高性能混凝土氯離子、堿含量控制及抗裂技術(shù)措施研究

張晶元

（中交三航局第三工程有限公司,江蘇 南京 210011）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)在服役過程中常常因氯離子和堿集料反應(yīng)的發(fā)生而對混凝土的耐久性產(chǎn)生重要影響。氯離子滲透會導致鋼筋銹蝕，而堿集料反應(yīng)則可能引起混凝土的開裂和體積變化。因此，在進行混凝土配合比設(shè)計時應(yīng)控制氯離子和堿含量，在混凝土的施工過程中應(yīng)采取相應(yīng)的抗裂技術(shù)措施以提高混凝土的抗裂性能。

1 混凝土腐蝕機理與改善措施

混凝土耐久性的影響因素較多，該文在研究以往文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合混凝土耐久性的特點，總結(jié)出材料、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件三個方面。由于目前對混凝土耐久性的研究都是基于無荷載的前提下進行的，因此，所得出來的結(jié)論與實際工程中的情況有較大的差別。針對混凝土耐久性的影響因素，該文重點分析和探討混凝土碳化、鋼筋銹蝕和堿骨料反應(yīng)。

1.1 腐蝕機理

（1）碳化：混凝土中水泥水化的產(chǎn)物主要包括氫氧化鈣和C-S-H凝膠等。混凝土強度形成之后，在混凝土結(jié)構(gòu)后續(xù)服役過程中，空氣中的二氧化碳，尤其在高溫、高濕的環(huán)境下，會進入混凝土內(nèi)部，與混凝土中氫氧化鈣反應(yīng)生成碳酸鹽，使得混凝土中游離鈣離子含量減少，并且形成了新的固體產(chǎn)物——碳酸鈣（CaCO3）。碳酸鈣的形成會導致混凝土表面和內(nèi)部的pH值降低，從而破壞了混凝土的堿性環(huán)境，改變了混凝土的原有物質(zhì)結(jié)構(gòu)，導致混凝土強度的下降。

（2）鋼筋銹蝕：在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于各種原因（如荷載、溫度變化等），混凝土會發(fā)生收縮和膨脹，從而導致裂縫的形成，這些裂縫使得氧氣和水進入混凝土內(nèi)部，導致鋼筋暴露在潮濕的環(huán)境中，并發(fā)生氧化反應(yīng)，引起鋼筋的銹蝕。當鋼筋銹蝕時，銹層會不斷向里擴展并剝落，導致鋼筋抗拉強度的下降，在外部荷載下，混凝土結(jié)構(gòu)容易發(fā)生脆性破壞[1]。從鋼筋銹蝕機理來看，鋼筋銹蝕通常是由于氯離子的侵入導致。在混凝土中，當含有鹽類或氯化物的水滲透到混凝土中時，氯離子可以通過滲透作用累積在鋼筋周圍。當氯離子濃度超過了鋼筋表面鈍化膜所能承受的臨界濃度時，電化學腐蝕就會發(fā)生。正常情況下，鋼筋表面會形成一層薄而致密的鈍化膜，該膜能夠防止鋼筋與周圍環(huán)境發(fā)生電化學反應(yīng)。然而，氯離子的存在破壞了這層鈍化膜，從而使鋼筋暴露在電化學腐蝕的環(huán)境中。

（3）堿集料反應(yīng)：堿集料反應(yīng)主要有硅酸鹽反應(yīng)和碳酸鹽反應(yīng)兩種形式。硅酸鹽反應(yīng)主要包括三個反應(yīng)階段。一是液相反應(yīng)階段，堿性物質(zhì)溶解在混凝土中的孔隙水中，并與硅酸鹽礦物表面的氫氧根離子（OH-）反應(yīng)生成陽離子交換產(chǎn)物（如Na+、K+）[2]；二是凝膠階段，交換產(chǎn)物會與硅酸鹽骨料中的硅酸鋁鈣骨架發(fā)生反應(yīng)，形成膠凝物質(zhì)（主要是碳酸鈣膠凝物和堿金屬硅酸鹽膠凝物）；三是膨脹階段，膠凝物質(zhì)在水的作用下膨脹，導致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，最終引起開裂、變形和性能下降。

碳酸鹽反應(yīng)：碳酸鹽反應(yīng)是一種相對較慢的反應(yīng)，涉及混凝土中的碳酸鹽礦物（如方解石、菱鎂礦等）與堿性物質(zhì)之間的反應(yīng)。堿性物質(zhì)溶解在孔隙水中，鈉離子（Na+）和鉀離子（K+）會與碳酸鹽礦物表面的鈣離子（Ca2+）發(fā)生陽離子交換，交換后的鈉離子和鉀離子與碳酸鹽礦物中的CO32-等離子反應(yīng)，產(chǎn)生新的化合物如碳酸鈉和碳酸鉀。新生成的化合物會吸濕并擴大體積，導致微觀孔隙的擴大和混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，最終影響混凝土的強度和耐久性[3]。

1.2 混凝土耐久性改善措施

（1）采用低堿水泥、骨料等原材料和通過控制水膠比的方法配制高性能混凝土，提高混凝土的密實性，增強混凝土的抗裂性能。

（2）優(yōu)化施工工藝，在混凝土澆筑后及時進行養(yǎng)護，并提供適宜的濕度、溫度等養(yǎng)護條件[4]。養(yǎng)護期間，通過覆蓋保濕、噴霧養(yǎng)護或使用養(yǎng)護劑等方式，保持混凝土表面的濕潤狀態(tài)，促進水泥水化反應(yīng)和強度發(fā)展，減少早期裂縫的產(chǎn)生。

2 高性能混凝土試驗配合比

2.1 堿集料反應(yīng)的預防措施

（1）通過限制原材料中堿含量來降低堿集料反應(yīng)發(fā)生的概率。首先選用低堿度水泥，使水泥中堿含量控制在0.6%以下[5]。然后，選用低堿含量的外加劑。其次，選擇自然骨料或經(jīng)過處理去除氯鹽的骨料，對于水源，可以使用清潔的淡水。最后，摻加粉煤灰、礦渣粉等活性摻和料。這些摻和料中的硅酸鹽和鋁酸鹽化合物能與自由氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，形成水化產(chǎn)物，從而消耗掉自由氫氧化鈣，降低其堿性，進而抑制堿集料反應(yīng)的發(fā)生。

（2）混凝土中的堿（通常來自水泥中的堿性成分，如氫氧化鈉、氫氧化鉀等）與活性SiO2（存在于某些骨料中，如含水化硅巖的骨料）發(fā)生反應(yīng)，形成堿－硅酸膠凝物質(zhì)。堿－硅酸反應(yīng)會導致膠凝物體積膨脹，使得混凝土的開裂和損壞。因此，為避免堿—硅酸反應(yīng)，一種常用的方法是限制使用膨脹值ε≥0.10%的活性骨料。

2.2 原材料檢測

原材料中Cl-和堿含量的檢測結(jié)果見表1，粗細骨料堿活性檢測結(jié)果見表2。

表1 原材料中氯離子和堿含量檢測結(jié)果

表2 粗細骨料堿活性檢測結(jié)果

2.3 配合比選定情況

根據(jù)規(guī)范計算和配合比試拌調(diào)整，初步選定配合比見表3。

表3 高性能混凝土C50配合比

2.4 高性能混凝土性能評價

2.4.1 初選配合比拌和物性能

初選混凝土配合比后，從高性能混凝土技術(shù)特點出發(fā)，結(jié)合混凝土抗壓強度、坍落度、含氣量、凝結(jié)時間的檢測結(jié)果，初步選定配合比拌和物性能見表4。

表4 高性能混凝土C50拌和物性能結(jié)果

2.4.2 抗氯離子滲透性能研究

該文采用歐盟的快速氯離子遷移法（RCM）對三個初選配合比中混凝土的氯離子擴散系數(shù)進行了測試，如圖1所示對混凝土的抗氯離子滲透性能進行評價。

圖1 不同基準配合比下的抗氯離子滲透性

從試驗結(jié)果可以看出，氯離子擴散系數(shù)的大小順序為A3＞A2＞A1，表明水泥用量增大到一定程度后，氯離子的抗?jié)B透性能會有所降低。此外，粉煤灰摻入混凝土時，能與水泥中的水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成更多的膠凝材料以填充混凝土內(nèi)部的孔隙，增加混凝土的致密性，從而降低了氯離子的滲透性能。從試驗結(jié)果可以看出，編號A1配置的混凝土的抗氯離子滲透性能更好。

2.4.3 抗水滲透性能

根據(jù)初選的3個配合比中各材料的比例成型混凝土試件，每組制作6個試件，根據(jù)GB /T 50082—2009中的逐級加壓法進行加壓，檢測結(jié)果見表5所示。

表5 混凝土的抗?jié)B性能檢測結(jié)果

根據(jù)表5可知，編號A1和A3的抗?jié)B強度都達到了1.4 MPa，A2的抗?jié)B強度達到了1.3 MPa，均能滿足P12的設(shè)計要求。

2.5 混凝土配合比的確定

綜合初選配合比中拌和物工作性能、抗氯離子滲透性和抗水滲透性能檢測結(jié)果，本著經(jīng)濟、優(yōu)選的原則，將A1確定為理論配合比，即水泥∶粉煤灰∶河沙∶5~10 mm碎石∶10~25 mm碎石∶減水劑∶水=465∶35∶680∶222∶888∶6∶160。

2.6 混凝土中氯離子與堿含量控制結(jié)果

（1）混凝土總堿含量計算。對理論配合比中混凝土總堿含量進行計算，計算結(jié)果見表6。

表6 混凝土總堿含量計算結(jié)果

（2）混凝土氯離子總含量計算。配合比混凝土中氯離子總含量見表7。

表7 混凝土中氯離子總含量計算

3 工程應(yīng)用

該文依托于京秦高速項目遵秦段，最終確定將C50高性能混凝土配合比應(yīng)用于預制箱梁、現(xiàn)澆梁和護欄等工程部位，按照選定的配合比進行拌和、攤鋪、振搗以及抹平工作。

3.1 裂縫的特點

在護欄澆筑完成后的一段時間內(nèi)，表面出現(xiàn)了部分裂縫，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，裂縫具有如下特點：①去年施工的護欄裂紋有增多的趨勢（有的澆筑期已超半年）；②尚未有通車擾動的橋梁護欄也有裂紋增多現(xiàn)象；③裂紋大多是先從頂部倒角位置開裂，再逐漸向下延伸；④裂紋密度較高，部分地方每隔40~50 cm出現(xiàn)一道裂縫。

3.2 裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土施工工藝不規(guī)范，如振搗不規(guī)范、養(yǎng)護不及時等，此外護欄上真縫間距較長，導致混凝土產(chǎn)生的溫度應(yīng)力無法得到有效釋放。

3.3 抗裂技術(shù)措施

（1）選擇潔凈且彈性模量大的骨料，同時控制好混凝土中骨料的最大粒徑，對于澆筑墻式護欄的混凝土，骨料最大粒徑不宜超過2.5 cm。

（2）集料的級配也決定了混凝土的強度和施工和易性，在進行集料級配設(shè)計時，應(yīng)以骨料堆積密度達到最大值為前提，盡可能減小混凝土的內(nèi)部孔隙，從而使得水泥水化時產(chǎn)生的收縮應(yīng)力分布較均勻。

（3）施工過程中應(yīng)采用高頻振搗器進行振搗，初凝前1~2 h刮去表面浮漿，及時用木抹收面，臨近終凝時，再用鐵抹抹面收光處理，封閉混凝土表層微縮裂縫。

3.4 抗裂效果評價

為了檢測抗裂效果，在后續(xù)澆筑混凝土的過程中，現(xiàn)場布置了4個測溫點，通過“內(nèi)散外蓄”養(yǎng)護方式使混凝土內(nèi)外溫差ΔT(n)＜20 ℃。

（1）實測溫升對比分析。通過對表層溫度與中心溫度的實測對比分析，對比曲線見圖2所示，從圖中可以看出，剛開始時混凝土水泥水化熱導致表層與中心實測溫度相差較大，隨著養(yǎng)護時間的延長，實測溫度與理論溫度相差小于20 ℃，表明養(yǎng)護措施有效。

圖2 溫升曲線

（2）抗裂效果評價。通過對后續(xù)混凝土表觀質(zhì)量的檢查與驗收，混凝土表面裂縫數(shù)量減少，證明通過控制施工過程中的振搗和養(yǎng)護可以較好地控制混凝土的裂縫產(chǎn)生。

4 結(jié)論

（1）通過優(yōu)化配合比、加大對原材料氯離子和堿含量的檢測等措施，可以有效控制氯離子的滲透，降低鋼筋銹蝕風險。同時，采用低堿度水泥、優(yōu)化骨料選擇和添加抑制劑等措施，可以降低堿—骨料反應(yīng)發(fā)生的概率。

（2）混凝土配置過程中應(yīng)控制好骨料的最大粒徑，施工過程中應(yīng)加強振搗和養(yǎng)護，提高混凝土的抗開裂性能。