礦物摻和料對(duì)PC箱梁混凝土耐久性影響研究

劉 敬， 余 浩， 李北星

(1.湖北交投智能檢測(cè)股份有限公司，湖北 武漢 430050；2.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽材料工程研究中心，湖北 武漢 430063)

混凝土耐久性作為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工管控的一個(gè)重要組成部分，使得橋梁的安全性和使用性能成為一個(gè)具有時(shí)變性的概念。Metha[1]指出對(duì)現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)持續(xù)的修復(fù)和維修過程造成的結(jié)構(gòu)更新成本高達(dá)40%，這使得工程師越來越多關(guān)注混凝土的耐久性。在中國，有許多工程出現(xiàn)了較嚴(yán)重的耐久性問題，混凝土結(jié)構(gòu)壽命也遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]，骨料、礦物摻和料及外加劑等均對(duì)混凝土耐久性有較為明顯的影響[3-8]。因此，作者擬依托嘉魚長(zhǎng)江公路大橋北邊跨C55寬幅閉合PC箱梁，基于優(yōu)化后的配合比，對(duì)混凝土的耐久性展開試驗(yàn)研究。

1 配合比的選取

為實(shí)現(xiàn)PC箱梁混凝土高工作性、抗裂性和低收縮徐變的配制目標(biāo)，配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)遵循了低水泥用量、低用水量、骨料最大堆積密度、摻用緩凝型高性能減水劑與較大摻量礦物摻和料的原則，優(yōu)選出基準(zhǔn)配合比、粉煤灰單摻配合比及粉煤灰和礦粉復(fù)摻配合比3組C55 PC箱梁主體混凝土配合比，見表1。

表1 PC箱梁混凝土配合比Table 1 The mixing ratio of the PC box girder concrete

3種PC箱梁主體混凝土配合比的工作性良好，7 d抗壓強(qiáng)度介于53.5～63.3 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度介于70.3～74.9 MPa，均大于其配制強(qiáng)度。

為驗(yàn)證和比較3種配合比混凝土耐久性優(yōu)劣，作者擬對(duì)混凝土進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)、碳化試驗(yàn)、快速凍融試驗(yàn)及抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)。

2 抗氯離子滲透性能

依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50082-2016)》[9]中的電通量法，測(cè)定混凝土試件的6 h通電量，用于評(píng)價(jià)混凝土密實(shí)性。依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50082-2016)》中的RCM法，測(cè)定氯離子擴(kuò)散系數(shù)，評(píng)價(jià)其抗氯鹽侵蝕性。試件尺寸為φ100×50 mm，養(yǎng)護(hù)齡期分別為28和56 d。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，各試樣氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量均隨混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低。除基準(zhǔn)外，其他2種試樣的28 d電通量均小于1 000 C，符合耐久性設(shè)計(jì)要求，氯離子滲透性等級(jí)評(píng)價(jià)為“很低”。與基準(zhǔn)相比，單摻(粉煤灰)和復(fù)摻(粉煤灰和礦粉)的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量均明顯降低。表明：礦物摻和料的摻入提高了混凝土的抗氯離子滲透性能，且粉煤灰的改善效果優(yōu)于礦粉的。

表2 混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of chloride ion permeation resistance of the concrete

3 抗碳化性能

混凝土配合比試樣尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm，在CCB-70型碳化試驗(yàn)箱中養(yǎng)護(hù)7 d。經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)快速碳化試驗(yàn)后，其結(jié)果表明：試樣碳化深度均極小，近似為0 mm，具有優(yōu)良的抗碳化性能。表明：① 礦物摻和料與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次反應(yīng)降低了混凝土中堿的儲(chǔ)備量，會(huì)加速混凝土的碳化進(jìn)程；② 礦物摻和料的摻入改善了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和水泥漿體與集料的界面結(jié)構(gòu)，阻隔了大部分CO2進(jìn)入通道，改善了混凝土的抗碳化性能。

4 抗凍性能

混凝土抗凍等級(jí)(快速凍融法)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是：混凝土抗凍等級(jí)以相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至不低于60%或質(zhì)量損失率不超過5%時(shí)的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定。基于前期試驗(yàn)結(jié)果，粉煤灰對(duì)改善混凝土耐久性的影響略優(yōu)于礦粉的。因此，本研究在單摻(粉煤灰)配比基礎(chǔ)之上，保持膠材總量不變，對(duì)不同粉煤灰配比的混凝土進(jìn)行了快速凍融試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 混凝土抗凍融試驗(yàn)的結(jié)果Fig. 1 The results of the freeze-thaw resistance test for the concrete

從圖1中可以看出，快速凍融300次循環(huán)時(shí)，試件的相對(duì)彈性模量介于96%～98%，遠(yuǎn)大于60%；試件的質(zhì)量損失率均在0.54%～0.86%之間，遠(yuǎn)小于5%。這些試件的抗凍等級(jí)均超過F300, 抗凍性能良好。隨著粉煤灰摻量的增加，快速凍融300次循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸降低，質(zhì)量損失率逐漸增加，表明粉煤灰摻量并不是越大越好。

5 抗硫酸鹽侵蝕性能

為進(jìn)一步確定礦物摻和料摻量對(duì)混凝土耐久性的影響，采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50082-2016)》中的干濕循環(huán)—硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法，對(duì)不同單摻(25%粉煤灰)配比和復(fù)摻(20%粉煤灰和10%礦粉)配比的混凝土進(jìn)行了抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，如圖2所示。侵蝕條件為：5% Na2SO4溶液浸泡15 h+風(fēng)干1 h+80 ℃烘干6 h+冷卻2 h，每24 h為一次干濕循環(huán)。抗硫酸鹽侵蝕等級(jí)以混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)下降到不低于75%時(shí)的最大干濕循環(huán)次數(shù)來評(píng)定，計(jì)算公式為：

Kf=fcn/fc0。

(1)

式中：Kf為抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)；fcn為經(jīng)過n次干濕循環(huán)后受硫酸鹽侵蝕的混凝土試件抗壓強(qiáng)度；fc0為與受硫酸鹽侵蝕試件同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件抗壓強(qiáng)度。

從圖2中可以看出，混凝土強(qiáng)度演變過程分為侵蝕前期的強(qiáng)度增長(zhǎng)階段和后期的強(qiáng)度劣化階段。當(dāng)侵蝕次數(shù)為60次時(shí)，各組混凝土的強(qiáng)度耐蝕系數(shù)達(dá)到峰值。當(dāng)侵蝕次數(shù)大于90次后，其耐蝕系數(shù)逐步低于100%。相對(duì)動(dòng)彈性模量的發(fā)展趨勢(shì)也與混凝土的強(qiáng)度演變過程一致。表明：硫酸鹽侵蝕對(duì)混凝土的損傷表現(xiàn)為先致密后損傷。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)和相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化Fig. 2 The change of corrosion resistance coefficient and relative dynamic elastic modulus of compressive strength of the concrete

對(duì)比150次侵蝕循環(huán)后，4種配比混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕性能由大到小的順序?yàn)閺?fù)摻(20%粉煤灰和10%礦粉)、單摻(25%粉煤灰)、單摻(15%粉煤灰)和單摻(35%粉煤灰)，其抗硫酸鹽等級(jí)分別為：大于KS150級(jí)、等于KS150級(jí)、等于KS12級(jí)和等于KS120級(jí)。表明：① 25%粉煤灰混凝土比15%粉煤灰混凝土更利于改善其抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能。當(dāng)粉煤灰摻量為35%時(shí)，其損傷速率明顯加快，在一定程度上降低了混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，試驗(yàn)結(jié)果與分析相對(duì)應(yīng)；② 粉煤灰和礦粉復(fù)摻更利于提升混凝土的耐久性。

6 結(jié)論

1) 礦物摻和料能夠顯著提升混凝土各項(xiàng)耐久性指標(biāo)，且粉煤灰的改善效果略優(yōu)于礦粉的。

2) 粉煤灰對(duì)混凝土耐久性的影響具有雙面性：① 在一定范圍內(nèi)粉煤灰摻量的增加能夠提升混凝土耐久性；② 當(dāng)粉煤灰摻量超過一定范圍后，混凝土性能損傷速率加快，降低了混凝土的耐久性。

3) 粉煤灰與礦粉復(fù)摻對(duì)提高混凝土的耐久性更為有利。

本研究在探究礦物摻和料對(duì)混凝土耐久性影響的同時(shí)，通過各項(xiàng)試驗(yàn)深入研究了粉煤灰摻量對(duì)混凝土耐久性的影響，探索出在一定膠材用量下PC箱梁混凝土中粉煤灰摻量的合理性。由于試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，礦粉的合理摻量及粉煤灰和礦粉復(fù)摻的合理組成比例對(duì)混凝土耐久性的影響仍需進(jìn)一步研究。