摘要：在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，就膨脹劑UEA 摻量對混凝土抗氯離子滲透性能的影響進行了試驗研究. 結(jié)果表明：摻入膨脹劑能有效降低混凝土抗氯離子滲透試驗中的初始電流、最大電流增量和氯離子遷移電量. 因此，摻加膨脹劑是一種提高混凝土抗氯離子滲透能力的有效措施.
關(guān)鍵詞：抗氯離子滲透； 膨脹劑； 礦渣； 海工混凝土
Effect of Expansion Agent UEA on Chloride penetrationResistance of Concrete for Ocean Construction
Y E Qi ng1 ， WA N G J i a2j i a2 ， MA Cheng2chan g1 ， L I L i2qi n1
(1. College of Architecture & Civil Engineering ， Zhejiang University of Technology ， Hangzhou 310014 ， China ； 2. Zhejiang First Hydropower Engineering Const ruction Company ， Hangzhou 310051 ， China)
Abstract ：Effect of expansion agent content on t he chloride2penet ration resistance of concrete containing 50 % slag in it s binder material for ocean const ruction was studied according to ASTM C1202. Result s indicate t hat with adding 5 % ， 10 % and 15 % of expansion agent ， compressive strength fluctuates a little wit h mw / mb being 0. 30 ， but the strength decreases by less than 10 % with mw / mb being 0. 50. The concrete expansion is increased wit h amount of expansion agent increasing and it s expansion is stable within ages of 14～28 d. Chlorine anion mobility is decreased with use level of expansion agent increasing. For example ， the quantity of concrete wit h 10 % expansion agent and 50 % slag in it s binder material was less by 50 % than t hat wit h only 50 % slag. So ， t he addition of expansion agent is an effective method to enhance chloride penetration resistance.
Key words ：chloride penetration resistance ； expansion agent ； slag ； concrete for ocean construction
針對海水腐蝕，各國在海工混凝土護筋方面采取的基本措施為：通過仔細(xì)設(shè)計與施工，最大限度地提高混凝土本身的抗?jié)B能力，從而預(yù)防鋼筋腐蝕[1 ] 。當(dāng)今應(yīng)用較多的海工混凝土中以普通水泥內(nèi)摻30 %～70 %1) 的礦渣作為膠凝材料，只要適當(dāng)降低水灰比(小于0. 4 或0. 3) 及單位體積用水量(小于170 kg/ m3) ，添加減水劑，就可制得性能較好的海工混凝土[2～4 ]。然而，一般的高強海工混凝土具有與普通混凝土相當(dāng)?shù)母煽s和比普通混凝土還要大的自縮[5 ] 和冷縮。 收縮是導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微裂縫和表面開裂的主要根源之一。 為了使高強海工混凝土具有良好的體積穩(wěn)定性，可將適量膨脹組分引入高強混凝土[6 ]以補償其收縮。因此，本文將著重研究在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，膨脹劑摻量對海工混凝土抗氯離子滲透性能的影響。
1 原材料的選擇、確定和試驗
1. 1 原材料
水泥(C) ：P ·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其SO3含量為2. 7 %；細(xì)骨料( S) ：細(xì)度模數(shù)為2.5 ，級配為Ⅱ區(qū)，表觀密度為2.62g/ cm3 ；粗骨料( G) ：級配為5～20 mm ，表觀密度為2.72g/ cm3 ；高效減水劑(A) ：減水率約為20%的萘系減水劑(含固量約為40%，摻入量以固體量計) ；摻合料(BS) ：礦渣比表面積大于480m2 / kg ，SO3含量為0；膨脹劑( EA) ：UEA-H 膨脹劑，其化學(xué)成分見表1 ；拌合水和養(yǎng)護水(W) ：自來水.
表1 UEA-H膨脹劑的化學(xué)組成
Table 1 Chemical composition of UEA-H expansion agent %
1. 2 摻膨脹劑海工混凝土的配合比確定
摻膨脹劑海工混凝土的膠凝材料(BM) 由水泥、礦渣和膨脹劑組成，且m (水泥) ∶m (礦渣) ∶m(膨脹劑) = (50- i) ∶50∶i ，其中i 分別為0，5.0，7.5，10.0，12. 5 ，15. 0. 由計算可得膠凝材料中的SO3含量分別為1. 4 % ，2. 7 %，3. 4 % ，4. 1 % ，4. 8 % ，5. 4 %。
在水膠比為0. 30 、砂率為40 %和單位體積用水量為150 kg/ m3的條件下配制A 系列摻膨脹劑海工混凝土，其中膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料和減水劑的用量分別為500 ，725 ，1 085 ，2. 0 kg/ m3。在水膠比為0. 50 、砂率為40 %和單位體積用水量為190 kg/ m3 的條件下，配制B 系列摻膨脹劑的海工混凝土，其中膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料和減水劑的用量分別為380 ，730 ，1 100 ，1. 0 kg/ m3 。摻膨脹劑海工混凝土的配合比見表2。 在A ，B 系列海工混凝土中，膠凝材料漿體體積與骨料體積之比均控制在32 ∶68 左右，混凝土拌合物的坍落度要求達到150～200 mm。
表2 摻膨脹劑海工混凝土的膠凝材料組成及其實測抗壓強度和自由膨脹率
Table 2 Binder material( BM) composition of concrete for ocean construction added with expansion agent and their compressive strength and free expansion
1. 3 試驗方法
采用強制式攪拌機拌制混凝土，一次攪拌60 L 。先將粗骨料、細(xì)骨料、水泥、摻合料和膨脹劑按配合比放入攪拌機中干拌2 min ，然后加入溶有減水劑的拌合水，再攪拌2 min 制成混凝土拌合物。按GBJ 80 —85《普通混凝土拌合物性能試驗方法》測定混凝土拌合物的和易性。
混凝土的抗壓強度試驗方法按GBJ 81 —85《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》進行。
混凝土自由膨脹率試驗按下列方法進行，采用上述混凝土拌合物在尺寸為100 mm ×100 mm×300 mm 的試模內(nèi)成型3條膨脹試件，先在(20 ±2) ℃和相對濕度大于95 %的條件下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護24 h 后拆模并用外徑螺旋測微儀(精度為0. 01 mm) 測定其初始長度；然后在(20 ±2) ℃的水中養(yǎng)護至齡期，并測定其膨脹率。
抗氯離子滲透性能試驗方法按ASTM C 1202 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進行。
2 試驗結(jié)果與討論
2. 1 膨脹劑摻量對海工混凝土中氯離子遷移電量的影響
圖1 為混凝土中氯離子遷移電量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律。由圖可見，A 系列海工混凝土空白試樣A (在水膠比為0. 30的條件下，以普通水泥為膠凝材料) 的遷移電量較高，為1192C；當(dāng)摻入50%礦渣時，混凝土基準(zhǔn)試樣A0 的遷移電量明顯降低，為421C ，僅為前者的35. 3 %。由此可見，礦渣的摻入明顯提高了混凝土的抗氯離子滲透性能. 隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土的遷移電量進一步降低?；炷猎嚇覣0，A2，A4， A6的遷移電量分別為421，256，206，139C. 以試樣A0為基準(zhǔn)，則試樣A2，A4 和A6的遷移電量分別降低了39.2% ，51.1%和67.0%.在50%礦渣摻量、水膠比為0.50的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，B 系列海工混凝土的遷移電量也進一步降低. 混凝土試樣B0，B0，B4，B6 的遷移電量分別為958，777，415，392C。以試樣B0為基準(zhǔn)，則試樣B2 ，B4 和B6 的遷移電量分別降低了18.9% ，56.7%和59.1%.
圖1 海工混凝土遷移電量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律
(空白樣為不摻加礦渣和膨脹劑的混凝土)
Fig. 1 Variation of elect ric quantity passing through concrete with expansive agent added
( sample blank represents the concrete without slag and expansion agent)
由此可見，在摻礦渣提高混凝土抗氯離子滲透性能的基礎(chǔ)上，摻入膨脹劑能進一步提高混凝土的抗氯離子滲透能力。
2. 2 膨脹劑摻量對海工混凝土初始電流的影響
在混凝土抗氯離子滲透試驗中初始電流隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律如圖2 所示。由圖2 可見，A系列海工混凝土空白試樣A 的初始電流較高，為30. 1 mA ；基準(zhǔn)試樣A0 的初始電流明顯降低，為17. 0 mA ，僅為前者的56. 5 %. 再隨著5 % ，10 %和15 %膨脹劑的摻入，混凝土試樣A2 ，A4 ，A6 的初始電流進一步降低，分別為10. 3 ，9. 1 ，6. 4 mA ，它們又分別是基準(zhǔn)試樣A0 的60. 6 % ，53. 5 % ，37. 6 %. 隨著膨脹劑摻量的增加，B 系列海工混凝土的初始電流同樣也出現(xiàn)進一步降低的現(xiàn)象。
由此可見，在50 %礦渣摻量的條件下，膨脹劑的摻入能降低混凝土的初始電流，從而可進一步提高混凝土的抗氯離子滲透性能。
圖2 混凝土試樣初始電流隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律
Fig. 2 Variation of initial elect ric current flowing through concrete with expansion agent added
2. 3 膨脹劑摻量對海工混凝土最大電流增量的影響
在50 %礦渣摻量的條件下，膨脹劑的摻入能明顯降低海工混凝土的最大電流增量(最大電流增量為在6 h 測定時間內(nèi)，最大電流值減去初始電流值)。在50 %礦渣摻量和水膠比為0. 30 的條件下，隨著膨脹劑的摻入，混凝土試樣A0 ，A2 ，A4 和A6 的最大電流增量分別為3. 6 ，2. 5 ，0. 8 ，0. 4mA ，若以百分比表示，則分別為100 % ，69. 4 % ，22. 2 % ，11. 1 %. 空白試樣A 的最大電流增量最大，為31. 5 mA ，分別是試樣A0 ，A4 的8. 7 ，39. 4 倍. 混凝土最大電流增量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律見圖3。
圖3 混凝土最大電流增量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律
Fig. 3 Variation of maximum elect ric current increment flowing through concrete with expansion agent added
由圖3 可知，在50 %礦渣摻量、水膠比為0. 50 的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，B 系列海工混凝土的最大電流增量同樣也有進一步降低的現(xiàn)象。
2. 4 摻膨脹劑海工混凝土的力學(xué)性能試驗結(jié)果
由表2 可知：在水膠比為0. 30 的條件下，A 系列海工混凝土的抗壓強度隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律。其中空白試樣A 的抗壓強度最高。在50 %礦渣摻量，7 d 齡期的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強度分布出現(xiàn)了1 個峰值，即在10 %膨脹劑摻量以前海工混凝土的抗壓強度表現(xiàn)為遞增；在10 %摻量以后表現(xiàn)為遞減，但與基準(zhǔn)試樣A0 相比，其抗壓強度降低不多，如試樣A6 僅降低1. 3 %。同理，在50 %礦渣摻量，28 d 齡期的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強度分布也出現(xiàn)了1 個峰值(膨脹劑摻量為10 %) ，且在15 %膨脹劑摻量范圍內(nèi)海工混凝土的抗壓強度與基準(zhǔn)試樣A0 相比均沒有降低。
再由表2 可知：在水膠比為0. 50 的條件下，B 系列海工混凝土的抗壓強度隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律。其中空白試樣B 的抗壓強度最強在50 %礦渣摻量，7 d 齡期的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強度分布出現(xiàn)1 個小起伏，與基準(zhǔn)試樣B0 相比，其抗壓強度波動范圍在+ 2.2 %～ - 3.8%。在50 %礦渣摻量，28 d 齡期條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強度出現(xiàn)了明顯的遞減現(xiàn)象，與基準(zhǔn)試樣B0 相比，試樣B3 ，B4 ，B5 ，B6 的抗壓強度分別下降了2. 6 % ，9. 3 %，9. 8 % ，10. 5 %。
海工混凝土的抗壓強度隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律可解釋為：隨著(少量) 膨脹劑的摻入，膨脹型水化產(chǎn)物鈣礬石填充孔隙使混凝土致密，同時使混凝土膨脹，因此海工混凝土的抗壓強度得到提高. 而隨著較多膨脹劑的摻入，水泥熟料量進一步減少，鈣礬石數(shù)量增加，海工混凝土的抗壓強度難以抑制鈣礬石的膨脹，因此海工混凝土的自由膨脹率將增加，而抗壓強度卻有所降低.
2. 5 摻膨脹劑海工混凝土的膨脹性能試驗結(jié)果
由表2 可知：在28 d 齡期內(nèi)，隨著膨脹劑摻量的增加，A 系列海工混凝土的膨脹率依次增加，而在膨脹劑摻量大于等于10 %時才有較大的膨脹，但與膨脹劑摻量不成正比。A 系列海工混凝土的膨脹主要發(fā)生在7 d 齡期以前，在14～28 d 齡期內(nèi)，其膨脹已趨于穩(wěn)定，且膨脹劑摻量沒有過量。
以28 d 齡期為例，混凝土試樣A0 ，A2 ，A4 和A6 的自由膨脹率分別為45 ×10-6 ，72 ×10 - 6 ，204 ×10 - 6 ，441 ×10 - 6。以試樣A4 為例，在3，7 ，14 ，28 d 齡期，其自由膨脹率分別為148 ×10 - 6 ，168 ×10 - 6 ，196 ×10 - 6 ，204 ×10 - 6 ，具有一定的微膨脹性能。
而B 系列海工混凝土的自由膨脹率隨膨脹劑摻量增加的發(fā)展規(guī)律與A 系列海工混凝土相似，膨脹主要發(fā)生在7 d 齡期以前，在14～28 d 齡期內(nèi)其膨脹已趨于穩(wěn)定，膨脹發(fā)展規(guī)律正常。
由于50 %礦渣的摻入，使膠凝材料中SO3 含量降低到約1. 4 % ，礦渣水化后又生成了較多的凝膠型水化產(chǎn)物，故在膨脹劑摻量相同的條件下，與不摻摻合料的混凝土相比，本文研究的海工混凝土的自由膨脹率較低，而且易達到膨脹的穩(wěn)定。
在水膠比為0. 30 時，海工混凝土中SO3 的總含量較高，但由于該混凝土的抗壓強度較高，對其膨脹有較大的限制作用，因此，在膨脹劑摻量相同的條件下，A 系列海工混凝土的自由膨脹率小于B 系列海工混凝土(水膠比為0. 50 ，抗壓強度較低，混凝土中SO3 的總含量相對較低) 的自由膨脹率。
3 結(jié)論
1. 在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，當(dāng)膨脹劑摻量由5 %增至15 %時，海工混凝土抗氯離子滲透性能試驗中的初始電流、最大電流增量和氯離子遷移電量亦隨之降低。在摻入10 %膨脹劑的條件下，氯離子遷移電量比只摻50 %礦渣的混凝土降低了約50 %。這表明：與降低水膠比和摻加礦渣一樣，摻加膨脹劑也是一種有效提高海工混凝土抗氯離子滲透能力的措施。
2. 在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，當(dāng)水膠比為0. 30 時，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強度波動較小；當(dāng)水膠比為0. 50 時，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強度波動較大，并有明顯的降低現(xiàn)象。
3. 在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的自由膨脹率依次增加，其膨脹主要發(fā)生在7 d 齡期以前，在14～28 d 齡期內(nèi)其膨脹已趨于穩(wěn)定。在摻入10 %膨脹劑時，海工混凝土的自由膨脹率達到200 ×10 - 4 ，具有一定的微膨脹性能。
參考文獻：
[ 1 ] 洪定海. 混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[M] . 北京：中國鐵道出版社，1998.
[ 2 ] MOHAMMED T U ， YAMANJ I T ， HAMADA H ， et al . Chloride diffusion ， microst ructure and mineralogy of concrete after 15 years of exposure in tidal environment [J ] . ACI Materials Journal ，2002 ，99 (3) ：256 - 263.
[ 3 ] 李俊毅. 論耐用100 年以上海工混凝土的基本技術(shù)條件[J ] . 水運工程，2002 ， (5) ：4 - 7.
[ 4 ] 田俊峰. 海工高性能混凝土抗氯離子侵蝕耐久壽命預(yù)測[J ] . 中國港灣建設(shè)，2002 ， (2) ：1 - 6.
[ 5 ] LI H ， WEE T H ， WONG S F ， et al . Early2age creep and shrinkage of cement concrete[J ] . ACI material s journal ， 2002 ，99(1) ：3 - 10.
[ 6 ] 王媛俐，姚 燕. 重點工程混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用[M] . 北京：中國建材工業(yè)出版社，2001.
