高原地區高耐腐蝕樁基混凝土研究

陳天地 張 宇 戴勝勇 陳建峰

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司 四川成都 610031)

1 引言

與鋼橋相比，混凝土橋具有耐久性好的特點，在運營維護過程中降低了其維護成本。但是在惡劣環境中，混凝土結構的耐久性依然會面臨嚴峻挑戰。1987年，美國國家材料顧問委員會調查研究指出，大量混凝土橋使用年限遠低于40～50年的設計壽命。研究表明，在役混凝土橋梁普遍存在鋼筋銹蝕、混凝土水侵等各類耐久性劣化問題[1]。因此，開展針對混凝土橋梁耐久性的研究具有重大工程價值[2]。影響混凝土橋梁耐久性的關鍵因素包含橋址環境，同時也取決于設計、材料、施工和養護[3－4]。

橋梁樁基是橋梁的重要承載構件，橋梁所有荷載均通過樁基傳遞至土體，其承載能力直接關系橋梁安全。橋梁樁基受到土體中腐蝕性物質作用，導致其性能劣化，已有針對混凝土耐久性宏觀現象的大量研究成果[5]。環境是影響混凝土樁基承載能力的主要因素，高寒沼澤地區、多年凍土區等都會導致橋梁樁基嚴重劣化，最終導致承載能力下降[6－8]。因此，在橋梁樁基設計中，需要考慮腐蝕環境對橋梁樁基性能的劣化作用[9]；同時，需要提出針對特殊地區橋梁樁基的施工工藝，保證樁基質量[10]；此外，針對性地提出適當的防腐措施也能提高橋梁樁基耐久性[11]。為了指導設計和管養，需要評估橋梁樁基在各類導致劣化環境中的損傷程度[12－13]。高耐腐蝕材料也是提高橋梁樁基混凝土的方法，其可用于鹽堿地下水環境[14]。高原地區包含多種不良土體環境，高原地區的工程經驗較少，針對該地區的橋梁樁基混凝土研究缺乏，亟需開展高原地區高耐腐蝕樁基混凝土研究，提出滿足高原地區混凝土制備技術。

本文針對高耐腐蝕樁基混凝土提出了其工作性評價指標，探明水膠比對混凝土強度的影響，開展混凝土耐腐蝕性能對比試驗，提出高耐腐蝕樁基混凝土配置要點，并用于高原地區鐵路建設。

2 混凝土劣化危害

混凝土劣化主要由環境侵蝕導致，主要包括硫酸鹽侵蝕、氯離子侵蝕、凍融破壞和堿－骨料反應。

硫酸鹽主要通過物理侵蝕和化學侵蝕導致混凝土裂縫產生，嚴重的還會導致混凝土強度降低[15]。氯離子可以通過擴散、滲透和毛細管吸附等各種方式進入混凝土內部，導致鋼筋的腐蝕、混凝土的開裂，在嚴重的情況下，還能導致混凝土保護層的脫落[16]。在混凝土內部的水隨著溫度的降低而逐漸結冰，導致體積膨脹，導致周圍混凝土產生膨脹應力，導致混凝土開裂、剝落和掉塊等病害。堿－骨料反應是影響混凝土耐久性最主要的因素之一，使混凝土內部膨脹應力增大，導致混凝土開裂，嚴重的可導致混凝土結構崩潰[17]。

綜上表明，環境侵蝕會導致混凝土結構耐久性和力學性能劣化，甚至危及結構的安全。

3 高耐腐蝕樁基混凝土指標和力學性能

處于氯鹽、硫酸鹽侵蝕性介質中的灌注樁，需要其混凝土具有高抗滲性、耐腐蝕性。高耐腐蝕樁基混凝土具有比普通樁基混凝土更高的耐腐蝕性能，腐蝕環境對其劣化效果更小。

3.1 高耐腐蝕樁基混凝土工作性評價指標

混凝土工作性是保證混凝土順利施工和質量的重要特性，是保證工程順利實施的重要影響因素[18]。針對樁基施工特點及其混凝土流動特性，采用Ormit儀開展樁基承臺混凝土工作性能的評價。

由于倒坍落度筒流出時間尚且沒有標準，與倒坍落度筒相似的檢測設備有Ormit儀，倒坍落度筒和Ormit儀流出時間的相關性如圖1所示。結果表明，倒坍落度筒流出時間與Ormit儀流出時間之間具有很好的相關性，相關度達0.92。因此，可以采用Ormit儀來評價樁基承臺混凝土的工作性能，當現場無Ormit儀時，也可采用倒坍落度筒流出時間來代替。

圖1 倒坍落度筒與Ormit儀流出時間的相關性

當混凝土泌水時，混凝土坍落度或擴展度很大，但其倒坍落度筒流出時間和Ormit流出時間均大大增加，如坍落度為240 mm、擴展度為590 mm，其Ormit流出時間為23.31 s。結果表明，Ormit流出儀對混凝土泌水的評價更為敏感。結合試驗結果和相關研究成果，灌注樁混凝土擴展度宜大于450 mm，Ormit流出時間宜小于13 s，倒坍落度筒流出時間宜小于19 s。

3.2 高耐腐蝕樁基混凝土的力學性能

強度是混凝土內部孔隙率、孔徑尺寸、孔特征、孔分布以及骨料級配的一個綜合反映。為了探明樁基混凝土在不同影響因素作用下混凝土強度發展規律，開展試驗研究水膠比、膠凝材料用量(B)對樁基混凝土強度的影響，調整減水劑用量使混凝土摻合物具有相近的工作性。不同水膠比對混凝土抗壓強度的影響規律如圖2和圖3所示。

圖2 水膠比對混凝土強度的影響(水泥品種1)

圖3 水膠比對強度的影響(水泥品種2)

試驗結果表明，當水膠比在0.32～0.5之間時，各齡期混凝土的抗壓強度與水膠比成反比；當膠凝材料用量在340～400 kg/m3之間時，對混凝土強度影響相對較小；大部分配合比的56 d齡期強度都大于或等于38.3 MPa，滿足樁基高性能混凝土的強度要求；當混凝土的水膠比降低到0.4以下時，養護28 d和56 d的混凝土強度高于38.3 MPa，滿足樁基高性能混凝土的強度要求。因此，在配制樁基高性能混凝土時，宜控制水膠比在0.4以下。

4 高耐腐蝕樁基混凝土的耐腐蝕性能

提高樁基耐久性最好的方法是提高混凝土自身的抗腐蝕性能。因此，從提高樁基承臺混凝土的密實性、減少腐蝕離子進入到混凝土內部的角度出發，研究提高樁基承臺混凝土腐蝕性能。

4.1 水灰比對混凝土耐腐蝕性能的影響

研究水灰比對混凝土耐腐蝕性能影響時，采用強度值和質量損失率作為耐腐蝕性判定指標。在膠砂比1∶3的條件下，水灰比對砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能和強度的影響如圖4所示。

圖4 水灰比對砂漿重量損失率和強度的影響

試驗結果表明，水灰比從0.35增加到0.55，試件的重量損失率從2.35%增加至18.34%，抗壓強度從74.6 MPa降低至46.9 MPa；同時隨著水灰比增加，試件表面開裂和剝落現象更嚴重。根據試驗結果，隨著水灰比增加，試件砂漿滲透性增強，增加其劣化程度，導致抗壓強度大幅降低。

4.2 粉煤灰對混凝土耐腐蝕性能的影響

由于樁基承臺所處環境中各種腐蝕鹽類的濃度較高，對原材料的抗腐蝕能力必須嚴格要求，通過測定浸泡在硫酸鈉溶液及自配海水溶液中的膠凝材料膠砂試體的抗折強度，與浸泡在潔凈飲用水中的同齡期試體抗折強度，計算抗蝕系數，以比較膠凝材料抗鹽類侵蝕的能力。

開展了不同粉煤灰摻量(20%、30%、40%、50%、60%、70%)28 d和56 d膠材耐蝕系數試驗，如圖5所示。試驗結果表明，針對養護28 d的海水溶液試件，粉煤灰摻量為40%時，耐腐蝕系數增加至1.23，且粉煤灰摻量從0%到40%增加過程中耐腐蝕系數逐漸增加，增加至40%以后耐腐蝕系數基本穩定于1.15～1.20；針對養護28 d的Na2SO4溶液試件，粉煤灰摻量為40%時，耐腐蝕系數增加至1.27，且粉煤灰摻量從0%到40%增加過程中耐腐蝕系數逐漸增加，增加至40%以后耐腐蝕系數基本穩定于1.11～1.24；針對養護56 d的海水試件，粉煤灰摻量為40%時，耐腐蝕系數增加至1.17，且粉煤灰摻量從0%到40%增加過程中耐腐蝕系數逐漸增加，增加至40%以后耐腐蝕系數基本穩定于1.08～1.15；針對養護56 d的Na2SO4試件，粉煤灰摻量為30%時，耐腐蝕系數增加至1.33，且粉煤灰摻量從0%到30%增加過程中耐腐蝕系數逐漸增加，增加至30%以后耐腐蝕系數基本穩定于1.09～1.24。當粉煤灰摻量低于30%時，粉煤灰摻量增加對混凝土耐腐蝕性能提升顯著。

圖5 粉煤灰摻量對混凝土耐腐蝕性能的影響

4.3 礦物摻合料對混凝土耐腐蝕性能的影響

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB 50082—2009)要求，通常測試混凝土的電通量來判定混凝土耐腐蝕性能。因此，開展了礦物摻合料對混凝土56 d電通量和氯離子擴散系數的影響試驗，如圖6所示，圖中，橫坐標1～10分別代表未摻合、20%FA、30%FA、40%FA、50%FA、60%FA、70%FA、35%FA/5%SF、30%FA/15%SL、30%FA/15%SL/高含氣。

圖6 礦物摻合料對混凝土電通量的影響

結果表明，隨著礦物摻合料的摻入，各編號混凝土試件電通量均顯著降低；當粉煤灰摻量為70%時，混凝土電通量為1 384 C，降低幅度最小，當粉煤灰摻量為40%時，混凝土電通量為839 C，降低幅度最大；當粉煤灰摻量為0%、60%和70%時，混凝土電通量大于1 000 C，不滿足耐久性要求；當加入其他摻合料后混凝土試件電通量均降低至500 C以下，增強耐腐蝕性能更顯著。

4.4 膠凝材料對混凝土耐腐蝕性能的影響

對不同組成的膠凝材料進行抗硫酸鹽侵蝕性能試驗，比較水泥品種、摻合料種類、摻合料摻量對膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，試驗結果如圖7所示，圖中，F為粉煤灰，K為礦渣粉、G為硅灰。

圖7 不同組成膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能試驗

結果表明，各齡期抗硫酸鹽水泥抗腐蝕系數均高于普硅水泥；如在普通硅酸鹽水泥中摻加一定比例的礦物摻合料，其抗侵蝕性得到提高；不同膠凝材料組成混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能大小依次為:硅灰＋粉煤灰雙摻＞單摻粉煤灰＞粉煤灰＋礦渣粉雙摻＞單摻礦渣粉＞抗硫酸鹽水泥＞普硅水泥。

5 高耐腐蝕樁基混凝土配制要點

通過研究配合比參數和專用外加劑等因素對樁基混凝土耐腐蝕性能的影響規律，主要包含膠材用量、最大水膠比、粉煤灰摻量、礦渣粉摻量和粉煤灰/礦渣粉＋硅灰摻量，并結合拉林鐵路地質條件，推薦高耐腐蝕樁基混凝土配合比參數宜滿足表1和表2的規定，其中，表1的H4環境和表2的Y4環境應采取防腐蝕強化措施，以上研究成果已用于拉林鐵路橋梁建設。

表1 化學侵蝕環境下混凝土配合比參數參考指標

表2 鹽類結晶破壞環境下混凝土配合比參數參考指標

6 結論

通過開展高原地區高耐腐蝕橋梁樁基混凝土的試驗研究，主要得到以下結論:

(1)提出高耐腐蝕樁基工作性能指標，其中，擴展度法指標大于等于450 mm，倒坍落度筒流出時間小于等于19 s，Ormit儀流出時間小于等于13 s。

(2)當水膠比在0.32～0.5之間時，混凝土的抗壓強度隨著水膠比的增大而降低，水膠比與抗壓強度成反比；水膠比是影響混凝土強度的重要因素。

(3)水灰比從0.35增加到0.55，混凝土的滲透性增加，抗壓強度急劇降低；當粉煤灰摻量低于30%時，粉煤灰摻量增加對混凝土耐腐蝕性能提升顯著；當粉煤灰摻量為70%時，混凝土電通量最大，降低幅度最小，當粉煤灰摻量為40%時，混凝土電通量最低，當加入其他摻合料后混凝土試件電通量降低更顯著，當粉煤灰摻量為0%、60%和70%時，混凝土電通量大于1 000 C，不滿足耐久性要求，當加入其他摻合料后混凝土試件電通量均降低至500 C以下，增強耐腐蝕性能更顯著。

(4)不同膠凝材料組成混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能大小依次為:硅灰＋粉煤灰雙摻＞單摻粉煤灰＞粉煤灰＋礦渣粉雙摻＞單摻礦渣粉＞抗硫酸鹽水泥＞普硅水泥。

(5)由于抗硫酸鹽水泥價格較高，對于控制和預防混凝土的硫酸鹽侵蝕病害，采用“普通硅酸鹽水泥＋礦物摻合料”優于單純采用抗硫酸鹽水泥。