含钡硫铝酸盐水泥在沿海公路混凝土桥的修补应用研究

摘要：针对沿海高速公路硅酸盐水泥混凝土桥梁存在的侵蚀问题，展开高性能含钡硫铝酸盐水泥在沿海环境中的修补试验研究。结果表明：在沿海环境中，含钡硫铝酸盐水泥混凝土比硅酸盐水泥混凝土具有更加致密的孔隙结构，从而具有更高的强度和耐海水侵蚀性，可适用于沿海公路混凝土桥梁的水泥基修补工程。

关键词： 沿海混凝土桥；含钡硫铝酸盐水泥；孔隙率；修补工程

中图分类号：TU528.45     文献标识码：A

       Study on Ba bearing sulphoaluminate cement applied in repairing bridges in coastal area

引 言

　　近年来，山东省沿海地区公路桥梁建设发展较快，在海中或海潮影响范围内建设了大量的跨海湾桥梁构造物，这些桥梁在运营过程中，除正常运营荷载外，还承受着海潮和风浪的侵蚀作用。有的高速公路（依海而建，由于特殊的地理环境，有的混凝土桥梁就建在出海口附近，受到海水和海风的侵蚀作用，桥梁体系存在很多损害及安全隐患。尤其是距离内陆淡水河入海口非常近的混凝土桥梁，在落潮期间，桥梁完全出于淡水浸泡状态，但在涨潮期间，则完全处于海水浸泡侵蚀状态。内陆河流的干涸期和丰水期又形成干湿交替的环境，进一步加剧侵蚀。海水通常其总含盐量约为35g/L， 富含高浓度Cl-和SO42-。Cl-侵蚀是引起钢筋锈蚀、结构胀裂的首要因素，SO42-对硅酸盐水泥造成硫酸盐侵蚀，导致混凝土结构开裂。同时因地处我国北方冰冻地带，每年冬季结冰，夏季炎热，存在严重的冻融侵蚀。另外还存在空气碳化效应等危害[1-3]。以上复杂恶劣的侵蚀环境，导致混凝土桥梁体系遭受了严重的破坏，见图1。



　　目前，在混凝土桥梁的加固修补工程中，虽然有电化学、碳纤维等很多新技术，但在恶劣的侵蚀应用环境中，考虑实际条件，通常采用的方法是增大截面法，将侵蚀表面清理后，再采用围堰、套筒等方法，进行水泥修补保护层[4-6]。

　　减少Cl-、SO42-等侵蚀性离子进入了混凝土的内部，改变水泥成分和降低孔隙率，是改善耐海水侵蚀的有效途径。因此，一般水泥修补保护层采用大比例掺加矿渣、粉煤灰等混合材，添加高效减水剂、防水剂等有效措施[7，8]。但由于使用的仍是硅酸盐水泥混凝土，由于水泥本身的特性，耐硫酸盐侵蚀性差、收缩开裂等问题依然存在。

　　含钡硫铝酸盐水泥在是硫铝酸盐水泥的基础上开发研制的一种新型水泥。该水泥是以铝质原料、石灰质原料、石膏和含钡矿物，按一定配合比，煅烧成主要矿物为无水硫铝酸钡钙（C2.75B1.25A3 ）和硅酸二钙（C2S）的熟料，再掺入适量石膏共同磨细制得的水硬性胶凝材料。与硅酸盐水泥相比，该水泥具有早强、耐腐、抗冻、微膨胀等性能，属于高性能水泥。它的主要水化产物是水化硫铝酸钡钙，因此，含钡硫铝酸盐水泥具有优异的耐硫酸盐侵蚀的能力。同时，由于该水泥水化产物中氢氧化钙含量较少，所以，水泥抗溶失性侵蚀的能力很强。在相同的水灰比下，含钡硫铝酸盐水泥的水化产物水化硫铝酸钡钙和铝胶与硅酸盐水泥水化产物C-S-H凝胶和Ca（OH）2相比含有较多的结晶水，水化产物构筑的空间网状结构更加密实，从而使含钡硫铝酸盐水泥石孔隙率降低，致密度高，抗渗性能优良，这也有效地阻止了外界水及外来离子对钢筋混凝土的侵蚀，延长了构筑物的使用寿命[9-11]。本论文主要针对用含钡硫铝酸盐水泥做修补保护层展开实验研究。

1 实验与结果分析

1.1抗压强度试验

　　混凝土由砂子、石子、含钡硫铝酸盐水泥、掺合料和水搅拌而成。水泥为淄博某特种水泥厂生产的含钡硫铝酸盐水泥，砂子选用济南近郊产中砂(细度模数为2.6)；石子为5～20mm连续级配，济南近郊产；掺合料为济钢产磨细矿渣(细度为400m2/kg)和某电厂一级粉煤灰，掺量为20%。水胶比要满足抗渗性要求，按水胶比为0.33进行混凝土配合比设计。混凝土的砂率为0.42，高效减水剂适量，坍落度为195mm。混凝土的配合比如表1所示：

　　制成10×10试块，进行标准养护。同时制作了相同配合比的硅酸盐水泥混凝土对比试样。在液压式压力实验机下进行不同龄期抗压强度测定，结果如表2所示：

　　可以看出含钡硫铝酸盐水泥混凝土不仅具有一定的早期强度，并且28d强度比硅酸盐水泥混凝土高22%，具有较好的强度性能。用POREMASTER-60全自动孔隙率分析仪对28d龄期试样的孔隙结构进行测定分析。结果如图2-1和图2-2所示（OPC代表硅酸盐水泥混凝土，BSAC代表含钡硫铝酸盐水泥混凝土）：

按照烟威高速路实际沿海大桥实际施工时的C20硅酸盐水泥混凝土配比，先制作10×5混凝土试块，再在其上分别浇注5cm的含钡硫铝酸盐水泥混凝土和硅酸盐水泥混凝土粘结层，使之成为10×10的标准试块。并制作含钡硫铝酸盐水泥混凝土和硅酸盐水泥混凝土试块做对比试样。置于实桥下海水中浸泡。经过6个月的浸泡，其中还经历短暂的冰冻、淡海水交替等的实际环境。取回试块，进行试验。图4是破碎后的粘结混凝土试块照片：

实验结果如表3所示：

　　结果表明，在真实侵蚀环境试验中，含钡硫铝酸盐水泥混凝土试块的强度要高于硅酸盐水泥混凝土试块，并且在粘结混凝土试验中，含钡硫铝酸盐水泥混凝土与老混凝土的粘结程度也要优于硅酸盐水泥混凝土。

1.3砂浆试块实验

　　按照国家标准《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)同时制作了砂浆试块，并分别置于真实侵蚀环境和实验室环境下浸泡，6个月后，进行力学性能测试。结果如表2-4所示： 

　　结果表明：在砂浆试验中含钡硫铝酸盐水泥的抗折强度和抗压强度均高于硅酸盐水泥，虽然在真实海水侵蚀环境中抗压强度指标比实验室环境下有所下降，但是保留率仍为84%，高于硅酸盐水泥砂浆的68%。

1.4混凝土桩修补层实验

　　为了进一步模拟实桥桥墩混凝土修补层在海水中侵蚀情况，采用硅酸盐混凝土电线杆模拟桩实验。首先将线杆切割，然后进行手工打毛，刷净、冲洗。在润湿的情况下，进行套筒浇注成型保护层。浇注厚度控制在10cm，浇注混凝土分别为：硅酸盐水泥混凝土、含钡硫铝酸盐水泥混凝土。并将模拟桩置放于烟威高速路沿海大桥下。如图5所示。

          图5  修补层模拟桩实验        　　　　　　　　  图6  一年后的模拟桩情况

Fig.5  simulation experiment of repair layer     Fig.6   Repair layer after 1year

　　经过12个月，到现场仔细观察模拟桩情况，桩体表面上分布有海生贝类生物，但未发现有任何细微的裂纹，如图6所示。

1.5实桥修补试验

　　经过多家单位协调，实桥修补试验顺利进行,如图7所示。

 

　　该实桥试验测试及监测还在进行中，将结合实验室检测手段进行微观分析和测试，以期掌握更加长期的试验资料，为下一步沿海高速路的混凝土桥梁体系的修补工程提供更直接、客观的理论和实践依据。

2 结论

　　含钡硫铝酸盐水泥混凝土具有比硅酸盐水泥混凝土更加致密合理的孔隙结构，从而提高强度，改善耐海水侵蚀性能，并且与老混凝土的粘结程度较好。因此适合用于沿海公路混凝土桥梁的水泥基修补工程。