暴露面外，其余各面包括暴露面上小于5 m m 的周边，均以无溶剂型环氧涂料予以密封，做长期浸泡试验。( 2 ) 将在海水中浸泡2 1 0 天的试件取出，清除混凝土暴露表面残渣，待试件凉干后，用剖面切削机磨取粉末，在立方体试件上每2 m m 深度取样，并全部通过0 6 3 m m 的筛子，将粉末收集到一起混合均匀作为该层的代表样品。然后将样品置于6 0 的烘箱中烘2 4 小时，取出后放入干燥器中冷却至室温备用。( 3 ) 称取5 克左右的( 精确到0 0 0 0 1 9 ) 样品，放入塑料杯中，并加入2 0 0 毫升蒸馏水，剧烈搅动后，覆盖浸泡2 4 小时。( 4 ) 用定性滤纸将溶液过滤，用移液管移取滤液5 0 毫升放入锥形瓶中，在提取液中滴加一滴酚酞指示剂后溶液变为红色，滴加适量的硝酸溶液( 1 + 3 ) 至红色恰好消失为止，即提取液的P H 值调整至7 “ - 8 。然后向提取液中滴加1 0 “ - - 1 2 滴5 的铬酸钾指示剂，用0 0 2 N 的标准硝酸银溶液滴定，边滴边摇，直至溶液出现不消失的橙红色为止。记录所消耗的标准硝酸银溶液毫升数( V 。) ，同时测定空白试验硝酸银标准溶液的用量( V 2 ) 。3 试验结果计算混凝土中水溶性氯离子含量按照下式进行计算：2 4青岛理工大学工学硕士学位论文wC(AgNO,)(Vl-Vz)x003545x 1 0 0 ( 8 )um 。x5 0 0 0 2 5 0 0式中：W a 一混凝土中氯离子的质量百分数；Cc A g N 0 3 ) 一硝酸银标准溶液之物质的量浓度，m o l l ；V 1 一硝酸银标准溶液的用量，m l ；V 2 一空白试验硝酸银标准溶液的用量，m l ；0 0 3 5 4 5 - - 氯离子的毫摩尔质量，g m m o l ；i n 。一混凝土试样的质量，g 。3 1O 电通量试验参照混凝土抗氯离子渗透性试验方法及A S T MC 1 2 0 2 测定混凝土6 h 的电通量，定量评价混凝土抗氯离子渗透的能力。本试验方法以电量指标来快速测定混凝土的抗氯离子渗透性，为混凝土结构耐久性设计与施工以及质量检测提供基本参数。适用于直径为9 5 2 m m ，厚度为5 1 3 r a m 的混凝土试件或芯样。试验方法不适用于掺亚硝酸钙的混凝土。对于掺加其他外加剂或表面处理过的混凝土，当有疑问时，应进行氯化物溶液的长期浸渍试验。1 试验基本原理在直流电压作用下，氯离子能通过混凝土试件向正极方向移动，以测量一定时间内通过混凝土的电通量反映混凝土抵抗氯离子渗透的能力。2 试验设备及材料直流稳压电源( 可输出6 0 V 直流电压，精度O 1 V ) 、有机玻璃试验槽、2 0 目的铜网( 约2 0 0 ：j ：L c m 2 ) 、数字式电流表( 量程2 0 A ，精度1 O ) 、真空泵( 真空度可达1 3 3 P a ) 、真空干燥器( 内径 ，2 5 0 m m ) 、分析纯试剂配制的3 0 氯化钠溶液、分析纯试剂配制的0 3 m o l 氢氧化钠溶液、环氧树脂密封材料。3 试验装置( a ) 试验装置装配示意图青岛理工大学工学硕士学位论文( b ) 试验槽结构图图3 3 试验装置示意图1 一直流稳压电源；2 一试验槽；3 一铜网；4 一混凝土试件；5 3 0 N a C l 溶液；6 0 3 m o lN a O H 溶液；7 一数字式电流表4 试验步骤和注意事项( 1 ) 制作直径为9 5 m m ，厚度为5 0 m m 的混凝土试件，在标准条件下养护2 8 d ，试验时以三块试件为一组。试样移送试验室时要避免冻伤或其它物理伤害。( 2 ) 将试件暴露于空气中至表面干燥，以树脂密封材料涂刷试件圆柱表面，并填补涂层中的孔洞以保证试件圆柱侧面完全密封。( 3 ) 测试前进行真空饱水。将试件放入真空干燥器中，启动真空泵，数分钟后真空度达1 3 3 P a 以下，保持真空3 h 后，维持这一真空度注入足够的蒸馏水，直至淹没试件，试件浸没1 h 后恢复常压，再继续浸泡1 8 2 h 。( 4 ) 从水中取出试件，抹掉多余水分，将试件安装于试验槽内，用橡胶密封环密封( 用螺杆将两个试验槽和试件夹紧) ，以确保不会渗漏，然后将试验装置放在2 0 “ - 2 3 的流动冷水槽中，其水面宜低于装置顶面5 m m ，试验应在2 0 2 5 恒温室内进行。( 5 ) 将浓度为3 0 N a C l 溶液和0 3 m o l 的N a O H 溶液分别注入试件两侧的试验槽中，注入N a C I 溶液的试验槽内的铜网连接电源负极，注入N a O H 溶液的试验槽中的铜网连接电源正极。( 6 ) 接通电源，对上述两铜网施加6 0 V 直流恒电压，并记录电流初始读数I o ，通电并保持试验槽中充满溶液。开始时每隔5 m i n 记录一次电流值，当电流值变化不大时，每隔1 0 m i n 记录一次电流值，当电流变化很小时，每隔3 0 m i n 记录一次电流值，直至通青岛理工大学工学硕士学位论文电6 h 。( 7 ) 试验后清理试验溶液，试验槽仔细用饮用水和洗涤剂冲洗6 0 s ，最后用蒸馏水洗净并电吹风佣冷风档) 吹干。5 试验结果计算绘制电流与时间的关系图。将各点数据以光滑曲线连接起来，对曲线作面积积分，即可得试验6 h 通过的电量。当试件直径不等于9 5 m m 时，所得电量应按截面面积比的正比关系换算成直径为9 5 m m 的标准值。取同组三个试件通过的电量的平均值，作为该组试件的通电量来评定混凝土抗氯离子渗透性。如果某一个测值与中值的差值超过中值的1 5 ，则取中值为测定值；如有两个测值与中值的差值都超过中值的1 5 ，则该组试验结果无效。评定标准如表3 2 所示。表3 2 混凝土通过的电量与氯离子渗透性通过的电量库仑氯离子渗透性 4 0 0 0高2 0 0 0 4 0 0 0中1 0 0 0 2 0 0 0低1 0 0 1 0 0 0非常低4 0 0 乓2 0 0嚣咖吕- 4 0 0- 6 0 0一? ?一 尹 一 厂5 52 3 I时间m i n图4 6 掺加马贝高效减水剂时的恒电流、电位一时间曲线8 0 06 0 0 4 0 0 2 0 0 逍n 脚2 0 若- 4 0 0- 6 0 0一一厂一一 l 5 - 。52 02 53 c时间m i n图4 7 掺加C W 高效减水剂时的恒电流、电位一时间曲线青岛理工大学工学硕士学位论文6 0 04 0 0 名2 0 0旮0 脚2 0 0- 4 0 0- 6 0 0八77。、j_ O51 01 5Z 02 53 0时问m i n图4 8 掺加C W 高效减水剂和N a C l 时的恒电流、电位一时间曲线由图4 6 和图4 7 可见，通电后阳极钢筋电位迅速向正方向上升，在1 0 - - - 一1 5 r a i n内达到析氧电位值，经3 0 分钟测试，电位无明显降低，说明恒电流、电位一时间曲线均为钝化曲线，即阳极钢筋表面钝化膜完好无损，表明马贝高效减水剂和C W 高效减水剂对钢筋不会产生锈蚀。由图4 8 可见，当掺加C W 高效减水剂和N a C l 时，曲线为活化曲线，说明钢筋表面钝化膜已经破坏。C W 高效减水剂含有一定量的亚硝酸钙，能使腐蚀电位呈阳性，具有防腐阻锈作用，可以降低钢筋锈蚀的潜在危害【4 3 】。但是，当拌合物中含有过高的盐量时( 如采用海水作为拌和水的情况) ，既使掺加C W 防腐阻锈剂，钢筋仍然会出现强烈的锈蚀作用，所以在施工中应该严格控制混凝土原材料中氯盐含量，确保钢筋不被腐蚀。4 5 本章小结1 与华伟及博特减水剂相比，C W 高效减水剂、马贝高效减水剂和西卡高效减水剂具有更为优良的性能，减水率均在2 0 以上，符合实际工程对减水率的要求，并且其2 8 d 龄期抗压强度比仍能够达到1 5 0 。2 C W 高效减水剂单独使用时其坍落度损失较大，但是在与矿物掺合料进行复合使用时，通过合理控制矿渣微粉的掺量，其6 0 m i n 坍落度经时损失降幅仅为1 0 ，能够满足工程的应用要求。3 C W 高效减水剂和马贝高效减水剂对钢筋无锈蚀作用。虽然C W 高效减水剂含有防腐阻锈成分，但是当拌合物含盐量较高时，钢筋仍会剧烈锈蚀，所以应该严格控制混凝土中氯离子的含量。青岛理工大学工学硕士学位论文第5 章H P M C 配合比设计及抗压强度研究为了保证海工混凝土具有优良的技术性能，最重要的途径是科学地选择组成材料和进行混凝土配合比设计，通过良好的施工工艺，从而获得具有高耐久性的H P M C ，从而有效防止氯离子渗透，延长结构的工作寿命。科学地选择组成材料，就是利用目前工程中可应用的各种掺合料，按照不同比例进行有选择的复合，从而在达到混凝土所需的力学性能、流变性能的同时，能有效防止氯离子渗透，提高海工高性能混凝土的耐久性。参照A C I3 1 8 9 5 和我国J F J5 5 - - 2 0 0 0 规程，H P M C 应考虑水灰比、用水量、水泥用量、砂率和电通量等设计参数，并利用抗裂、抗