抗海水腐蚀混凝土在外砂桥闸工程中的应用

第35卷第2期2004年2月

文章编号:1001-4179(2004)02-0044-02

人　民　长　江

Yangtze　RiverVol.35,No.2

Feb.,　2004

抗海水腐蚀混凝土在外砂桥闸工程中的应用

杨医博　梁　松　莫海鸿

(华南理工大学建筑学院,广东广州510640)

摘要:首先综述了近年来抗海水腐蚀混凝土研究的最新进展,进而根据澄海市外砂桥闸重建工程的具体情况,

按耐久性设计了混凝土的配合比。试验结果表明,大掺量矿渣微粉混凝土的流动性和强度性均能满足设计要求,掺60%矿渣微粉的混凝土经人工海水浸泡6个月后的氯离子渗透深度只有无矿渣微粉混凝土的27%,在海水环境下的耐久寿命将大幅延长。用于大体积钢筋混凝土结构中。关　键　词:抗海水腐蚀;混凝土;矿渣微粉;应用中图分类号:TB37　　　文献标识码:A

水利工程。

外砂桥闸建成于1959年,运行40多年来,发挥了巨大的社会效益和经济效益。限于当时的建设条件及工程设计标准太低,现已不适应社会经济的发展,且闸孔小,启闭机设备陈旧,桥墩和闸底板浆砌石结构勾缝胶结材料强度低,局部脱落,闸地基未经处理,不符合抗震要求。近年来闸下河床下切,消能防冲设施屡次遭冲刷破坏。经安全鉴定和汕头市组织水利水电工程专家进行评定,外砂桥闸定为四类水闸,须报废重建。

外砂桥闸重建工程为原址重建,主要建筑物为2级,次要建筑物为3级。枢纽工程主要由东西拦河闸(桥闸全长414.5m,东闸16孔,每孔净宽10m,西闸20孔,每孔净宽10m,其中左侧4孔为电站进水孔,水闸结构为开敞式混凝土宽顶堰)、水电站(位于西闸东侧,装3台1000kW竖井贯流式机组)、交通桥(宽9m)组成。东西闸之间设有宽93m,长370m的环形园林式洲心岛。工程建成后,不仅能改善当地交通状况,缓解外砂大桥的交通压力,洲心岛还将成为澄海市民休闲娱乐的良好场所。外砂桥闸重建工程由汕头市水利水电勘测设计院设计,广东省水电二局施工,顺德市顺水工程建设监理有限公司和广东省科源监理咨询公司监理。工程总投资概算为18453.95万元,预制和现浇混凝土总方量为60897m3,重建工程由2001年11月5日开始,工期为2a。

1　概述

广东省地处沿海,,在沿海修筑了大量的堤坝和水闸。这些水工建筑物为发展国家经济、保护人民生命财产的安全发挥了巨大的作用。但是对海港码头和沿海水闸的钢筋混凝土结构的大量调查表明:处于浪溅区的结构,由于氯盐侵蚀、硫酸盐侵蚀、干湿交替、风、浪、潮的冲刷以及碳化等原因,有的水电站运行10多年部分构件的混凝土碳化深度已经超过保护层,有的水闸运行20多年碳化深度已达60mm,一些混凝土坝及钢筋混凝土闸、涵、渡槽出现混凝土开裂和钢筋的严重锈蚀,一些沿海水闸的混凝土闸门,由于氯离子的腐蚀,使用不到10a即已报废,这些都严重影响了水工建筑物的正常运行和发挥效益。

对于沿海混凝土建筑物过早破坏的问题,华南理工大学建筑学院自1999年3月起受广东省水利厅的委托对抗海水腐蚀混凝土进行了长期的研究。经过实验室内砂浆和混凝土短期试验研究,采用大掺量矿渣微粉等技术措施已经研制出抗氯离子性能远优于普通混凝土的抗海水腐蚀混凝土;目前采用大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土的长期海水耐久性试验正在进行中,海水中浸泡时间为2.5a的试验结果也表明,采用大掺量矿渣微粉等技术措施配制的抗海水腐蚀混凝土的抗氯离子渗透性能远优于普通混凝土。在2001年底广东省澄海市外砂桥闸进行重建时,决定采用大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土技术。

3　提高混凝土抗海水腐蚀性能的技术措施

根据华南理工大学建筑学院和国内外其它单位的相关研究,提高混凝土抵抗海水侵蚀的主要技术措施包括以下两个方面:①提高混凝土的致密性,降低氯离子在混凝土保护层中的渗透速度,从而延长氯离子达到钢筋表面并积累至一定浓度的时间;②对混凝土进行“改性”,将氯离子消耗在混凝土保护层中,从而延长氯离子达到钢筋表面并积累至一定浓度的时间。

2　澄海市外砂桥闸重建工程简介

广东省澄海市外砂桥闸位于韩江下游5个出海口之一的西溪河系外砂河中部,东接澄海城岭亭,西接外砂镇内陇管理区,南至下游出海口约有9.6km。该工程是以挡潮、御咸和蓄淡为主要功能,具有灌溉、供水、交通、航运和发电等效益的综合大型

收稿日期:2003-10-15

作者简介:杨医博,男,华南理工大学建筑学院土木工程系,讲师,博士。

第2期杨医博等:抗海水腐蚀混凝土在外砂桥闸工程中的应用

表1　矿渣微粉的化学成分

项目

LossSiO2Al2O3

45

从提高混凝土密实性的角度来看,在混凝土中采用较多的

胶凝材料和使用较低的水胶比是必须的。由于采用较低的水胶比和较多的胶凝材料,使得混凝土相对密实。

从对混凝土进行“改性”的角度来看,在混凝土中掺加矿物掺合料是必须的。混凝土中掺加矿物掺合料后,其对混凝土的“改性”机理可以分为以下3个方面:

(1)在混凝土中掺加比水泥更细的矿物掺合料能够填充水泥颗粒之间的空隙,从而使混凝土更加密实。

(2)矿物掺和料和水泥水化产物—Ca(OH)2发生化学反应,从而减少混凝土中的薄弱环节[Ca(OH)2]的数量,另外反应生成的水化产物也能够填充混凝土中的空隙,从而使混凝土致密。

(3)有些种类的矿物掺合料(如矿渣微粉等)能够和侵入的氯离子发生反应,将氯离子固定在混凝土保护层中,从而起到增强钢筋混凝土耐久性的作用。

目前采用较多的混凝土“改性”技术措施包括:

(1)掺加硅灰或者硅灰和粉煤灰(或者硅灰和矿渣微粉)复合使用[1]。这方面的工程实例如丹麦大贝尔特海峡工程(硅灰和粉煤灰复掺,其中硅灰掺量5%～8%,粉煤灰掺量10%以上,硅灰和粉煤灰总掺量小于25%)和香港青马大桥工程(混凝土配方采用了5%硅灰和65%(2)掺加粉煤灰]代水泥量为16%时,。

(3),大掺量矿渣微粉(或大掺量矿渣微粉和少量粉煤灰复合使用)能够明显改善混凝土的抗海水腐蚀能力;罗睿等人[3]的研究表明掺加65%的矿渣微粉能明显提高混凝土抗去冰盐的能力;南京水利科学研究院的研究也表明掺加67%的矿渣微粉能够至少延长混凝土使用寿命3～4倍[4];TarekUddinMohammed等人[5]的研究也表明,在5%～70%取代范围内,矿渣取代水泥量越大,混凝土抵抗海水腐蚀的能力越强。

就上述几种技术措施而言,由于硅灰价格高,而且产量较低,除非是特别重要的工程,在海工工程中不应作为首选方案。而粉煤灰虽然价格便宜,但是一方面其在混凝土中的掺量有限,在大体积混凝土中对混凝土温升的缓解作用有限,另一方面掺加粉煤灰混凝土的抗海水腐蚀能力不及掺加矿渣微粉混凝土的好,因此在海工工程中亦不应作为首选方案。就矿渣微粉而言,随着国内大型钢铁企业纷纷上马矿渣微粉项目,矿渣微粉的供应不是问题,而且矿渣微粉的价格较水泥低,采用矿渣微粉也符合经济和环保的原则。综合考虑技术性能和经济性,在海工混凝土中采用大掺量矿渣微粉是一种较好的技术途径,应作为首选方案。

[5]

质量分数Π%

3.7629.5913.82

项目

Fe2O3CaOMgO

质量分数Π%

3.2333.338.76

项目

SO3Mn2O3

质量分数Π%

2.832.550.12

含水量

(3)砂。采用河砂,中砂,细度模数为2.4。(4)碎石。采用花岗岩碎石。

(5)减水剂。选用山西省万荣县光明化工厂产“金三角”牌TL-400型高效减水剂。

(6)配合比。混凝土配合比中用矿渣微粉等量取代60%的

水泥,采用“油坑”水泥的混凝土配合比见表2。

采用“油坑”水泥的混凝土性能见表3。

表2　混凝土的配合比

配合比编号

C20一级配泵送C20C25一级配泵送C25二级配泵送C25一级配常规C25二级配常规C25三级配常规C30一级配常规C40一级配常规

原材料用量Π(kg m-3)

减水剂

水灰比碎石

水水泥矿渣砂掺量Π%

52040mm4080mm

460.460.460.440.460.460.440.460.44

189164180156139121193168181164157137145126138125159138160144

246635181570252690246685205680190655187570207690216695

2275164191079447115853241011751236

798546

410

671773558

419

665

0.650.650.650.600.600.650.650.650.650.600.650.65

表3　混凝土的坍落度和强度性能

配合比编号

C20一级配泵送C20二级配泵送C20一级配常规C20二级配常规C20三级配常规C25一级配泵送C25二级配泵送C25一级配常规C25二级配常规C25三级配常规C30一级配常规C40坍落胶凝材料量Π

度Π

(kg m-3)

mm

410392338315302420410342316312345360

1681696061631741646865626063

抗压强度ΠMPa

3d10.010.110.514.112.86.610.38.814.515.48.89.0

7d21.928.226.925.829.226.126.725.427.126.827.728.9

28d41.431.339.338.041.235.631.333.234.549.943.341.3

28d劈裂28d抗

抗拉强度Π折强度Π

MPa3.12.43.63.62.23.02.12.92.53.5

MPa5.24.45.45.15.14.56.76.54.86.3

4　混凝土原材料及配合比设计

根据上述提高混凝土耐久性的技术措施,充分考虑了提高

混凝土耐久性的技术途径、施工条件以及原材料供应等方面的因素后,最终确定的混凝土原材料和配合比如下。

(1)水泥。采用“油坑”牌P.O32.5水泥和“广岭”牌P.O32.5水泥,其中以“油坑”牌水泥为主。这两种水泥均为立窑水泥,采用立窑水泥的主要原因是施工时无法得到转窑水泥。

(2)矿渣微粉。采用广州思科达八宝新型材料厂生产的

3

“思科达”牌复合矿渣粉。矿渣的密度为2.87gΠcm,比表面积为589m2Πkg,矿渣的化学成分见表1。

由表3可见,大掺量矿渣微粉混凝土的流动性和强度性能均能满足设计要求,虽然掺大量矿渣微粉后混凝土早期强度较低,但大多数配方混凝土的3d抗压强度也达到了10MPa以上,最低值是6.6MPa,这已经能够满足水工混凝土3d拆模的要

求。

采用外砂桥闸重建工程的混凝土原材料和C20二级配常规混凝土配合比在实验室进行的人工海水浸泡试验(标准养护28

(下转第50页)

50　　　人　民　长　江

Access等数据库。

2004年

对于给定序列(P,t),采用最小二乘法对lnP和lnt进行回归分

析可得系数a与b,进而得到预测方程。

(2)灰色模型预测。灰色系统模型在多数情况下预测精度高于幂函数回归模型。本模块能够对等时间间隔及非等时间间隔的腐蚀数据序列采用灰色模型拟合,从而预测材料的腐蚀情况[4]。

图3　JSP网络运行及与数据库的连接

5　发展方向

随着计算机科学突飞猛进的发展,很多技术已经成熟,如何

利用这些技术条件是摆在我们面前的课题。计算机网络的发展和普及为我们在Internet上共享腐蚀数据库和腐蚀咨询系统提供了可能。网络计算模式下的基于Web技术的应用软件研究与开发是今后应用发展的方向。

JavaServerPages(JSP)是一种以Java为主的跨平台web开发语言。采用JSP开发的应用程序能够很好地满足我们的要求。当客户端表单Form的Submit事件发生后,表单数据通过

HTTP传输到服务器,当服务器得到客户端的数据,JSP通过JD2BC(JavaDatabaseConnectivity)驱动程序与数据库相连,执行查询、提取数据等等操作,再把返回的结果生成一个HTML脚本,返回给客户端。大致过程如图3所示。Sun公司还开发了-ODBCbridge,用此技术Java程序的数据库,所以Java程序能访MS和MS

6　结语

当今世界是不断发展变化的,计算机技术日新月异,腐蚀防

护工作也在不断发展,新材料、新技术及新数据和信息都在不断涌现,这就需要我们充分地利用计算机新技术不断完善防护咨询系统,使之更好地为腐蚀防护工作服务。

参考文献:

[1]　邵维忠,杨芙清.面向对象的系统分析.北京:清华大学出版社,

1998.

[2]　高强,张桂林,毛少杰.ClearCase.计

算机工程,26(10):115～117.

[3]VLondon:theMacmillanPress

..腐蚀科学

,1993,15(2).

(编辑:常汉生)

(上接第45页)

d后,放入人工海水中养护至6个月龄期测定氯离子渗透深度,

氯离子渗透深度测定采用吴学礼教授推荐的“染色法”进行)结

果见表4。

表4　混凝土中氯离子渗透深度

混凝土种类

掺60%矿渣微粉混凝土无矿渣微粉混凝土

6个月龄期混凝土中氯离子渗透深度Πmm

1.676.09

由表4可见,大掺量矿渣微粉混凝土的抗氯离子渗透性能

明显高于无矿渣微粉混凝土,其在人工海水中浸泡6个月的氯离子渗透深度只有无矿渣微粉混凝土的27%,即采用同样混凝土保护层厚度时,混凝土在海水环境下的耐久寿命能够延长3～4倍,这一结果与南京水利科学研究院的研究结果是一致的[4]。

粉抗海水腐蚀混凝土的成本与采用普通混凝土相近,而且大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土的抗氯离子渗透性能明显增强,从而大大降低了结构的维护和重建费用,因此从整体上看,采用大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土的经济性明显优于普通混凝土。

至2003年底,华南理工大学建筑学院研究的大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土还在广东省江门市电化厂工业盐池(盐池尺寸为23m×21m×4.5m)和广东省吴川市吴阳围低土勇排水闸混凝土闸门重建工程(闸门外即是海水)中得到应用。鉴于大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土在外砂桥闸的应用十分成功,广东省水利厅决定今后广东省内沿海新建、扩建大中型水工混凝土建筑物,必须使用抗海水腐蚀混凝土新技术,以提高混凝土建筑物的使用寿命。

参考文献:

[1]　赵筠.在海洋和化冰盐环境中钢筋混凝土构筑物的钢筋防锈技术

5　结语

外砂桥闸重建工程自2001年11月开工,至2003年上半年

工程全部结束。在外砂桥闸重建工程中,水闸的主体工程全部采用大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土,混凝土总用量达到6万m3。

外砂桥闸重建工程的实践表明,大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土的工作性和强度均满足设计要求,在现有施工技术和施工设备的基础上,将大掺量矿渣微粉混凝土应用于海工工程是可行的。从技术角度来看,大掺量矿渣微粉抗海水腐蚀混凝土的工作性和强度性能均能满足要求,而且能大幅增加混凝土在海洋环境中的耐久寿命;从经济方面来看,采用大掺量矿渣微

对策.公路,2001,(4):52～59.

[2]　贺鸿珠,刘军,杨胜杰等.掺粉煤灰混凝土耐海水侵蚀性能的试验

研究.混凝土与水泥制品,2000,(3):7～11.

[3]　罗睿,蔡跃波,黄晓明.磨细矿渣抗去冰盐的性能分析.中国公路学

报,2001,(3):6～10.

[4]　陈讯捷,王昌义.磨细矿渣高性能混凝土在海工建筑中成功应用.

混凝土,2000,(9):59～61.

[5]　TarekUddinMohammed,ToruYamaji,HidenoriHamada.Chloridediffu2

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(编辑:赵树湘)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xwxe.html