混凝土材料耐久性能的影響因素及評價指標(biāo)研究

馮仲偉，李化建，李林香

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 科研處，北京 100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

混凝土耐久性設(shè)計(jì)已成為確?；炷两Y(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的前提，合理確定混凝土耐久性指標(biāo)是混凝土耐久性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容?，F(xiàn)階段混凝土耐久性評價的主流仍然沿用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行，而由于混凝土耐久性傳統(tǒng)評價方法的試驗(yàn)過程過于緩慢，為不同環(huán)境下混凝土耐久性的評價帶來極大的不便。為此，《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中提出采用電通量作為混凝土耐久性指標(biāo)，用來評價混凝土的密實(shí)性或抗侵入性，從而間接評價混凝土的耐久性。于是，有必要研究電通量評價混凝土耐久性的有效性和適用性，提出評價不同環(huán)境下混凝土耐久性能的評價指標(biāo)。本文以《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》中劃分的環(huán)境類別為依據(jù)，以整體論為指導(dǎo)，從侵蝕介質(zhì)作用途徑和混凝土抵抗破壞的能力出發(fā)，通過開展大量試驗(yàn)，研究了氯鹽環(huán)境、碳化環(huán)境、凍融環(huán)境以及硫酸鹽結(jié)晶侵蝕環(huán)境下混凝土的耐久性能影響因素，初步提出不同環(huán)境下混凝土耐久性能的評價指標(biāo)體系。

1 氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性研究

氯鹽環(huán)境下，采用電通量法和RCM法，比較研究了不同條件下混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的變化規(guī)律，如圖1—圖4所示。

圖1 水灰比對混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖2 水泥用量對混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖3 粉煤灰摻量對混凝土(0.40水膠比)電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

圖4 礦渣粉摻量對混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨混凝土中水灰比和單方水泥用量的變化具有相同的變化規(guī)律，具體為當(dāng)水灰比≤0.55時，28 d和56 d齡期混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨水灰比的增大(0.35～0.55)均增大，當(dāng)水灰比從0.55增大到0.60時，28 d齡期混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均增大，56 d齡期時二者均減小;混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨混凝土中單方水泥用量的增加(360～480 kg/m3)均增大?；炷林袚饺敕勖夯液?，28 d齡期混凝土電通量隨粉煤灰的摻入降低，而氯離子擴(kuò)散系數(shù)卻有所增加，56 d齡期混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨粉煤灰的摻入均降低。對于礦渣粉混凝土，28 d、56 d兩個齡期的混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均隨礦渣粉摻量的增加(0～60%)而減小。

對電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，如圖5所示，圖中A點(diǎn)為摻加30%粉煤灰的0.60水膠比混凝土，B點(diǎn)為用C3A含量4.58%的撫順中抗硫酸鹽水泥拌制的混凝土，C點(diǎn)為0.60水灰比的混凝土，D點(diǎn)同C點(diǎn)，E點(diǎn)為摻加30%粉煤灰的0.60水膠比混凝土。

圖5 混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的相關(guān)性

結(jié)果表明，除水膠比為0.60的混凝土和28 d齡期使用低C3A含量抗硫酸鹽水泥拌制的混凝土外，28 d和56 d兩個齡期的混凝土電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均具有較好的相關(guān)性，且56 d齡期時二者的相關(guān)系數(shù)高于28 d齡期的相關(guān)系數(shù)。另從圖5中(c)、(d)可以看出，摻入粉煤灰后，氯離子擴(kuò)散系數(shù)與電通量的線性系數(shù)由0.039 1增大到0.052 5，說明粉煤灰對于降低混凝土電通量的影響高于對氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，當(dāng)用電通量評價粉煤灰混凝土的氯離子滲透性時，如采用與其它類型混凝土相同的評價指標(biāo)數(shù)值，則會夸大粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性。

2 碳化環(huán)境下混凝土耐久性研究

碳化環(huán)境下，通過開展不同條件下混凝土快速碳化試驗(yàn)及相關(guān)性能試驗(yàn)，研究了混凝土碳化性能的影響因素，如圖6—圖9所示。

研究表明，混凝土碳化深度隨水灰比、含氣量的增大而增大，當(dāng)含氣量＞7%時，混凝土碳化深度急劇增大，混凝土碳化深度還隨粉煤灰摻量(當(dāng)粉煤灰摻量≤20%時)、礦渣粉摻量的增加而減小;但當(dāng)粉煤灰摻量＞20%時，由于混凝土吸收CO2氣體的能力減弱，混凝土抗碳化的能力亦減弱。

圖6 水灰比對混凝土碳化的影響

圖7 含氣量對混凝土碳化的影響

影響混凝土碳化性能的宏觀性能因素主要為強(qiáng)度和滲透性，進(jìn)一步分析強(qiáng)度和混凝土電通量與混凝土碳化深度的關(guān)系，如圖10、圖11所示。

隨著強(qiáng)度的增加，混凝土碳化深度有減小的趨勢，當(dāng)強(qiáng)度＜50 MPa時，混凝土碳化深度隨強(qiáng)度的增長顯著下降;當(dāng)強(qiáng)度＞50 MPa時，混凝土碳化緩慢?；炷撂蓟疃群碗娡康南嚓P(guān)性分析表明，二者也具有較好的相關(guān)性。

圖8 粉煤灰對混凝土碳化的影響

圖9 礦渣粉對混凝土碳化的影響

圖10 抗壓強(qiáng)度與混凝土碳化深度的關(guān)系

圖11 混凝土電通量與碳化深度的關(guān)系

3 凍融環(huán)境下混凝土耐久性研究

凍融環(huán)境下，以耐久性系數(shù)為混凝土抗凍性的評價依據(jù)，通過開展不同條件下的混凝土快速凍融試驗(yàn)，研究了不同因素對混凝土抗凍性的影響，如圖12—圖16所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響混凝土抗凍性的因素有水灰比、單方水泥用量、含氣量和粉煤灰摻量，礦渣粉摻量對混凝土抗凍性影響不大?；炷量箖鲂噪S水灰比的增大、單方水泥用量的增加以及粉煤灰摻量的增加而變差。當(dāng)混凝土含氣量介于4.0% ～9.0%之間時，實(shí)驗(yàn)混凝土均具有良好的抗凍性能，表明含氣量是影響混凝土抗凍性的最重要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，當(dāng)混凝土中摻入粉煤灰或礦渣粉后，混凝土電通量減小，而混凝土抗凍性變差或無明顯變化，說明電通量所表征的混凝土滲透性和抗凍性之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖12 水灰比對混凝土抗凍性的影響

圖13 水泥用量對混凝土抗凍性的影響

圖14 含氣量對混凝土抗凍性的影響

圖15 粉煤灰對混凝土抗凍性的影響

圖16 礦渣粉對混凝土抗凍性的影響

4 硫酸鹽結(jié)晶侵蝕環(huán)境下混凝土耐久性研究

硫酸鹽結(jié)晶侵蝕環(huán)境下，以砂漿為研究對象，將砂漿試件在10%濃度下的Na2SO4溶液中干濕循環(huán)180次后的重量損失率作為砂漿抗硫酸鹽結(jié)晶侵蝕性能的評價依據(jù);研究了不同變化條件下砂漿的抗硫酸鹽結(jié)晶侵蝕性能，并對其影響因素進(jìn)行了分析，見圖17—圖22。

圖17 水灰比對砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

圖18 膠砂比對砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

圖19 粉煤灰摻量對砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

圖20 礦渣粉摻量對砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

圖21 摻合料雙摻對砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

圖22 摻合料雙摻對砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硫酸鹽結(jié)晶侵蝕環(huán)境下，砂漿試件的重量損失率隨水灰比的增大(0.35～0.55)而增大;隨膠砂比的減小(1∶1.5～1∶3.5)先增大再減小，當(dāng)膠砂比為1∶2.5時，重量損失率為最大值;砂漿中摻入粉煤灰后，砂漿試件的重量損失率隨粉煤灰摻量的增加(0～40%)先減小再增大，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時，砂漿的重量損失率最小;礦渣粉摻量對砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響規(guī)律與粉煤灰摻量的影響相似，即隨著礦渣粉摻量的增加(0～60%)，砂漿試件的重量損失率先減小再增加，當(dāng)?shù)V渣粉摻量為15%時，重量損失率為最小值。

從圖17—圖22強(qiáng)度與砂漿試件的重量損失率的變化規(guī)律以及圖23砂漿試驗(yàn)重量損失率與強(qiáng)度相關(guān)性分析可以看出，強(qiáng)度與砂漿試件的抗硫酸鹽結(jié)晶侵蝕性能具有良好的相關(guān)性，即強(qiáng)度越高，砂漿的抗硫酸鹽結(jié)晶侵蝕性能越好。

圖23 強(qiáng)度對砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

5 混凝土耐久性評價指標(biāo)的提出

根據(jù)以上研究成果，初步提出不同環(huán)境下混凝土耐久性能的評價指標(biāo)體系。氯鹽環(huán)境下，可選擇氯離子擴(kuò)散系數(shù)來評價混凝土耐久性;當(dāng)混凝土水膠比≤0.55時，也可選用56 d電通量來評價混凝土耐久性，但對于摻加粉煤灰的混凝土，應(yīng)降低電通量評價指標(biāo)數(shù)值。碳化環(huán)境下，選用強(qiáng)度和電通量作為混凝土耐久性能評價指標(biāo)，適用范圍為粉煤灰摻量≤20%的混凝土，但當(dāng)混凝土強(qiáng)度大于50 MPa時，可不考慮碳化對混凝土耐久性的影響。凍融環(huán)境下，混凝土耐久性能評價指標(biāo)選用含氣量和氣泡間距系數(shù)，鹽凍環(huán)境下增加混凝土的抗氯離子滲透性能指標(biāo)。硫酸鹽結(jié)晶侵蝕環(huán)境下，混凝土耐久性能評價指標(biāo)選用強(qiáng)度和電通量。

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