高性能混凝土氯離子、堿含量控制及抗裂技術措施研究

張晶元

（中交三航局第三工程有限公司,江蘇 南京 210011）

0 引言

混凝土結構在服役過程中常常因氯離子和堿集料反應的發生而對混凝土的耐久性產生重要影響。氯離子滲透會導致鋼筋銹蝕，而堿集料反應則可能引起混凝土的開裂和體積變化。因此，在進行混凝土配合比設計時應控制氯離子和堿含量，在混凝土的施工過程中應采取相應的抗裂技術措施以提高混凝土的抗裂性能。

1 混凝土腐蝕機理與改善措施

混凝土耐久性的影響因素較多，該文在研究以往文獻的基礎上，結合混凝土耐久性的特點，總結出材料、結構和構件三個方面。由于目前對混凝土耐久性的研究都是基于無荷載的前提下進行的，因此，所得出來的結論與實際工程中的情況有較大的差別。針對混凝土耐久性的影響因素，該文重點分析和探討混凝土碳化、鋼筋銹蝕和堿骨料反應。

1.1 腐蝕機理

（1）碳化：混凝土中水泥水化的產物主要包括氫氧化鈣和C-S-H凝膠等?；炷翉姸刃纬芍螅诨炷两Y構后續服役過程中，空氣中的二氧化碳，尤其在高溫、高濕的環境下，會進入混凝土內部，與混凝土中氫氧化鈣反應生成碳酸鹽，使得混凝土中游離鈣離子含量減少，并且形成了新的固體產物——碳酸鈣（CaCO3）。碳酸鈣的形成會導致混凝土表面和內部的pH值降低，從而破壞了混凝土的堿性環境，改變了混凝土的原有物質結構，導致混凝土強度的下降。

（2）鋼筋銹蝕：在鋼筋混凝土結構中，由于各種原因（如荷載、溫度變化等），混凝土會發生收縮和膨脹，從而導致裂縫的形成，這些裂縫使得氧氣和水進入混凝土內部，導致鋼筋暴露在潮濕的環境中，并發生氧化反應，引起鋼筋的銹蝕。當鋼筋銹蝕時，銹層會不斷向里擴展并剝落，導致鋼筋抗拉強度的下降，在外部荷載下，混凝土結構容易發生脆性破壞[1]。從鋼筋銹蝕機理來看，鋼筋銹蝕通常是由于氯離子的侵入導致。在混凝土中，當含有鹽類或氯化物的水滲透到混凝土中時，氯離子可以通過滲透作用累積在鋼筋周圍。當氯離子濃度超過了鋼筋表面鈍化膜所能承受的臨界濃度時，電化學腐蝕就會發生。正常情況下，鋼筋表面會形成一層薄而致密的鈍化膜，該膜能夠防止鋼筋與周圍環境發生電化學反應。然而，氯離子的存在破壞了這層鈍化膜，從而使鋼筋暴露在電化學腐蝕的環境中。

（3）堿集料反應：堿集料反應主要有硅酸鹽反應和碳酸鹽反應兩種形式。硅酸鹽反應主要包括三個反應階段。一是液相反應階段，堿性物質溶解在混凝土中的孔隙水中，并與硅酸鹽礦物表面的氫氧根離子（OH-）反應生成陽離子交換產物（如Na+、K+）[2]；二是凝膠階段，交換產物會與硅酸鹽骨料中的硅酸鋁鈣骨架發生反應，形成膠凝物質（主要是碳酸鈣膠凝物和堿金屬硅酸鹽膠凝物）；三是膨脹階段，膠凝物質在水的作用下膨脹，導致混凝土內部產生應力，最終引起開裂、變形和性能下降。

碳酸鹽反應：碳酸鹽反應是一種相對較慢的反應，涉及混凝土中的碳酸鹽礦物（如方解石、菱鎂礦等）與堿性物質之間的反應。堿性物質溶解在孔隙水中，鈉離子（Na+）和鉀離子（K+）會與碳酸鹽礦物表面的鈣離子（Ca2+）發生陽離子交換，交換后的鈉離子和鉀離子與碳酸鹽礦物中的CO32-等離子反應，產生新的化合物如碳酸鈉和碳酸鉀。新生成的化合物會吸濕并擴大體積，導致微觀孔隙的擴大和混凝土結構的破壞，最終影響混凝土的強度和耐久性[3]。

1.2 混凝土耐久性改善措施

（1）采用低堿水泥、骨料等原材料和通過控制水膠比的方法配制高性能混凝土，提高混凝土的密實性，增強混凝土的抗裂性能。

（2）優化施工工藝，在混凝土澆筑后及時進行養護，并提供適宜的濕度、溫度等養護條件[4]。養護期間，通過覆蓋保濕、噴霧養護或使用養護劑等方式，保持混凝土表面的濕潤狀態，促進水泥水化反應和強度發展，減少早期裂縫的產生。

2 高性能混凝土試驗配合比

2.1 堿集料反應的預防措施

（1）通過限制原材料中堿含量來降低堿集料反應發生的概率。首先選用低堿度水泥，使水泥中堿含量控制在0.6%以下[5]。然后，選用低堿含量的外加劑。其次，選擇自然骨料或經過處理去除氯鹽的骨料，對于水源，可以使用清潔的淡水。最后，摻加粉煤灰、礦渣粉等活性摻和料。這些摻和料中的硅酸鹽和鋁酸鹽化合物能與自由氫氧化鈣發生反應，形成水化產物，從而消耗掉自由氫氧化鈣，降低其堿性，進而抑制堿集料反應的發生。

（2）混凝土中的堿（通常來自水泥中的堿性成分，如氫氧化鈉、氫氧化鉀等）與活性SiO2（存在于某些骨料中，如含水化硅巖的骨料）發生反應，形成堿－硅酸膠凝物質。堿－硅酸反應會導致膠凝物體積膨脹，使得混凝土的開裂和損壞。因此，為避免堿—硅酸反應，一種常用的方法是限制使用膨脹值ε≥0.10%的活性骨料。

2.2 原材料檢測

原材料中Cl-和堿含量的檢測結果見表1，粗細骨料堿活性檢測結果見表2。

表1 原材料中氯離子和堿含量檢測結果

表2 粗細骨料堿活性檢測結果

2.3 配合比選定情況

根據規范計算和配合比試拌調整，初步選定配合比見表3。

表3 高性能混凝土C50配合比

2.4 高性能混凝土性能評價

2.4.1 初選配合比拌和物性能

初選混凝土配合比后，從高性能混凝土技術特點出發，結合混凝土抗壓強度、坍落度、含氣量、凝結時間的檢測結果，初步選定配合比拌和物性能見表4。

表4 高性能混凝土C50拌和物性能結果

2.4.2 抗氯離子滲透性能研究

該文采用歐盟的快速氯離子遷移法（RCM）對三個初選配合比中混凝土的氯離子擴散系數進行了測試，如圖1所示對混凝土的抗氯離子滲透性能進行評價。

圖1 不同基準配合比下的抗氯離子滲透性

從試驗結果可以看出，氯離子擴散系數的大小順序為A3＞A2＞A1，表明水泥用量增大到一定程度后，氯離子的抗滲透性能會有所降低。此外，粉煤灰摻入混凝土時，能與水泥中的水化產物反應，生成更多的膠凝材料以填充混凝土內部的孔隙，增加混凝土的致密性，從而降低了氯離子的滲透性能。從試驗結果可以看出，編號A1配置的混凝土的抗氯離子滲透性能更好。

2.4.3 抗水滲透性能

根據初選的3個配合比中各材料的比例成型混凝土試件，每組制作6個試件，根據GB /T 50082—2009中的逐級加壓法進行加壓，檢測結果見表5所示。

表5 混凝土的抗滲性能檢測結果

根據表5可知，編號A1和A3的抗滲強度都達到了1.4 MPa，A2的抗滲強度達到了1.3 MPa，均能滿足P12的設計要求。

2.5 混凝土配合比的確定

綜合初選配合比中拌和物工作性能、抗氯離子滲透性和抗水滲透性能檢測結果，本著經濟、優選的原則，將A1確定為理論配合比，即水泥∶粉煤灰∶河沙∶5~10 mm碎石∶10~25 mm碎石∶減水劑∶水=465∶35∶680∶222∶888∶6∶160。

2.6 混凝土中氯離子與堿含量控制結果

（1）混凝土總堿含量計算。對理論配合比中混凝土總堿含量進行計算，計算結果見表6。

表6 混凝土總堿含量計算結果

（2）混凝土氯離子總含量計算。配合比混凝土中氯離子總含量見表7。

表7 混凝土中氯離子總含量計算

3 工程應用

該文依托于京秦高速項目遵秦段，最終確定將C50高性能混凝土配合比應用于預制箱梁、現澆梁和護欄等工程部位，按照選定的配合比進行拌和、攤鋪、振搗以及抹平工作。

3.1 裂縫的特點

在護欄澆筑完成后的一段時間內，表面出現了部分裂縫，經現場調查發現，裂縫具有如下特點：①去年施工的護欄裂紋有增多的趨勢（有的澆筑期已超半年）；②尚未有通車擾動的橋梁護欄也有裂紋增多現象；③裂紋大多是先從頂部倒角位置開裂，再逐漸向下延伸；④裂紋密度較高，部分地方每隔40~50 cm出現一道裂縫。

3.2 裂縫產生的原因

混凝土施工工藝不規范，如振搗不規范、養護不及時等，此外護欄上真縫間距較長，導致混凝土產生的溫度應力無法得到有效釋放。

3.3 抗裂技術措施

（1）選擇潔凈且彈性模量大的骨料，同時控制好混凝土中骨料的最大粒徑，對于澆筑墻式護欄的混凝土，骨料最大粒徑不宜超過2.5 cm。

（2）集料的級配也決定了混凝土的強度和施工和易性，在進行集料級配設計時，應以骨料堆積密度達到最大值為前提，盡可能減小混凝土的內部孔隙，從而使得水泥水化時產生的收縮應力分布較均勻。

（3）施工過程中應采用高頻振搗器進行振搗，初凝前1~2 h刮去表面浮漿，及時用木抹收面，臨近終凝時，再用鐵抹抹面收光處理，封閉混凝土表層微縮裂縫。

3.4 抗裂效果評價

為了檢測抗裂效果，在后續澆筑混凝土的過程中，現場布置了4個測溫點，通過“內散外蓄”養護方式使混凝土內外溫差ΔT(n)＜20 ℃。

（1）實測溫升對比分析。通過對表層溫度與中心溫度的實測對比分析，對比曲線見圖2所示，從圖中可以看出，剛開始時混凝土水泥水化熱導致表層與中心實測溫度相差較大，隨著養護時間的延長，實測溫度與理論溫度相差小于20 ℃，表明養護措施有效。

圖2 溫升曲線

（2）抗裂效果評價。通過對后續混凝土表觀質量的檢查與驗收，混凝土表面裂縫數量減少，證明通過控制施工過程中的振搗和養護可以較好地控制混凝土的裂縫產生。

4 結論

（1）通過優化配合比、加大對原材料氯離子和堿含量的檢測等措施，可以有效控制氯離子的滲透，降低鋼筋銹蝕風險。同時，采用低堿度水泥、優化骨料選擇和添加抑制劑等措施，可以降低堿—骨料反應發生的概率。

（2）混凝土配置過程中應控制好骨料的最大粒徑，施工過程中應加強振搗和養護，提高混凝土的抗開裂性能。