新疆地區多年齡期靜置下混凝土耐久性能對比研究

羅志明，洪軍，劉海順，李涵

（1. 新疆維吾爾自治區產品質量監督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830013； 2. 新疆和興恒石建材科技研發有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

高性能混凝土（HPC）系指一種新型高技術混凝土，其采用常規材料和工藝生產，滿足混凝土結構所要求的各項力學性能，具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性的混凝土。新疆地區高性能混凝土的推廣運用始自 2014 年，烏魯木齊及周邊現已經普及。就混凝土耐久性而言，現主要涉及指標有混凝土抗水滲透、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕以及抗凍性能等，主要依據標準為 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》。其檢測方法則是分別通過施加壓力，導入直流電，提高溫度以及提高循環次數等。與混凝土在實際環境中的服役特性存在一定的差異。

基于以上現狀，本研究對混凝土配合比設計與試配、新拌混凝土工作性能檢測，混凝土強度及電通量數據收集，并同步對比開展室內加速檢測和多年齡期靜置下的混凝土氯離子遷移系數、抗硫酸侵蝕、抗凍性能等性能檢測與分析。

1 試驗方案

1.1 原材料

（1）水泥（C）：青松 P·O42.5 水泥，主要指標見表 1。

表1 水泥主要技術指標

（2）粉煤灰（FA）：Ⅱ級粉煤灰，細度 21.6%，需水量比 97%，燒失量 3.3%，7d 和 28d 活性指數分別為 65% 和 71%。

（3）礦粉（K）：S75 級，比表面積 435m2/kg，流動度比 97%，燒失量 0.8%，7d 和 28d 活性指數分別為 67% 和 97%。

（4）骨料：砂（S）：天然砂；石（G）：三級配（5～10mm、5～20mm 和 20～40mm）卵石。骨料的主要技術指標見表 2。

表2 粗細骨料主要技術指標

（5）減水劑（PCA）：五家渠格輝生產的標準型聚羧酸系高性能減水劑。主要技術指標見表 3。（6）水：自來水。

表3 PCA 主要技術指標

1.2 混凝土配合比設計

混凝土配合比設計綜合標準 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》及經驗選取常用的水膠比，總膠材用量以及單方水上限用量等，采用單摻粉煤灰、雙摻粉煤灰和礦粉，同時考慮到砂中含石量大（大于 20%）的應用現狀，將砂進行 5mm 過篩處理，5～10mm 部分以粗骨料的形式摻入，而減水劑的摻量以新拌混凝土拌合物狀態確定。混凝土設計配合比見表 4。

表4 混凝土配合比設計

1.3 混凝土耐久性對比研究方案設計

依據標準 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》，以混凝土 28d 電通量、28d 氯離子遷移系數、抗硫酸侵蝕以及抗凍性能（快速法）進行混凝土室內加速模擬檢測。同步開展以 24d 標準養護、4d 自來水浸泡的混凝土抗凍試件室外自然條件靜置的模擬試驗，主要收集數據則依舊為試件質量和諧振頻率；抗硫酸鹽侵蝕試件采用 (100×100×100)mm3立方體試件標準養護 26d 及 80℃ 烘干 2d 后，留一側面為原漿面，其余五面蠟封處理后放入常溫下飽和的硫酸鈉溶液中，并加蓋密封，多年靜置浸泡，檢測混凝土抗壓強度；氯離子侵蝕則采用 (Φ100×50)mm 的電通量試件標準至 28d 后磨平上下底面，留一底面不作處理，蠟封處理另一底面和圓弧面后靜置放入常溫下 15% 質量濃度（即為 150000mg/L）的氯化鈉溶液中，并加蓋密封，多年靜置浸泡，檢測氯離子侵入深度和試件中部氯化鈉含量。其中，所用的化學試劑均為化學純。圖 1 為混凝土試件靜置浸泡圖。

圖1 混凝土試件靜置浸泡圖

2 結果分析

2.1 混凝土工作性能及力學性能

根據混凝土特性，針對性開展了混凝土坍落度、含氣量、表觀密度等工作性能的檢測，以保持水膠比盡可能的與混凝土配合比設計一致，動態調整減水劑（引氣劑復配摻入）摻量。以實際水膠比對試驗數據進行排序，具體數據見表 5。

由表 5 可知，單摻粉煤灰的混凝土強度隨著粉煤灰摻量的提高而呈現降低的發展趨勢；在一定范圍內，礦物摻和料摻量的增加可以改善混凝土拌合物性能，降低減水劑摻量，且強度影響程度較小；混凝土拌合物含氣量總體上隨著總膠材的增加而降低；混凝土表觀密度在水膠比大于 0.30 時，皆小于設計容重；此外，同水膠比下，除了礦物摻和料摻量的影響外，含氣量的大小變化對混凝土強度影響不容忽視。

表5 新拌混凝土工作性能及混凝土強度數據收集

2.2 室內加速模擬檢測混凝土耐久性

根據混凝土耐久性對比研究方案設計對混凝土室內加速模擬檢測，依據標準為 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》，數據見表 6。

由表 6 可知，總體上混凝土 28d 電通量小于 1000C，28d 氯離子遷移系數與 28d 電通量呈現相同的變化規律；抗硫酸鹽侵蝕 60 次對混凝土侵蝕破壞影響較小（除編號 LZB-15，其抗蝕系數最小，為 89%，其余均大于 90%）；快凍試驗中大部分混凝土能達到 350 次的抗凍融循環次數（其中編號 LZB-10 和 LZB-15：250 次，LZB-9：150 次）。

表6 混凝土室內加速模擬檢測數據

試件異常描述：電通量、氯離子遷移試件（編號 LZB-4、LZB-16、LZB-17）在自來水浸泡階段破壞（見圖 2）。

圖2 電通量、氯離子遷移試件水浸泡破壞圖

2.3 多年齡期靜置下混凝土耐久性能

依據混凝土耐久性對比研究方案，對混凝土試件進行養護、烘干、磨平、蠟封等處理后進行侵蝕介質、外界環境等靜置 3 年后檢測數據見表 7。

由表 7 可知，在飽和的硫酸鹽溶液中單面浸泡 3 年后，大部分試件混凝土抗壓強度大于 28d 標準養護試件抗壓強度值，而在水中浸泡破壞的電通量試件對應的試件抗壓強度均小于 28d 標準養護試件抗壓強度值；常溫下 15% 氯化鈉溶液中單側面浸泡 3 年后，試件的氯離子遷移深度總體呈現出隨著水膠比的降低而減小的發展趨勢，同時試件中部氯化鈉含量與氯離子遷移深度存在一定的一致性，總體呈現隨著氯離子遷移深度的降低而呈現氯化鈉含量降低的發展趨勢；自然環境下靜置 3 年的混凝土抗凍試件的質量損失率和相對動彈模量降低值都比較小（除編號 LZB-15、LZB-10）。

表7 多年齡期靜置下混凝土耐久性能數據收集

2.4 室內加速模擬與多年齡期靜置下混凝土耐久性能對比分析

由 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》可知，室內加速模擬檢測可以根據檢測結果劃分混凝土所能到達的性能等級。GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》則針對性的對混凝土抗凍性能及抗氯離子滲透性能提出了具體指標要求。本文所述多年齡期靜置下混凝土耐久性則是在無外力擾動下的特定介質浸泡或自然環境條件下進行。

分析圖 4～6：

圖4 硫酸鹽介質侵蝕下混凝土抗壓強度對比研究試驗結果

（1）在常溫下飽和的硫酸鈉溶液中單側面靜置浸泡 3 年后的抗壓強度大部分等同于室內加速模擬 30 次循環，除編號 LZB-4、LZB-16、LZB-17 外均大于 28d 標樣強度。

（2）15% 質量濃度氯鹽溶液中靜置浸泡 3 年后氯離子遷移深度與室內加速檢測下發展規律相同，大體呈現出水膠比在 0.30～0.45 范圍內具有一定的等同性，作為輔助校驗方法，多年齡期靜置后試件中部氯鹽濃度波動范圍較大，分析價值較低。

（3）在自然環境下放置 3 年的混凝土抗凍性對比試驗中，室內加速檢測混凝土相對動彈模量結果隨循環次數變化不大（LZB-2、LZB-3、LZB-4、LZB-16）時呈現出自然環境下放置 3 年的混凝土與快速法循環 350 次結果相近，室內加速檢測混凝土相對動彈模量結果隨循環次數變化大（LZB-5、LZB-8、LZB-15、LZB-9、LZB-10）時呈現出自然環境下放置3年的混凝土呈現與快速法循環 100 次到 200 次范圍內的結果相近。同時，也有經過 3 年室外自然環境下靜置相對動彈模量大于 100% 的（編號LZB-11、LZB-13、LZB-14），經分析發現其均體現出礦物摻和料摻量較大，拌合物含氣量較大的特點。

圖3 侵蝕介質、外界環境等靜置試件

3 結論

（1）室內加速模擬檢測混凝土硫酸鹽侵蝕下循環 30 次與常溫飽和的硫酸鹽單側面靜置浸泡 3 年檢測結果相當。

圖5 氯鹽介質侵蝕下混凝土遷移深度對比研究試驗結果

圖6 室內加速模擬與自然環境下混凝土相對動彈模量對比研究試驗結果

（2）水膠比在 0.30～0.45 范圍內，室內加速模擬檢測混凝土氯離子遷移深度與常溫 15% 氯化鈉溶液中單側面靜置浸泡 3 年存在大體相近的發展趨勢。

（3）混凝土抗凍性受混凝土水膠比、含氣量、礦物摻和料摻量等諸多因素影響，故而，室內加速模擬與自然環境下放置 3 年的混凝土相對動彈模量對等性較差。

（4）混凝土局部鉆芯鉆取檢測其粉樣內侵蝕介質濃度方式只能作為輔助方式，不能很好地評價其侵蝕狀態。

（5）混凝土配合比設計環節應重視混凝土早期體積穩定性，可通過水浸泡法進行驗證。

（6）聚羧酸減水劑雖然有諸多優點，但其經過復配的產品，尤其是復配了緩凝組分和引氣組分的產品存在范圍適應性，并不能通用于所有的混凝土配合比。