西北寒旱地區混凝土抗氯離子滲透性能影響因素

張 斌

(甘肅省遠大路業集團有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

G7高速公路甘肅段地處寒旱鹽漬土地區，地質條件復雜，富含氯鹽等腐蝕介質，同時沿線面臨干燥、寒冷、高風速、大蒸發量、大溫差的嚴酷氣候條件，大氣的溫度過低造成了淺表層地溫下降[1]，橋涵構造物混凝土結構的化學腐蝕、凍融破壞等均相對嚴重，水泥混凝土構件的耐久性得不到保證，工程使用壽命變短，水泥混凝土性能受到嚴重影響[2]。通常來講，混凝土的耐久性可由它的滲透性來表征[3-4]，混凝土的滲透性反映了在壓力、化學勢的作用下混凝土抵抗外部侵蝕性介質入侵的能力，是影響混凝土耐久性最重要的因素[5-6]。對處于凍融環境與富含氯鹽環境中的混凝土，其抗氯離子滲透性能非常重要[7-8]，混凝土氯離子滲透性可由氯離子的滲透試驗進行評價[9-11]。

近年來，青海、甘肅、新疆等省份針對各自寒旱環境下鹽漬土地區混凝土的耐久性進行了大量的研究與技術攻關，并取得了一定的研究成果。如余紅發[12]在研究鹽湖地區高性能混凝土的耐久性、機理與使用壽命預測時，提出高強度的非引氣高性能混凝土同時具有抗鹵水凍蝕、抗鹵水腐蝕和長壽命的特性。王復生、秦曉娟[13]等通過混凝土長期浸泡試驗和浸烘循環快速試驗，發現含10%微硅粉、水泥用量大于400 kg/m3的混凝土，具有高強度、高致密度和抗氯鹽結晶物理侵蝕的能力。張漢文[14]提出在鹽湖地區，低水灰比(0.40以下)的低鈣高鋁水泥(CaO含量30%～32%，Al2O3含量50%～58%)混凝土是具有足夠耐腐蝕性能的材料。蔣衛東、陳嘯[15]等研發了適用于西北鹽漬地區特殊地質水文環境下的雙摻粉煤灰和高效減水劑的耐腐蝕混凝土，同時提出在鹽漬地區可優先選擇粉煤灰摻量為40%的雙摻混凝土，以提高工程項目的耐久性。

論文利用工程項目實際采用的原材料，模擬研究了G7高速公路甘肅段內橋涵結構混凝土的使用性能，以不同水膠比、不同摻合物及不同養護方式下的水泥混凝土為研究對象，分析不同摻合物、水膠比、養護方法對寒旱地區混凝土抗氯離子滲透性能的影響，為寒旱地區工程建設中水泥混凝土配合比設計、摻合料的選擇、施工、養護等提供理論依據，為在建、已建的混凝土工程減少氯鹽侵蝕提供技術支持，以保障公路、鐵路橋梁和隧道等結構運營的安全。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

1.1.1膠凝材料

水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥技術指標如表1所示。粉煤灰采用甘肅某公司生產的I級粉煤灰，需水量比為94，燒失量為2.5%，含水量為0.7%。礦粉采用某公司生產的S95級礦粉，密度為2.86 g/cm3，比表面積為432 m2/kg，7 d活性指數為80%，28 d活性指數為97%。

1.1.2粗、細集料

粗集料為硅質碎石，表觀密度為2 670 kg/m3，粒徑為5～20 mm，級配合格。細集料為天然砂，II區中砂，表觀密度為2 600 kg/m3，級配合格。

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥技術指標

1.1.3外加劑

減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%，引氣劑產自陜西某精細化工有限責任公司，抗裂致密劑為自主研制的由多種有機和無機材料復合而成的復合外加劑。

1.1.4養護材料

保濕膜為普通的聚氯乙烯塑料，厚度約為0.3 mm 的專用混凝土養護膜。

1.2 試驗配合比

為了更好地模擬G7高速公路甘肅段內橋臺、梁體、樁基混凝土的使用性能，試驗確定了0.30，0.34，0.38共3組水膠比方案。其中水膠比為0.30的混凝土，下稱L型混凝土，因為水膠比小，強度較高，可代表梁體混凝土；水膠比為0.34的混凝土，下稱D型混凝土，代表橋臺、墩臺混凝土；水膠比為0.38的混凝土，下稱Z型混凝土，代表樁基混凝土。混凝土配合比見表2。

表2 混凝土配合比與摻合料的添加量

1.3 混凝土抗氯離子滲透性試驗

采用表1.2中的12種配合比，每種配合比制備2組150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試件，每組制備8個混凝土試件(2個為備用試件)。將兩組試件中的其中一組標準養護至28 d，另一組標準養護至56 d。每組試件養護結束后，利用鉆孔取樣機以及土石切割機，將試件切割成φ100 mm×150 mm的圓柱體，如圖1、圖2所示。混凝土抗氯離子滲透性的試驗采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)中直流電量法[16]，測試儀器為電通量測定儀，如圖3所示。通過氯離子直流電通量法測定試驗試樣6 h電通量，計算出電通量平均值，以此評價混凝土抗氯離子的滲透性能[17]，如圖4所示。

圖1 混凝土鉆心取樣圖Fig.1 Concrete core samples

圖2 混凝土抗氯離子滲透性試件Fig.2 Concrete samples for chloride ion permeability resistance test

圖3 混凝土電通量測試儀Fig.3 Concrete electric flux tester

圖4 混凝土電通量測試試驗Fig.4 Test for measuring concrete electric flux

1.4 養護方法

G7高速公路甘肅段地處我國西北地區，晝夜溫差大，尤其在春、秋兩季還經常會出現晝夜正負變溫情況[18]。為了探索養護條件對嚴酷氣候條件下混凝土抗氯離子滲透性能的影響，優化寒旱地區混凝土養護方式，完善現場養護理論，混凝土試件的養護擬采用標準養護(記為BY)、保濕養護(記為CT)和保溫保濕養護(記為WS)3種養護方式。

選取3種混凝土的優化配合比試件(YC)在標準成型室成型后，1 d后拆模，分別進行3種方式養護，養護的相對濕度均為50%，養護溫度分別為20 ℃、-5～15 ℃和-10～20 ℃，將混凝土試件養護至56 d齡期時測定其電通量。

2 結果與分析

2.1 不同摻合料對抗氯離子滲透性能的影響

圖5反映了不同比例的摻合料對各類混凝土電通量的影響，由圖可以得到，不論哪種類型的混凝土，其對應的基準混凝土(JC)在28 d與56 d的電通量均高于其他類型的混凝土，這是由于基準混凝土僅采用水泥作為膠凝材料，砂漿之間的空隙只能依靠單一的水泥顆粒來填充，因其填充能力一般，使得混凝土的密實性變差，混凝土內部孔隙變多，抗滲性變差，而且隨著水膠比的增大其電通量有明顯增大的趨勢。

圖5 摻合料對混凝土電通量影響Fig.5 Influences of admixtures on electric flux of concrete

摻以粉煤灰為主(FC)和以礦粉為主(KC)的礦物摻合料的混凝土電通量較之基準混凝土有明顯的降低，這是由于在水泥的基礎上添加了一種細顆粒尺寸材料，使得砂漿之間的空隙靠兩種顆粒來填充，更好地發揮顆粒的填充效應，使得混凝土密實度提高，電通量降低。對比兩種礦物摻合料的混凝土電通量，發現摻以礦粉為主的混凝土28 d時的電通量明顯要小于摻以粉煤灰為主混凝土的電通量，在56 d時兩者相差不大，這主要是粉煤灰早期反應速度慢，礦粉反應速度快，早期摻以礦粉為主的混凝土比較致密，但隨著粉煤灰的不斷水化，后期兩者致密程度相差不大，導致電通量相差不大。

對比其他3種混凝土的電通量，摻入粉煤灰、礦粉優化復合后的混凝土(YC)其電通量明顯偏低，原因在于不同粒度分布的材料填充密實效應更加明顯，顯著提高了混凝土結構的密實度，改善優化了混凝土內部孔隙結構。

2.2 水膠比對抗氯離子滲透性能的影響

通過分析圖5與表2可知，隨著水膠比的增大，混凝土試件在28 d與56 d的電通量逐漸增大。以粉煤灰為主要摻合料的混凝土(FC)為例，水膠比為0.3的LFC型混凝土28 d電通量為1 410 C，56 d電通量為940 C；水膠比為0.34的DFC型混凝土28 d電通量為1 930 C，56 d電通量為1 043 C；水膠比為0.38的ZFC型混凝土28 d電通量為2 430 C，56 d 電通量為1 359 C。若以LFC型混凝土為基準，則DFC與ZFC型混凝土28 d電通量是LFC的1.36與1.73倍,56 d電通量是LFC的1.11與1.45倍，其他類型混凝土電通量的變化均呈現出相同的趨勢。

綜上所述，水膠比越大，混凝土抗氯離子滲透的能力逐漸減弱。這是因為隨著水膠比增大，混凝土的密實程度逐漸減小，且混凝土內連通的毛細孔增多、毛孔空隙率增大，氯離子在混凝土內的運輸通道與運輸速率增多，因此削弱了混凝土抗氯離子滲透的能力。

2.3 養護條件對抗氯離子滲透性能的影響

圖6、圖7為不同養護方式下型混凝土各齡期電通量的測試值。通過分析圖7(a)～(c)，發現在T=20 ℃，RH=50%的條件下，采用保溫保濕養護方式的混凝土試件在28 d、56 d的電通量小于標準養護的混凝土試件，有效地改善了混凝土的抗滲性。相比保溫保濕養護，保濕養護不能有效地減低混凝土的電通量，混凝土試件在28 d、56 d的電通量均大于標準養護的混凝土試件。

圖6 不同齡期混凝土電通量測試值(T=20 ℃，RH=50%)Fig.6 Measured values of electric flux of concrete at different ages(T=20 ℃，RH=50%)

圖7 不同齡期混凝土電通量測試值 (T=-5～15 ℃，RH=50%)Fig.7 Measured values of electric flux of concrete at different ages(T=-5-15 ℃，RH=50%)

由圖8、圖9可知，在T=-5～15 ℃，RH=50%與T=-10～20 ℃，RH=50%兩種養護條件下，采用保溫保濕養護或保濕養護方式的混凝土試件在28 d、56 d的電通量均大于標準養護的混凝土試件。若以L型混凝土試件為例，在T=-5～15 ℃，RH=50%條件下，28 d保濕養護的混凝土試件電通量為標準養護1.35倍，保溫保濕養護的混凝土試件電通量為標準養護的1.14倍；56 d保濕養護的混凝土試件電通量為標準養護的1.66倍，保溫保濕養護的混凝土試件的電通量為標準養護的1.24倍。在T=-10～20 ℃，RH=50%的條件下，28 d保濕養護的混凝土試件電通量為標準養護的1.99倍，保溫保濕養護的混凝土試件電通量為標準養護的1.35倍；56 d保濕養護的混凝土試件電通量為標準養護的2.42倍，保溫保濕養護的混凝土試件的電通量為標準養護的1.61倍。

圖8 不同齡期混凝土電通量測試值 (T=-10～20 ℃，RH=50%)Fig.8 Measured values of electric flux of concrete at different ages(T=-10-20 ℃，RH=50%)

分析可知，晝夜正負變溫環境條件對混凝土抗氯離子滲透性能非常不利，T=-10～20 ℃，RH=50%的養護條件較之T=-5～15 ℃，RH=50%的養護條件來講，混凝土電通量值隨溫差增大、最低溫度降低而明顯增加，這是因為在外界溫度變化時，混凝土的溫度應力和凍脹應力導致混凝土微裂縫增多，導致電通量增加。而采用保溫保濕膜養護混凝土的電通量在兩種變溫條件下均低于保濕養護的混凝土，這說明保溫保濕膜在低溫條件下可充分保持膜內較高溫度及足夠濕度，從而保證混凝土正常的性能發展，使得混凝土在較為嚴酷的變溫條件下仍可保證較高的抗氯離子滲透性能。

3 結論

(1)寒旱地區干燥、寒冷、大溫差的氣候特征對混凝土抗氯離子滲透性能提出了更高的要求，摻入適宜比例的摻合物會在一定程度上提高混凝土抗氯離子滲透性能。通過試驗分析發現，對于同一個配合比而言，相較于基準混凝土(JC)、摻以粉煤灰為主的混凝土(FC)和以礦粉為主的混凝土(KC)，摻入粉煤灰、礦粉優化復合后的混凝土(YC)其電通量明顯偏低，從顆粒細粉材料的填充密實效應來分析，采用適宜粒度分布的粉煤灰、礦粉復合摻入到混凝土中，可以提高混凝土的密實度，配制出抗氯離子滲透性能最優的混凝土。

(2)在試驗設計的L，D，Z這3種類型的混凝土中，都呈現出隨著水膠比的增大，混凝土抗氯離子滲透的能力逐漸減弱的規律。所以針對寒旱地區的梁體混凝土，橋臺、墩臺混凝土，樁基混凝土等，在設計滿足相應規范的前提下，應合理減小水膠比，使混凝土內部密實，減小空隙率，提升混凝土抗氯離子滲透的能力，保證混凝土的耐久性。

(3)不同的養護方式對混凝土的抗氯離子滲透性有較大的影響。從養護試驗的結果可以得出，在恒溫(T=20 ℃，RH=50%)的條件下，采用保溫保濕養護方式可以使混凝土試件的抗滲性得到有效的改善；而在正負變溫(RH=50%，T=-10～20 ℃ 及RH=50%，T=-5～15 ℃)的條件下，保溫保濕的養護方法可在低溫條件下保持膜內的溫度及濕度，緩解外界條件對混凝土的影響，保持混凝土正常的性能。所以對于西北的寒旱地區，建議采用保溫保濕的養護措施，使混凝土在較為嚴酷的變溫條件下仍具有較高的抗氯離子滲透性能。