海工混凝土抗氯離子滲透性的研究

趙瑞霞

（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，河南 鄭州 450064）

0 引言

本研究基于浙江某跨海大橋工程的墩身混凝土耐久性設(shè)計(jì)要求，通過對(duì)配合比中膠凝材料的不同組成和水膠比的調(diào)整，研究不同配合比下混凝土的抗氯離子滲透性，并確定影響混凝土氯離子滲透性的因素，提出海工混凝土配合比的設(shè)計(jì)思路。

該跨海大橋地處亞熱帶，四季分明，氣候溫和、濕潤(rùn)、多雨，橋長(zhǎng)11.8 km，全線采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。其海面寬闊，自然條件復(fù)雜，大橋所處環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕作用屬于極端嚴(yán)重程度。在這種環(huán)境下，海水腐蝕主要的危害是氯離子的侵蝕導(dǎo)致的鋼筋銹蝕。氯離子極易通過擴(kuò)散、滲透和吸附等不同作用穿過混凝土保護(hù)層，致使鋼筋截面減小、混凝土脹裂剝落，危及結(jié)構(gòu)的正常使用。因此，在該跨海大橋的建設(shè)中，考慮結(jié)構(gòu)使用環(huán)境的侵蝕特性，除施工中采用了模板布提高墩身表面混凝土的密實(shí)性和抗?jié)B性外，設(shè)計(jì)對(duì)海工混凝土耐久性提出了較高要求，并強(qiáng)化與耐久性有關(guān)的技術(shù)措施，以保證混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

影響混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子滲透性[1-6]的因素主要包括以下4個(gè)方面：混凝土材料的自身特性、混凝土的施工質(zhì)量、混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境、混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)措施。

本研究針對(duì)該大橋所處環(huán)境要求的耐久性，設(shè)計(jì)不同的混凝土配合比，復(fù)摻粉煤灰和礦粉，通過改變混凝土組成材料的比例，采用RCM法測(cè)試氯離子遷移系數(shù)，找出組成材料不同配比對(duì)氯離子遷移系數(shù)以及強(qiáng)度的影響，為抗氯離子滲透混凝土配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)，以滿足海工混凝土的耐久性要求。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：P·Ⅱ42.5水泥，寧波科環(huán)新型建材股份有限公司生產(chǎn)，28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為51.7、8.5 MPa，體積安定性合格。

（2）粉煤灰：F類Ⅱ級(jí)，寧海國(guó)華電廠生產(chǎn)，細(xì)度22.6%，燒失量2.74%，需水量比92%，氯離子含量0.01%。

（3）礦粉：S95級(jí)，江蘇沙鋼，7d、28d活性指數(shù)分別為87%、105%，比表面積423 m2/kg，表觀密度2.92 g/cm3。

（4）粗集料：5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，寧海創(chuàng)建建材生產(chǎn)，含泥量0.3%，針片狀顆粒含量7.8%，表觀密度2640 kg/m3。

（5）細(xì)集料：河砂，Ⅱ區(qū)中砂，廣東珠江產(chǎn)，細(xì)度模數(shù)2.61，含泥量0.8%，表觀密度2630 kg/m3。

（6）減水劑：聚羧酸系緩凝型高性能減水劑，華偉銀凱生產(chǎn)，減水率28.8%，含氣量2.7%。

（7）水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方案

本項(xiàng)目墩身設(shè)計(jì)為C40混凝土，環(huán)境類別為Ⅲ類，作用等級(jí)為C，設(shè)計(jì)使用年限100年。結(jié)合規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)施工條件和施工工藝，室內(nèi)設(shè)計(jì)坍落度為170～210 mm，28 d抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)試配要求，84 d氯離子滲透系數(shù)≤2.0×10-12m2/s。由于施工工期要求，本試驗(yàn)以28 d氯離子滲透系數(shù)為控制研究齡期，要求28 d氯離子滲透系數(shù)≤3.0×10-12m2/s，84 d對(duì)照復(fù)核確認(rèn)。

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4組共19個(gè)混凝土配合比，分別研究了水膠比、粉煤灰摻量、礦粉摻量和摻合料總摻量對(duì)海工混凝土氯離子遷移系數(shù)的影響。

1.3 測(cè)試方法

混凝土抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，試件尺寸為150mm×150mm×150 mm，測(cè)試齡期為28 d。

氯離子遷移系數(shù)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快速氯離子遷移系數(shù)法（又稱RCM法），制作150mm×150mm×150 mm的試塊并加工成Φ100 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 水膠比對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響

保持膠凝材料比例不變（70%水泥+15%粉煤灰+15%礦粉），水膠比（W/B）對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響見表1。

表1 水膠比對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響

由表1可以看出：隨著水膠比的增加，氯離子遷移系數(shù)逐漸增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。水膠比與氯離子遷移系數(shù)有較好的線性負(fù)相關(guān)作用，即水膠比越低，混凝土的抗氯離子侵蝕耐久性就越好；抗壓強(qiáng)度與氯離子遷移系數(shù)正向線性相關(guān)性比較明顯，因此提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有利于降低氯離子滲透系數(shù)。

由于混凝土在凝結(jié)硬化過程中，除用于水化反應(yīng)之外多余的水分要散失，蒸發(fā)散失過程中會(huì)留下毛細(xì)孔，多余的水分越多，就意味著留下更多的毛細(xì)孔，這些毛細(xì)孔的存在會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降、密實(shí)度下降，對(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散更為有利。

2.2 粉煤灰摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響分析

保持水膠比為0.33、膠凝材料總量為440 kg/m3、礦粉摻量為15%不變，粉煤灰摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響見表2。

表2 粉煤灰摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響

由表2可以看出，當(dāng)粉煤灰摻量在0～25%時(shí)，隨著粉煤灰摻量增加，氯離子遷移系數(shù)逐漸減??；當(dāng)粉煤灰摻量超過25%后，氯離子遷移系數(shù)出現(xiàn)了較大幅度的提高。所以粉煤灰摻量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，建議摻量為15%～25%。

分析原因：粉煤灰的摻入對(duì)混凝土中孔徑通道起到填充的作用，微活性的二次水化結(jié)晶發(fā)展阻隔了孔道的連通，從而阻礙氯離子的滲透途徑，但當(dāng)粉煤灰摻量過多時(shí)，混凝土中相對(duì)有效的水化成分減少，影響了混凝土的前期強(qiáng)度，密實(shí)度降低，致使其抵抗氯離子滲透的能力降低。

2.3 礦粉摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響

保持水膠比為0.33、膠凝材料總量為440 kg/m3、粉煤灰摻量為15%不變，礦粉摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響見表3。

表3 礦粉摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響

由表3可以看出，當(dāng)?shù)V粉摻量為0～41%時(shí)，隨著礦粉摻量的增加，氯離子遷移系數(shù)逐漸減?。划?dāng)?shù)V粉摻量為50%時(shí)，氯離子遷移系數(shù)稍有增大，但仍低于基準(zhǔn)試樣；礦粉的摻加對(duì)抗氯離子滲透有相當(dāng)大的正面影響。

其原因可能是礦粉本身顆粒粒徑比較小，活性高，可以有效填充混凝土中的毛細(xì)孔隙，同時(shí)其本身在堿性環(huán)境下所具有的活性發(fā)生二次水化，使得混凝土的密實(shí)度得到增強(qiáng)，氯離子在混凝土不能形成連續(xù)的擴(kuò)散通道，從而起到了阻礙氯離子滲透的作用。但是當(dāng)?shù)V粉摻量過大時(shí)，水泥用量變少，早期強(qiáng)度下降，且水化熱過大，易出現(xiàn)微裂紋，導(dǎo)致氯離子更容易進(jìn)入。礦粉摻量太多也會(huì)使得外加劑粘度太大，所以在實(shí)際工程中應(yīng)結(jié)合混凝土配合比的齡期強(qiáng)度、和易性以及經(jīng)濟(jì)性等要求選擇適宜摻量。

結(jié)合表3還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)V粉摻量在合適的區(qū)間時(shí)，礦粉的摻入對(duì)氯離子遷移系數(shù)降低作用比粉煤灰大。

2.4 摻合料總摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響

保持水膠比為0.33、膠凝材料總量為440 kg/m3、粉煤灰和礦粉質(zhì)量比為1∶1不變，摻合料總摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響見表4。

表4 摻合料總摻量對(duì)氯離子遷移系數(shù)的影響

由表4可知，隨著摻合料總摻量的增加，氯離子遷移系數(shù)先減小后增大，當(dāng)摻合料總摻量在30%～50%時(shí)氯離子遷移系數(shù)較低。

3 墩身配合比選定

基于以上研究結(jié)果、經(jīng)濟(jì)性（礦粉成本較高）和施工要求，選定了該項(xiàng)目C40墩身混凝土施工的理論配合比見表5，性能指標(biāo)見表6。

表5 墩身配合比 kg/m3

表6 墩身混凝土的性能指標(biāo)

4 結(jié)論

（1）采用高性能聚羧酸減水劑，降低混凝土水膠比，提高混凝土抗壓強(qiáng)度，有利于減小氯離子遷移系數(shù)，提高抗氯離子滲透性能。

（2）在配比設(shè)計(jì)時(shí)，粉煤灰和礦粉宜雙摻，并宜適當(dāng)降低水膠比，摻合料總摻量宜為30%～50%。

（3）礦渣粉對(duì)混凝土抗氯離子滲透有較好的提高作用，隨著其摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸提高，氯離子遷移系數(shù)逐漸減小，建議摻量為15%～40%；粉煤灰對(duì)抗氯離子滲透有一定的作用，但摻量不宜過大，粉煤灰建議摻量為15%～25%。

（4）最終確定C40墩身混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（礦粉）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（減水劑）∶m（水）=219∶110∶110∶760∶1045∶4.39∶136，測(cè)得混凝土坍落度為 195 mm，28 d抗壓強(qiáng)度66.4 MPa，84 d氯離子遷移系數(shù)為0.99×10-12m2/s，符合設(shè)計(jì)要求。