基于水利工程高性能混凝土的耐久性試驗(yàn)研究

唐付磊

(遼寧省白石水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽 122000)

實(shí)踐表明，暴露于腐蝕環(huán)境中是引起混凝土材料性能劣化的重要原因，而硫酸根離子和氯離子是腐蝕環(huán)境中的主要化學(xué)腐蝕介質(zhì)，對(duì)混凝土耐久性的影響最為顯著?；瘜W(xué)介質(zhì)環(huán)境中混凝土的強(qiáng)度殘余和損傷機(jī)理逐漸引起結(jié)構(gòu)、材料等領(lǐng)域內(nèi)專家的高度重視，如湯志杰等[1]從概率特征的角度探究了結(jié)構(gòu)耐久性壽命，并對(duì)某電站安全構(gòu)筑物利用可靠性指標(biāo)預(yù)測(cè)其服役年限；劉宗民等[2]運(yùn)用COMSOL數(shù)值模擬軟件分析了混凝土內(nèi)部氯離子的輸移過程；姜慧等[3]提出混凝土滲透性越好、結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平越高則氯離子侵入難度越大；趙蕊等[4]利用COMSOL模擬分析氯離子傳輸受外界環(huán)境、混凝土材料的影響特征，并以試驗(yàn)加以驗(yàn)證；鄒斌等[5]提出長(zhǎng)期剪應(yīng)力作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性加載方式；曹鵬飛等[6]歸納總結(jié)了混凝土耐久性提升有關(guān)對(duì)策，旨在推動(dòng)水利事業(yè)可持續(xù)建設(shè)發(fā)展；劉世等[7]認(rèn)為自燃煤矸石混凝土水分傳輸能力受酸性腐蝕環(huán)境的影響顯著，pH值越小則混凝土吸水指標(biāo)的增加幅度越大；孟春陽等[8]提出RWGC的抗碳化性能會(huì)隨石灰粉替代水泥量的增加而減?。混兜旅赖萚9]將氯離子對(duì)流-擴(kuò)散、水分?jǐn)U散方程利用高分辨率Crank-Nicolson格式進(jìn)行了差分；孫小巍等[10]認(rèn)為約束狀態(tài)下不同部位的統(tǒng)一配合比混凝土，其抗氯離子滲透性存在明顯差異。

以上研究學(xué)者大多采用理論計(jì)算、仿真模擬等方式分析混凝土中氯離子的輸移規(guī)律，為提高混凝土耐久性有學(xué)者研究了材料的配合比設(shè)計(jì)，如劉金華等[11]借助DOE混料設(shè)計(jì)方法和骨料最緊密堆積原理，設(shè)計(jì)了高性能混凝土最優(yōu)配合比；天留寶等[12]經(jīng)試驗(yàn)研究提出水膠比0.42、單位用水量170kg/m3為混凝土最佳配合比；喬宏霞等[13]以石灰石粉摻量及3種不同水膠比為變量，室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M了3種侵蝕環(huán)境下的混凝土耐久性；焦運(yùn)攀等[14]全面分析了凝膠材料的組成及其用量、水膠比，并提出最優(yōu)配合比。鑒于此，文章以礦物摻合料和水膠比為變量，從抗水滲透性、抗碳化性和抗氯離子侵蝕的角度探討了水利工程高性能混凝土的耐久性。

1 試驗(yàn)配合比

選用X組石灰石粉單摻、Y組礦渣與石灰石粉復(fù)摻兩組膠凝材料體系，固定水膠比0.33改變Z組石灰石粉摻量，從抗水滲透性、抗碳化性和抗氯離子侵蝕的角度探討對(duì)混凝土性能的影響，混凝土試驗(yàn)配合比，見表1。

表1 混凝土試驗(yàn)配合比

2 高性能混凝土的耐久性

2.1 氯離子擴(kuò)散性

采用試驗(yàn)配合比配制直徑10cm×高5cm的混凝土試件，向氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀槽內(nèi)注入蒸餾水配制的NaCl溶液。試驗(yàn)過程中考慮到初始電流I0不超過10mA，故將試驗(yàn)時(shí)間全部設(shè)定為96h，連接裝置并通電加速氯離子侵蝕，試驗(yàn)后取出試件用預(yù)先配置的AgNO3溶液滴定，然后用游標(biāo)卡尺測(cè)定氯離子的侵蝕深度(即白色沉淀厚度)，混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)按照規(guī)范推薦的公式計(jì)算確定?；炷谅入x子擴(kuò)散系數(shù)，見表2。

表2 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

試驗(yàn)表明，混凝土試件的水膠比為0.33時(shí)，其28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)均符合《防腐規(guī)范》規(guī)定的不超過4×10-12m2/s要求。各試件28d強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)存在一定關(guān)聯(lián)，如雙摻8%礦渣+20%石灰石粉、水膠比0.33的Y2組擴(kuò)散系數(shù)最小為1.0，其28d強(qiáng)度也最高。

2.2 抗碳化性

混凝土碳化是指水工構(gòu)筑物長(zhǎng)期與大氣接觸，其內(nèi)部孔隙滲入大氣中的CO2，溶解于水分后與凝膠材料發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生鈣礬石等物質(zhì)，并使得混凝土強(qiáng)度明顯下降。此外，混凝土內(nèi)部孔隙溶液pH值不斷減小，鋼筋表面的鈍化膜逐漸腐蝕，并進(jìn)一步導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹，混凝土逐漸剝離開裂，結(jié)構(gòu)耐久性受到嚴(yán)重影響[15]?？固蓟囼?yàn)所用試件為立方體，其尺寸大小10cm×10cm×10cm，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開展抗碳化試驗(yàn)，混凝土碳化深度，見圖1。從圖1可以看出，混凝土碳化深度隨碳化試件的增長(zhǎng)逐漸增加，各試件28d后碳化深度均≤10mm，由此表明該試驗(yàn)配合比具有較好的抗碳化性能。

圖1 混凝土碳化深度

2.3 抗水滲透性

一般地，硫酸根離子、氯離子等侵蝕介質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部都需要以水作為載體，各試件抗水滲透性測(cè)試按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開展抗水滲透性試驗(yàn)。此外，為進(jìn)一步對(duì)比不同配合比的混凝土抗?jié)B性能，借鑒滲水高度法逐級(jí)加壓至設(shè)定值，加壓結(jié)束后劈開試件并測(cè)量平均滲水深度?；炷量?jié)B性能，見表3。

表3 混凝土抗?jié)B性能

從表3可以看出，混凝土試件良好養(yǎng)護(hù)時(shí)材料的抗水滲透能力較好，各試件符合P12的設(shè)計(jì)要求，混凝土滲水高度隨強(qiáng)度的提高而略有降低。

3 結(jié) 論

1)混凝土試件的水膠比為0.33時(shí)，其28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)均符合《防腐規(guī)范》規(guī)定的≤4×10-12m2/s要求?；炷猎嚰?8d強(qiáng)度與氯離子擴(kuò)散系數(shù)存在一定關(guān)聯(lián)，如雙摻8%礦渣+20%石灰石粉、水膠比0.33的擴(kuò)散系數(shù)最小為1.0，其28d強(qiáng)度也最高。

2)混凝土碳化深度隨碳化試件的增長(zhǎng)逐漸增加，各試件28d后碳化深度均≤10mm，該試驗(yàn)配合比具有較好的抗碳化性能，符合規(guī)范規(guī)定的抗碳化性能要求。

3)混凝土試件良好養(yǎng)護(hù)時(shí)材料的抗水滲透能力較好，各試件符合P12的設(shè)計(jì)要求，混凝土滲水高度隨強(qiáng)度的提高而略有降低。