高性能混凝土在沿海复杂环境下耐腐蚀应用

林 立，周成洋，郜 雅，徐 玮

(1.江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223001；2.江苏省江都水利工程管理处，江苏 扬州 225000；3.扬州大学，江苏 扬州 225000)

1 概况

新沂河海口枢纽工程位于新沂河出海口、连云港市灌云县燕尾港镇南，是“沂沭泗”流域洪水东调南下工程的重要组成部分[1]。该工程是新沂河洪水入海口门段的控制建筑物，主要包括北深泓闸、中深泓闸、南深泓闸。南、北深泓闸建成于1999年，其中南深泓闸共12孔，单孔净宽10m，设计流量为2425m3/s；北深泓闸共10孔，单孔净宽10m，设计流量为2027m3/s。中深泓闸建成于2007年，共18孔，单孔净宽10m，设计流量为3348m3/s。经多年运行，枢纽南、北深泓闸混凝土病害严重，工程存在严重安全隐患，为消除安全隐患，保障行洪安全。2020年12月，江苏省发改委批复同意加固。

由于新沂河海口枢纽下游1km是灌河入海口，工程处于近海地区，且位于灌云、响水化工园区之间，空气和水中均含有较高浓度的腐蚀有害离子，使得海口控制工程中钢筋混凝土结构在氯离子等有害离子侵蚀下，病害严重。经检测，南、北深泓闸混凝土腐蚀严重，钢筋锈蚀，混凝土胀裂脱落，严重影响工程安全运行。在新沂河海口枢纽南、北深泓闸除险加固过程中，通过掺加优质矿粉，优化混凝土配合比，在满足混凝土设计强度的基础上，提高了混凝土在高腐蚀环境下的耐久性，延长新沂河海口枢纽工程的使用寿命，最大限度地发挥工程效益。

2 混凝土设计要求

在新沂河海口枢纽工程南、北深泓闸除险加固设计中，闸墩、排架等大部分结构混凝土标号为C35，交通桥板、铰缝及桥面铺装采用C50混凝土，所以本文就C35、C50高性能混凝土相关应用进行介绍[2]。

C35混凝土设计相关参数：

(1)坍落度：16.0～22.0cm；

(2)凝结时间：<24h；

(3)28d抗压强度：≥35.0MPa；

(4)56d氯离子电通量：≤1000C；

(5)56d氯离子扩散系数：≤4.5×10-12m2/s；

(6)56d抗渗等级：≥W8；

(7)56d抗冻等级：≥F100；

(8)56d抗碳化性能等级：T-Ⅱ(10mm≤d<20mm)。

C50混凝土设计相关参数：

(1)坍落度：16.0～22.0cm；

(2)凝结时间：<24h；

(3)28d抗压强度(C35)：≥50.0MPa。

3 原材料选用

由于江苏省砂石料禁采，市场上砂石料鱼龙混杂、良莠不齐，用质量低劣的机制砂、镍渣，甚至有用海沙等代替黄沙，有用拆除的混凝土块加工成石子，俗称“回笼子”代替碎石，石子粉冒充矿渣粉等现象时有发生，原材料的不合格，导致生产出来的混凝土强度不足，耐久性差。在新沂河海口枢纽南、北深泓闸加固工程混凝土施工过程中，对原材料的控制实行指定生产线、指定料仓、指定专人监督的“三指定”方案，与商混厂签订协议，要求商混厂指定生产线用于该工程使用，黄沙、石子等原材料由承包商在市场上选择优质原材料采购，商混厂指定料仓堆放，用于该工程的混凝土生产前，指定专人现场监督，确保原材料专项采购，专项使用。

新沂河海口枢纽南、北深泓闸加固工程使用的主要原材料：水泥采用了P·O 42.5普通硅酸盐水泥，满足GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求；粉煤灰满足GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定的Ⅱ级灰及以上要求，烧失量小于3.0%；矿渣粉符合GB/T 18046—2017《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》的S95级及以上的性能要求，比表面积小于450m2/kg；黄砂采用天然河沙，细度模数在2.5～3.0之间[3]，具有平滑的筛分曲线中粗砂，表观密度、含泥量等物理性能满足GB/T 14685—2011《建设用碎石、卵石》规范要求；碎石，分别为5mm～16mm的小石和16mm～31.5mm的中石。碎石的表观密度、压碎值等指标符合国标GB/T 14685—2011所规定的Ⅰ和Ⅱ类碎石要求；减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，其性能符合GB 8076—2008要求；耐蚀剂由某水利科学研究院研制，针对氯盐和硫酸盐中、强腐蚀环境，该产品可提高混凝土早期强度以及体积稳定性和耐久性[4]。

4 混凝土配合比

该项目委托某水利科学研究院对混凝土进行跟踪试验检测，根据新沂河海口枢纽南北深泓闸除险加固工程混凝土50年设计使用年限，满足GB/T 50476—2019、DB32/T 2333—2013钢筋混凝土配合比要求，配合比的最大水胶比控制为0.40，用水量取150～160kg/m3；砂率取36%～40%。根据不同水胶比现场配置3组混凝土，配合比见表1—2。

表1 不同水胶比混凝土配合比及拌合物性能

表2 混凝土试验配合比及拌合物性能

5 现场混凝土的性能试验

5.1 不同水胶比高性能混凝土的强度性能

通过保温保湿养护，7d、28d强度性能试验结果见表3，绘制混凝土7d和28d抗压强度与胶水比关系曲线，结果如图1所示。

表3 不同水胶比高性能混凝土配合比强度试验结果

图1 高性能混凝土抗压强度与胶水比的关系曲线

从表3和图1的试验结果可以看出，对相同原材料配制高性能混凝土，随着水胶比增大，混凝土抗压强度随之减小，混凝土抗压强度与其胶水比呈线性关系。

5.2 抗压强度

试验分别对相同原材料同标号、同水胶比C35普通混凝土和高性能混凝土，不同标号C35、C50高性能混凝土，不同龄期试验配合比的抗压强度性能进行比较，分别见表4，如图2—3所示。

表4 混凝土的抗压强度性能

图2 同水胶比条件下普通混凝土和高性能混凝土的抗压强度性能

图3 高性能混凝土在不同水胶比下的抗压强度

根据以往工程经验，使用大掺量矿物掺合料，其混凝土的早期强度较不掺矿物掺合料普通混凝土要低。由于该工程中的高性能混凝土中掺加了5%的耐蚀剂，耐蚀剂具有提高高性能混凝土早期强度的作用，由表4和图2—3的性能试验结果可知，在相同水胶比条件下，掺加了大掺量掺合料的高性能混凝土各龄期的抗压强度与普通混凝土基本相当。因此，在掺加了40%掺合料的情况下，高性能混凝土早期3d强度甚至比同水胶比的普通混凝土还高，能够满足工程现场施工拆模和加载要求。

对于高性能混凝土而言，随着水胶比的降低以及龄期的增加，其抗压强度随之增加；无论是混凝土标号C35还是C50的混凝土，该工程通过优化配合比配制的高性能混凝土的28d抗压强度均满足了设计强度的要求[5]。

5.3 极限拉伸性能

相同标号高性能混凝土和普通混凝土的极限拉伸性能试验结果见表5。

表5 混凝土的极限拉伸性能

从表5中的极限拉伸性能结果来看，同标号同水胶比条件下，高性能混凝土的轴向拉伸强度和极限拉伸值较普通混凝土有明显提高，而轴向拉伸弹性模量降低，使得高性能混凝土的抗裂性能优于普通混凝土。

5.4 干缩变形性能

在20℃恒温条件下，将C35高性能混凝土和普通混凝土试块直接放置干缩室，和先在水中养护14d后再置于干缩室，比较两种不同的养护条件下的变形性能。混凝土的变形性能试验结果见表6，如图4所示。

表6 混凝土的干缩变形性能

图4 混凝土的变形随龄期变化的关系曲线

由表6和图4的试验结果可知，当混凝土拆模立即放入干缩室后，混凝土表现为干缩变形。在相同的水胶比条件下，高性能混凝土的早期收缩值比普通混凝土略大，至28d时收缩值已与普通混凝土相当；当混凝土在水中养护时，混凝土表现为膨胀变形，同龄期高性能混凝土的膨胀值比普通混凝土大100微应变以上；当混凝土在水中养护14d后再放入干缩室，混凝土发生明显的干燥收缩，且普通混凝土干缩的速度比高性能混凝土快，至28d时，普通混凝土和高性能混凝土均表现为收缩变形，普通混凝土的干缩值比高性能混凝土大164微应变。由此可见，高性能混凝土早期保湿保温养护很重要，应尽可能延长保温保湿养护时间，该工程要求保湿养护不能低于14d[6]。由于该工程闸墩混凝土施工在冬季，为了保证混凝土养护质量，在混凝土浇筑结束后用塑料薄膜及时包裹，外面再用土工布覆盖、工业用加热毯加热、棉被保温，经过现场实测，混泥土表面温度达到20℃，有效地保证混凝土的养护质量[7]。

混凝土在不同的干燥养护制度下的变形性能试验结果表明，在保障混凝土充分养护的条件下，同水胶比的高性能混凝土的收缩将比普通混凝土明显减小，因此高性能混凝土的开裂风险较普通混凝土也将明显降低[8]。

5.5 抗渗性能

混凝土养护28d的抗渗性能试验结果见表7。

将水压力逐级加压至1.3MPa时，混凝土试件无一透水，混凝土抗渗性能优异。相对而言，掺加大掺量掺合料的高性能混凝土比普通混凝土渗水高度小。混凝土28d的抗渗等级均已达到W12。

表7 混凝土的抗渗性能

5.6 抗冻性能

混凝土养护28d的抗冻性能见表8。

表8 混凝土的抗冻性能

从表8的试验结果可知，混凝土28d的抗冻等级已达F100。

5.7 抗碳化性能

混凝土养护28d的抗碳化性能试验结果见表9。

表9 混凝土的抗碳化性能

5.8 抗氯离子渗透性能

混凝土28d龄期时的抗氯离子渗透性能的试验结果见表10。

表10 混凝土抗氯离子渗透性能

从表10的试验结果可知，同水胶比条件下，高性能混凝土的抗氯离子渗透性能比普通混凝土显著提高。高性能混凝土在28d龄期时的氯离子扩散系数和电通量要求已满足设计技术指标要求和相关规范最严要求。

6 结论

综上所述，通过对新沂河海口枢纽服役环境特性，开展多因素耦合条件下，耐腐蚀混凝土耐久性及劣化机理研究，可以得出在沿海复杂环境下采用高性能混凝土施工，具有很好的抗渗性能、抗冻性能、抗碳化性能和抗氯离子渗透性能[9]。由于高性能混凝土因其与普通混凝土相比各种耐久性明显提高，使其在道路桥梁中得到广泛的应用，但在水利工程中应用甚少，通过本次沿海复杂环境下耐腐蚀混凝土配合比及性能研究结果，在同等环境下，混凝土使用寿命有效提升，本成果可以推广应用。