透水模板布對(duì)海工高性能混凝土抗氯離子滲透性的影響

楊海成，熊建波，王勝年

（中交四航工程研究院有限公司，水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510230）

對(duì)于服役環(huán)境惡劣、耐久性要求高的工程結(jié)構(gòu)，僅采用高性能混凝土通常并不足以確保工程的設(shè)計(jì)使用壽命，尤其是海洋環(huán)境下的港口碼頭、道路橋梁等海工混凝土結(jié)構(gòu)，尚需考慮與防腐蝕附加措施相結(jié)合。透水模板布（Controlled Permeability Formwork） 是一種能夠有效改善混凝土表面質(zhì)量、提高混凝土性能的防腐蝕附加措施，尤其對(duì)表層混凝土早期性能的提高更為顯著，在杭州灣大橋、金塘大橋、青島海灣大橋、鹽田港等工程得到應(yīng)用。

透水模板布的作用機(jī)理[1-4]：混凝土澆筑后，由于振搗棒振動(dòng)、混凝土自重、透水模板布布內(nèi)襯排水透氣層的毛細(xì)吸附等共同作用，混凝土中的氣體以及部分水分被排除到模板外，而水泥顆粒富集于混凝土表層，減小了混凝土表層的水膠比，使表層混凝土更加密實(shí)，且透水模板布具有蓄水功能，能夠有效提高表層混凝土的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，從而提高了混凝土結(jié)構(gòu)抵御外部侵蝕介質(zhì)入侵的能力，進(jìn)而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

針對(duì)透水模板布對(duì)混凝土性能的影響，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究[5-6]，透水模板布對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的研究，通常采用電通量法、氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)試法（RCM法）等，由于以上快速試驗(yàn)方法本身的局限性，不能真實(shí)反映氯離子在混凝土中的擴(kuò)散進(jìn)程，尤其對(duì)采用透水模板布的混凝土，透水模板布僅影響表層一定深度的混凝土，有研究認(rèn)為影響深度為15~20 mm[2]，而上述試驗(yàn)在加速電場(chǎng)作用下可能弱化了表層混凝土的作用，同時(shí)國(guó)內(nèi)外還缺少采用透水模板布混凝土的現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本文通過(guò)室內(nèi)自然浸泡試驗(yàn)（NTBuild 443法） 與26個(gè)月現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)，研究透水模板布對(duì)混凝土抗氯離子滲透性及結(jié)構(gòu)使用年限的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料及配合比

采用山水PI 52.5水泥；選用青島家樑足球工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)粒化高爐礦渣粉，日照華能電廠I級(jí)粉煤灰；細(xì)集料采用萊西大沽河中粗砂，表觀密度2 600 kg/m3，含泥量1.0%，細(xì)度模數(shù)2.9；粗集料為沂水石灰?guī)r碎石，5～10 mm及10～20 mm組合級(jí)配，含泥量0.3%，壓碎值11.8%，表觀密度2 700 kg/m3；減水劑為上海巴斯夫生產(chǎn)的RHEOPLUS 326，引氣劑為巴斯夫MICROAIR 202。混凝土配合比參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete composition

1.2 試件成型及表面處理

采用鋼模板成型試驗(yàn)墻，整體尺寸為140 cm×80 cm×13 cm，在長(zhǎng)度方向的鋼模板一側(cè)粘貼透水模板布，另一側(cè)為鋼模板面。試驗(yàn)墻室外保濕養(yǎng)護(hù)18 d后，鉆取φ100 mm芯樣，為避免由于透水模板布對(duì)不同垂直高度混凝土性能的影響，本試驗(yàn)采用的試件為試驗(yàn)墻中間位置的芯樣，芯樣周邊采用涂層封閉，保留貼透水模板布原端面作為試驗(yàn)中暴露在氯鹽環(huán)境中的端面，見(jiàn)圖1。

圖1 采用透水模板布混凝土試件Fig.1 Concretespecimen using CPF

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 自然浸泡試驗(yàn)

室內(nèi)快速試驗(yàn)參照NTBUILD 443《硬化混凝土氯離子滲透快速試驗(yàn)方法》，在室外保濕養(yǎng)護(hù)24 d后，放入飽和Ca（OH）2溶液中浸泡4 d，然后將試件放入165 g/L的NaCl溶液中，溶液溫度控制在（22±2）℃，試件浸泡35 d后取出，逐層制取粉樣，并參照J(rèn)TJ 270—98《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中“砂漿中酸溶性氯離子含量測(cè)試方法”對(duì)粉樣進(jìn)行化學(xué)滴定分析，測(cè)量混凝土中的總氯離子含量。

1.3.2 現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)

暴露試件放置在青島海灣大橋暴露試驗(yàn)站水變區(qū)和浪濺區(qū)[7]，在現(xiàn)場(chǎng)暴露6個(gè)月、14個(gè)月、26個(gè)月時(shí)取出，清除表面貝類(lèi)、海藻等海洋浮生物，參照NTBUILD 443《硬化混凝土氯離子滲透快速試驗(yàn)方法》規(guī)定的方法逐層制取粉樣，測(cè)試混凝土中總氯離子含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氯離子含量分布情況

室內(nèi)自然浸泡試驗(yàn)條件下混凝土不同深度氯離子含量如圖2，可見(jiàn)混凝土中氯離子含量隨深度的增加而降低，且相比普通鋼模板，采用透水模板布的混凝土氯離子濃度隨深度的增加遞減幅度較大，說(shuō)明采用透水模板布對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性能有較大提高。比如盡管透水模板布與普通模板混凝土在表層的氯離子含量基本一致，但在距離混凝土表面5 mm深度處，透水模板布混凝土的氯離子濃度約為0.1%（占混凝土的質(zhì)量百分比），而普通模板混凝土高達(dá)0.4%，分析原因，主要是由于透水模板布的排水、排氣作用，可顯著降低表層混凝土水膠比，提高致密性，并通過(guò)早期蓄水養(yǎng)護(hù)作用，顯著提高表層混凝土的質(zhì)量，從而可有效提高表層混凝土的抗氯離子侵蝕性能。

圖2 混凝土不同深度的氯離子濃度（室內(nèi)快速試驗(yàn)）Fig.2 Chloride ion concentration at different depths（by lab high speed test）

現(xiàn)場(chǎng)暴露不同齡期的混凝土不同深度氯離子含量見(jiàn)圖3，可知：

圖3 暴露試驗(yàn)混凝土不同深度的氯離子濃度Fig.3 Chloride ion concentration at different depths by exposure test

1）透水模板布能夠提高混凝土抗氯離子滲透性，降低侵入混凝土內(nèi)部的氯離子含量，且對(duì)不同深度氯離子含量的降低幅度隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng)有所降低，說(shuō)明透水模板布對(duì)混凝土早期抗氯離子滲透性的提高更為顯著。

2）采用普通鋼模板一側(cè)的混凝土，在暴露環(huán)境下氯離子含量隨混凝土深度的增加存在先增大，后減小，在混凝土表層存在對(duì)流區(qū)，區(qū)域約為2～4 mm，其主要是由于現(xiàn)場(chǎng)暴露環(huán)境下海水干濕交替循環(huán)所致，碼頭現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研[8]和華南湛江港暴露試驗(yàn)[9]，同樣證實(shí)水變區(qū)、浪濺區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)存在對(duì)流區(qū)。而透水模板布一側(cè)的混凝土，對(duì)流區(qū)深度不明顯。分析其可能是由于透水模板布的排水、排氣和保濕養(yǎng)護(hù)作用，降低了表層混凝土水膠比，提高了表層混凝土的致密性，改善了表面混凝土的孔結(jié)構(gòu)，而混凝土在干濕交替過(guò)程中，水分更易在較大孔隙中填充和蒸發(fā)，因此相比表面孔隙較多的普通模板混凝土，透水模板布混凝土在干濕交替作用下，其內(nèi)部濕度變化相對(duì)較小，使混凝土內(nèi)部對(duì)流層不明顯。文獻(xiàn)[10-12]認(rèn)為，降低水膠比和摻入礦物摻合料，可以有效改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，從而有效降低混凝土的毛細(xì)吸水量和毛細(xì)吸水高度。

2.2 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)、表面氯離子濃度

采用Fick第二定律解析解，根據(jù)測(cè)出的混凝土不同深度的氯離子濃度，擬合求出了混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，見(jiàn)圖4所示。由圖可知：1） 透水模板布能夠降低混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并且隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，透水模板布對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的降低幅度逐漸減弱，比如在6個(gè)月暴露齡期時(shí)透水模板布混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)僅為普通模板的20%~40%，而在26個(gè)月暴露齡期時(shí)透水模板布混凝土的擴(kuò)散系數(shù)為普通模板的40%~70%，說(shuō)明透水模板布可顯著提高混凝土早期抗氯離子滲透性，有利于提高早期可能暴露于嚴(yán)酷海水環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)；2） 隨暴露齡期的延長(zhǎng)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸衰減；3） 在原材料、配合比、暴露齡期等條件相同時(shí)，水變區(qū)的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)大于浪濺區(qū)。

圖4 不同暴露齡期時(shí)混凝土氯離子滲透系數(shù)Fig.4 Chlorideion permeability coefficient at different exposure ages

基于Fick第二定律擬合求出了不同暴露齡期混凝土表面氯離子濃度，見(jiàn)圖5所示，混凝土表面氯離子濃度隨暴露齡期的延長(zhǎng)而增加，26個(gè)月混凝土表面氯離子濃度約為0.75%~1.0%（占混凝土的質(zhì)量百分比）；在試驗(yàn)周期內(nèi)，透水模板布對(duì)混凝土表面氯離子濃度的影響趨勢(shì)不明顯。

圖5 不同暴露齡期時(shí)混凝土表面氯離子濃度Fig.5 Chlorideion concentration on theconcrete surfaceat different exposureages

2.3 透水模板布對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)使用年限的影響

對(duì)于海洋工程，混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命一般劃分為3個(gè)階段：

式中：t為結(jié)構(gòu)使用壽命；t1為腐蝕誘導(dǎo)期，是指結(jié)構(gòu)從開(kāi)始暴露氯鹽環(huán)境到氯離子侵入到保護(hù)層深度處的濃度值達(dá)到鋼筋發(fā)生銹蝕的臨界氯離子濃度值；t2為腐蝕發(fā)展期，主要是從鋼筋開(kāi)始發(fā)生銹蝕到保護(hù)層開(kāi)裂之間的時(shí)間；t3為腐蝕破壞期，是指從混凝土保護(hù)層開(kāi)裂到結(jié)構(gòu)失效所需時(shí)間。相對(duì)于腐蝕誘導(dǎo)期t1，腐蝕發(fā)展期t2和腐蝕破壞期t3時(shí)間短，在耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，為預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備，通常將混凝土中氯離子濃度達(dá)到臨界值時(shí)的腐蝕誘導(dǎo)期作為使用壽命終結(jié)的極限狀態(tài)。

基于Fick第二定律推導(dǎo)出的混凝土結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測(cè)模型，如公式（2），

式中：Cc為臨界氯離子濃度；C0為初始氯離子濃度；Cs為表面氯離子濃度；x為鋼筋混凝土保護(hù)層厚度；Dt為氯離子擴(kuò)散系數(shù)，

式中：tref為參考時(shí)間；t為氯離子擴(kuò)散系數(shù)的衰減期，一般取20 a；n為擴(kuò)散系數(shù)衰減值。

由于本試驗(yàn)研究暴露時(shí)間短，氯離子擴(kuò)散系數(shù)衰減值n、表面氯離子濃度、臨界氯離子濃度等未能獲得，以上混凝土耐久性關(guān)鍵參數(shù)將參照青島海灣大橋暴露試驗(yàn)成果[13]；氯離子擴(kuò)散系數(shù)衰減值是一個(gè)與混凝土配合比參數(shù)、摻合料品種、環(huán)境條件等有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)青島暴露試驗(yàn)站高性能混凝土4 a暴露試驗(yàn)初步認(rèn)為，對(duì)于復(fù)摻大量粉煤灰和?；郀t礦渣粉的高性能混凝土，衰減值約為0.50～0.60，本文取0.55，而對(duì)于采用透水模板布的高性能混凝土，根據(jù)2.2節(jié)中擴(kuò)散系數(shù)變化曲線可知，透水模板布對(duì)早期混凝土擴(kuò)散系數(shù)的降低幅度較大，后期趨于變緩，因此通過(guò)對(duì)擴(kuò)散系數(shù)隨齡期的變化曲線分析認(rèn)為，采用透水模板布的混凝土擴(kuò)散系數(shù)的衰減值應(yīng)當(dāng)小于普通模板混凝土，通過(guò)對(duì)短期數(shù)據(jù)分析，采用0.45；表面氯離子濃度隨暴露齡期、所處環(huán)境條件、混凝土自身材料特性對(duì)氯離子的吸附性能等有關(guān)，對(duì)處于水變區(qū)、浪濺區(qū)高性能混凝土，其表面氯離子濃度最大值一般取1.0%（占混凝土的質(zhì)量百分比）；臨界氯離子濃度參考美國(guó)Life365預(yù)測(cè)模型取值0.05%?；炷帘Ｗo(hù)層厚度統(tǒng)一采用55 mm，初始氯離子濃度取0.02%。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示，可知透水模板布可顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命?？紤]到暴露時(shí)間相對(duì)較短，并且透水模板布主要影響表層一定深度處混凝土的致密性，當(dāng)海水中氯離子侵蝕深度超過(guò)透水模板布的有效影響深度后，其氯離子侵蝕規(guī)律還不得而知，需后期跟蹤分析。

表2 透水模板布對(duì)海工高性能混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響Table 2 Effect of CPF on the service life of marinehigh performance concrete structures

3 結(jié)論及建議

1）由于透水模板布的排水、排氣和保濕養(yǎng)護(hù)作用，可有效提高表層混凝土的抗氯離子滲透性，延緩氯離子對(duì)混凝土的侵蝕，降低混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2）隨暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，透水模板布對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的降低幅度逐漸減弱，且擴(kuò)散系數(shù)逐漸衰減，表面氯離子濃度逐漸增大。

由于現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)周期相對(duì)較短，針對(duì)透水模板布對(duì)混凝土抗氯離子滲透性及結(jié)構(gòu)使用壽命的影響，還需今后進(jìn)一步跟蹤研究。

[1] 郭寶林.模板襯里改善表層混凝土質(zhì)量的機(jī)理研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2011，14（4）：512-516.GUO Bao-lin.Research on mechanism of surface concrete propertiesimproved by controlled permeableformwork liner[J].Journal of Building Materials，2011，14（4）：512-516.

[2] SCHUBEL P J，WARRIOR N A，ELLIOTT K S.Evaluation of concrete mixes and mineral additions when used with controlled permeableformwork（CPF）[J].Constructionand Building Materials，2008，22（7）：1 536-1 542.

[3]SURYAVANSHI A K，SWAMY R N.An evaluation of controlled permeability formwork for long-term durability of structural concrete elements[J].Cement and Concrete Research，1997，27（7）：1 047-1 060.

[4]MCCARTHY M J，GIANNAKOU A.In-situ performance of CPF concrete in a coastal environment[J].Cement and Concrete Research，2002，32（2）：451-457.

[5]秦明強(qiáng)，雷宇芳，汪發(fā)紅.透水模板布對(duì)海工混凝土性能影響研究[J].施工技術(shù)，2008，37（12）：23-25.QINMing-qiang，LEIYu-fang，WANGFa-hong.Study on unfluence of controlled permeability formwork to marine concrete properties[J].Construction Technology，2008，37（12）：23-25.

[6] 許敏鐘，田正宏，劉兆磊，等.透水模板布對(duì)混凝土抗?jié)B性能影響分析[J]．混凝土，2009（9）：43-45.XU Min-zhong，TIAN Zheng-hong，LIU Zhao-lei，et al.Influences analysis on anti-permeability of concrete with controlled permeability formwork liner[J].Concrete，2009（9）：43-45.

[7] 楊海成，蓋國(guó)輝，李超，等.海工混凝土結(jié)構(gòu)不同防腐技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)暴露試驗(yàn)[J]．公路交通科技，2012，29（4）：79-84.YANG Hai-cheng，GAI Guo-hui，LI Chao，et al.Field exposure test of different anticorrosion technologies for marine concrete structure[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development，2012，29（4）：79-84.

[8] 范宏，王鵬剛，趙鐵軍.長(zhǎng)期暴露混凝土結(jié)構(gòu)中的氯離子侵入研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011（1）：12-16.FAN Hong，WANG Peng-gang，ZHAO Tie-jun.Research on chloride penetration for RCstructures after long-term exposure[J].Journal of Building Materials，2011（1）：12-16.

[9]王勝年，潘德強(qiáng)，范志宏，等.長(zhǎng)期海洋條件下混凝土耐久性研究[R].廣州：中交四航工程研究院有限公司，2010.WANG Sheng-nian，PAN De-qiang，F(xiàn)AN Zhi-hong，et al.Research on concrete durability under long-term maritime condition[R].Guangzhou：CCCCFourth Harbor Engineering Insti-tute Co.，Ltd.，2010.

[10]黃蓓，錢(qián)春香.摻合料混凝土的毛細(xì)吸水現(xiàn)象[J]．混凝土與水泥制品，2008（4）：14-16.HUANGBei，QIANChun-xiang.Phenomenaof capillary suction to concrete with mineral admixtures[J].China Concrete and Cement Products，2008（4）：14-16.

[11]殷慧，董必欽，丁鑄，等.混凝土的滲水、吸水特性研究[J]．低溫建筑技術(shù)，2009，10（2）：4-6.YIN Hui，DONG Bi-qin，DING Zhu，et al.Study of the water absorbtivity and permeability for concrete[J].Low Temperature Architecture Technology，2009，10（2）：4-6.

[12]劉偉，邢鋒，謝友均.水灰比、礦物摻合料對(duì)混凝土孔隙率的影響[J]．低溫建筑技術(shù)，2006，9（1）：9-11.LIUWei，XINGFeng，XIEYou-jun.Effect of water to cement ratio and mineral admixtureson theporosity of concrete[J].Low Temperature Architecture Technology，2006，9（1）：9-11.

[13]王勝年，熊建波，楊海成，等.考慮凍融循環(huán)的海工混凝土常規(guī)暴露實(shí)驗(yàn)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[R].廣州：中交四航工程研究院有限公司，2013.WANG Sheng-nian，XIONG Jian-bo，YANG Hai-cheng，et al.Design and realization for regular exposure experiment station of themarineconcreteconsidering freeze-thaw cycle[R].Guangzhou：CCCCFourth Harbor Engineering Institute Co.，Ltd.，2013.