基于水利工程高性能混凝土的耐久性試驗研究

唐付磊

(遼寧省白石水庫管理局有限責任公司，遼寧 朝陽 122000)

實踐表明，暴露于腐蝕環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境中的主要化學腐蝕介質，對混凝土耐久性的影響最為顯著。化學介質環境中混凝土的強度殘余和損傷機理逐漸引起結構、材料等領域內專家的高度重視，如湯志杰等[1]從概率特征的角度探究了結構耐久性壽命，并對某電站安全構筑物利用可靠性指標預測其服役年限；劉宗民等[2]運用COMSOL數值模擬軟件分析了混凝土內部氯離子的輸移過程；姜慧等[3]提出混凝土滲透性越好、結構應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境、混凝土材料的影響特征，并以試驗加以驗證；鄒斌等[5]提出長期剪應力作用下混凝土結構耐久性加載方式；曹鵬飛等[6]歸納總結了混凝土耐久性提升有關對策，旨在推動水利事業可持續建設發展；劉世等[7]認為自燃煤矸石混凝土水分傳輸能力受酸性腐蝕環境的影響顯著，pH值越小則混凝土吸水指標的增加幅度越大；孟春陽等[8]提出RWGC的抗碳化性能會隨石灰粉替代水泥量的增加而減小；於德美等[9]將氯離子對流-擴散、水分擴散方程利用高分辨率Crank-Nicolson格式進行了差分；孫小巍等[10]認為約束狀態下不同部位的統一配合比混凝土，其抗氯離子滲透性存在明顯差異。

以上研究學者大多采用理論計算、仿真模擬等方式分析混凝土中氯離子的輸移規律，為提高混凝土耐久性有學者研究了材料的配合比設計，如劉金華等[11]借助DOE混料設計方法和骨料最緊密堆積原理，設計了高性能混凝土最優配合比；天留寶等[12]經試驗研究提出水膠比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，室內試驗模擬了3種侵蝕環境下的混凝土耐久性；焦運攀等[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 試驗配合比

選用X組石灰石粉單摻、Y組礦渣與石灰石粉復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混凝土性能的影響，混凝土試驗配合比，見表1。

表1 混凝土試驗配合比

2 高性能混凝土的耐久性

2.1 氯離子擴散性

采用試驗配合比配制直徑10cm×高5cm的混凝土試件，向氯離子擴散系數測定儀槽內注入蒸餾水配制的NaCl溶液。試驗過程中考慮到初始電流I0不超過10mA，故將試驗時間全部設定為96h，連接裝置并通電加速氯離子侵蝕，試驗后取出試件用預先配置的AgNO3溶液滴定，然后用游標卡尺測定氯離子的侵蝕深度(即白色沉淀厚度)，混凝土非穩態氯離子遷移系數按照規范推薦的公式計算確定。混凝土氯離子擴散系數，見表2。

表2 混凝土氯離子擴散系數

試驗表明，混凝土試件的水膠比為0.33時，其28d氯離子擴散系數均符合《防腐規范》規定的不超過4×10-12m2/s要求。各試件28d強度與氯離子擴散系數存在一定關聯，如雙摻8%礦渣+20%石灰石粉、水膠比0.33的Y2組擴散系數最小為1.0，其28d強度也最高。

2.2 抗碳化性

混凝土碳化是指水工構筑物長期與大氣接觸，其內部孔隙滲入大氣中的CO2，溶解于水分后與凝膠材料發生物理、化學反應產生鈣礬石等物質，并使得混凝土強度明顯下降。此外，混凝土內部孔隙溶液pH值不斷減小，鋼筋表面的鈍化膜逐漸腐蝕，并進一步導致鋼筋銹蝕膨脹，混凝土逐漸剝離開裂，結構耐久性受到嚴重影響[15]。抗碳化試驗所用試件為立方體，其尺寸大小10cm×10cm×10cm，按照標準規范開展抗碳化試驗，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逐漸增加，各試件28d后碳化深度均≤10mm，由此表明該試驗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、氯離子等侵蝕介質滲入混凝土內部都需要以水作為載體，各試件抗水滲透性測試按照標準規范開展抗水滲透性試驗。此外，為進一步對比不同配合比的混凝土抗滲性能，借鑒滲水高度法逐級加壓至設定值，加壓結束后劈開試件并測量平均滲水深度。混凝土抗滲性能，見表3。

表3 混凝土抗滲性能

從表3可以看出，混凝土試件良好養護時材料的抗水滲透能力較好，各試件符合P12的設計要求，混凝土滲水高度隨強度的提高而略有降低。

3 結 論

1)混凝土試件的水膠比為0.33時，其28d氯離子擴散系數均符合《防腐規范》規定的≤4×10-12m2/s要求。混凝土試件28d強度與氯離子擴散系數存在一定關聯，如雙摻8%礦渣+20%石灰石粉、水膠比0.33的擴散系數最小為1.0，其28d強度也最高。

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

3)混凝土試件良好養護時材料的抗水滲透能力較好，各試件符合P12的設計要求，混凝土滲水高度隨強度的提高而略有降低。