，3

（1.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510230；2.水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通部重點實驗室，廣東廣州 510230；3.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

混凝土成熟度和氯離子擴散系數(shù)的相關(guān)性及在某工程中的應(yīng)用

呂衛(wèi)清1，黎鵬平2，熊建波2，3，王勝年2

（1.中交第四航務(wù)工程局有限公司，廣東 廣州 510230；2.水工構(gòu)造物耐久性技術(shù)交通部重點實驗室，廣東廣州 510230；3.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

采用化學(xué)結(jié)合水法、氯離子快速測定法（RCM法）和混凝土成熟度測定法研究了56 d齡期內(nèi)混凝土氯離子擴散系數(shù)和混凝土成熟度的關(guān)系。結(jié)果表明：混凝土氯離子擴散系數(shù)不僅隨養(yǎng)護齡期的延長而降低，還隨養(yǎng)護溫度的升高而降低，延長養(yǎng)護齡期或提高養(yǎng)護溫度均可提高膠凝材料的水化程度；室內(nèi)養(yǎng)護混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)與混凝土成熟度值之間呈冪函數(shù)關(guān)系，二者具有很好的相關(guān)性（R2=0.976），利用室外養(yǎng)護混凝土試件的數(shù)據(jù)進行驗證計算，其理論計算值與實測值具有較好的吻合性，可根據(jù)混凝土成熟度實測值預(yù)測出混凝土的氯離子擴散系數(shù)；在本工程中，沉管隧道接觸海水時混凝土成熟度的推薦值為21 064℃·h，控制邊界值為13 926℃·h，考慮外部養(yǎng)護溫度和水化熱對混凝土成熟度產(chǎn)生影響時，可對混凝土接觸海水的齡期通過后計算進行適當?shù)恼{(diào)整。

混凝土成熟度；氯離子擴散系數(shù)；相關(guān)性；沉管隧道

0 引言

海洋環(huán)境下氯鹽引起的混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕膨脹是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞的主要原因，合理有效地降低混凝土的氯離子擴散系數(shù)可延長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性使用壽命[1-2]。在海工高性能混凝土工程施工中，混凝土構(gòu)件暴露于海水腐蝕環(huán)境時的抗氯離子滲透性必須滿足設(shè)計控制指標的要求，否則混凝土構(gòu)件難以滿足耐久性設(shè)計使用年限?；炷恋目孤入x子滲透性除了與水膠比、材料組成等因素有關(guān)外，還與養(yǎng)護溫度和齡期等因素相關(guān)[3]。

20世紀50年代英國學(xué)者Saul提出了成熟度的概念，其計算公式見式（1）所示。利用成熟度-強度曲線推算混凝土早期強度逐漸成為共識，被應(yīng)用于指導(dǎo)混凝土工程的施工中[4]，而有關(guān)成熟度和混凝土抗氯離子滲透性能的相關(guān)性研究鮮見報道。

針對某些特殊的工程結(jié)構(gòu)，無法采用取芯法對混凝土的耐久性開展評定工作，因此本文開展短齡期混凝土成熟度和混凝土氯離子擴散規(guī)律關(guān)系的研究，并利用混凝土成熟度與氯離子擴散系數(shù)間的相關(guān)性結(jié)果，以確定沉管隧道合理接觸海水的時間，為某沉管隧道工程的施工提供指導(dǎo)依據(jù)。

1 試驗原材料和方法

1.1 試驗原材料

水泥為華潤水泥廠生產(chǎn)的華潤牌P·Ⅱ42.5型硅酸鹽水泥；粉煤灰為江蘇鎮(zhèn)江諫壁電廠的原狀粉煤灰，密度為2 230 kg/m3；礦渣粉為廣東韶鋼嘉羊礦渣粉S95，密度為2 930 kg/m3，膠凝材料的化學(xué)成分見表1所示。廣州產(chǎn)河沙，表觀密度為2650kg/m3，細度模數(shù)為2.9，Ⅱ區(qū)級配。粗骨料為最大粒徑20 mm的復(fù)合級配碎石，5~10 mm和10~20mm的比例為3∶7，表觀密度2690kg/m3。拌和用水為自來水。外加劑為江蘇博特生產(chǎn)的PCAI緩凝型聚羧酸高效減水劑。

表1 原材料的化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of raw materials %

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗測試

1）XRD測試所用儀器為日本理學(xué)公司的D/max-ⅢA型X射線衍射儀，測試電壓為40 kV，電流30 mA，掃描范圍為5°～70°，Cu靶。

2）混凝土氯離子擴散系數(shù)按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性和耐久性試驗方法標準》[5]中的規(guī)定進行，試驗齡期分別為3 d、7 d、14 d、21 d、28 d和56 d。

3）成熟度測試采用美國Nomadics結(jié)構(gòu)實驗室研發(fā)的IntelliRock成熟度測定儀直接測定，測試齡期分別為3 d、7 d、14 d、21 d、28 d和56 d。

4）膠凝材料的水化程度采用測定漿體的化學(xué)結(jié)合水方法和選擇性溶解法進行表征，具體的測試方法和測試過程可參考文獻[6-7]，試驗溫度為10～30℃。

1.2.2 混凝土配制及養(yǎng)護

試驗所用混凝土配合比采用沉管混凝土配合比，見表2。試件成型24 h后拆模，再將試件置于相應(yīng)的環(huán)境中進行養(yǎng)護，至相應(yīng)的齡期時開展測試。不同的季節(jié)施工可能會對沉管混凝土的抗氯離子滲透性能產(chǎn)生影響，所以本部分試驗也分別在夏季（第1次試驗）和冬季（第2次試驗）兩個時間段內(nèi)開展。兩次試驗時間段的室外溫度有一定的差異，第1次試驗時室外平均溫度約為25℃，第2次試驗時室外平均溫度約為18℃。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 室內(nèi)標準養(yǎng)護時混凝土氯離子擴散系數(shù)變化

標準養(yǎng)護條件下混凝土氯離子擴散系數(shù)隨齡期的變化見圖1所示。

由圖1可見，混凝土氯離子擴散系數(shù)隨養(yǎng)護齡期增加而降低，當養(yǎng)護齡期由3 d增加至14 d時，氯離子擴散系數(shù)迅速降低，如第2次試驗時，3 d齡期的氯離子擴散系數(shù)為27.5×10-12m2/s，而14 d齡期的氯離子擴散系數(shù)降低為6.6×10-12m2/s，進一步延長混凝土齡期氯離子擴散系數(shù)降低的幅值并不顯著。同時由該圖可見，2次成型的混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)非常接近，表明原材料的品質(zhì)較為穩(wěn)定，試驗方法測試數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較好。

圖1 養(yǎng)護齡期對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響Fig.1 Effect of curing ages on chloride diffusion coefficient of concretes

2.2 室外養(yǎng)護時混凝土氯離子擴散系數(shù)變化

室外養(yǎng)護條件下混凝土氯離子擴散系數(shù)隨齡期的變化見圖2所示。

圖2 室外養(yǎng)護齡期對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響Fig.2 Effect of outdoor curing ages on chloride diffusion coefficient of concretes

由圖2可見，混凝土氯離子擴散系數(shù)隨養(yǎng)護齡期的延長而降低；第1次試驗時，28 d齡期的混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)為3.3×10-12m2/s，第2次試驗時，28 d齡期的混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)為3.1×10-12m2/s，均滿足港珠澳大橋沉管隧道混凝土氯離子擴散系數(shù)的控制指標。

2.3 養(yǎng)護溫度對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

將不同養(yǎng)護條件下混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)進行比較，見表3所示。

由表3可見，第1個試驗時，同齡期下室外養(yǎng)護混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)略低于標準養(yǎng)護的混凝土試件，而2次試驗，同齡期下室外養(yǎng)護混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)略高于室內(nèi)養(yǎng)護試件的混凝土試件，原因可能是第1次試驗時，沉管預(yù)制現(xiàn)場的日平均氣溫約為25℃，高于標準養(yǎng)護溫度，而第2次試驗時沉管預(yù)制現(xiàn)場的日平均氣溫約為18℃，低于室內(nèi)試件的標準養(yǎng)護溫度。

表3 不同養(yǎng)護條件下混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)Table 3 Chloride diffusion coefficients of concretes under different curing conditions

通常，膠凝材料的水化程度可以用硬化漿體的化學(xué)結(jié)合水量來表征，在正常施工的自然氣溫范圍內(nèi)養(yǎng)護溫度對不同齡期凈漿化學(xué)結(jié)合水的影響見圖3所示。

圖3 養(yǎng)護溫度對不同齡期漿體化學(xué)結(jié)合水的影響Fig.3 Effect of curing temperature on chemically combined water of cementious in different ages

由圖3可見，在正常施工的自然氣溫范圍內(nèi)，提高養(yǎng)護溫度可以提高膠凝材料的化學(xué)結(jié)合水含量，表明提高養(yǎng)護溫度可以促進膠凝材料的水化進程，提高膠凝材料的水化程度，從而使相同養(yǎng)護時間內(nèi)的混凝土具有更好的抗氯離子滲透性能。

2.4 混凝土成熟度與氯離子擴散系數(shù)關(guān)系

以標準養(yǎng)護的混凝土試件為對象，建立混凝土成熟度與混凝土氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系，標準養(yǎng)護混凝土試件的成熟度與氯離子擴散系數(shù)的關(guān)系見圖4所示。

圖4 標準養(yǎng)護混凝土試件成熟度與氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系Fig.4 Relations of concrete maturity value and chloride diffusion coefficient by normal curing

由圖4可見，混凝土氯離子擴散系數(shù)隨混凝土成熟度的增加而降低，在試驗齡期內(nèi)混凝土成熟度與混凝土氯離子擴散系數(shù)之間呈近似冪函數(shù)關(guān)系，可用式（2）進行表述，二者相關(guān)性達到了0.97。

利用不同齡期室外養(yǎng)護試件的氯離子擴散系數(shù)，通過式（2）計算可得相應(yīng)齡期混凝土的成熟度，并與該齡期通過成熟度測試儀測得的成熟度值進行比較，結(jié)果見表4所示。

表4 室外養(yǎng)護試件的成熟度實測值與理論計算值Table 4 Measured value and theoretical calculating value of maturity for outdoor specimens

由表4可見，混凝土成熟度的實測值與理論值較為接近，當混凝土齡期超過7 d后，理論計算值與實測值的差異性小于15%，表明該計算式具有較好的準確度。

從上述結(jié)果分析可知，對于本工程的特定混凝土配合比，可以通過測定混凝土的成熟度值來計算出混凝土的氯離子擴散系數(shù)是否滿足耐久性設(shè)計要求。

28 d齡期混凝土試件的氯離子擴散系數(shù)為3.3×10-12m2/s，符合沉管隧道耐久性設(shè)計中規(guī)定的28 d齡期混凝土氯離子擴散系數(shù)不高于6.5×10-12m2/s的要求，因此混凝土氯離子擴散系數(shù)的推薦指標為3.3×10-12m2/s，控制指標為6.5×10-12m2/s，相對應(yīng)的混凝土成熟度推薦值為21 064℃·h，理論計算控制值為11 606℃·h，由于混凝土成熟度的實測值與理論計算值存在一定的差異性，所以考慮20%富余度的混凝土成熟度的控制值為13 926℃·h，而13 926℃·h也作為沉管隧道施工混凝土成熟度的控制邊界值。

2.5 利用混凝土成熟度控制沉管隧道混凝土接觸海水的時間

2.5.1 不考慮水化熱時沉管接觸海水時間

由于混凝土的成熟度可用溫度和時間的乘積來衡量，所以在不同的環(huán)境溫度和養(yǎng)護溫度下，混凝土達到某成熟度所經(jīng)歷的時間也不相同。根據(jù)沉管預(yù)制場的月平均溫度，利用混凝土溫度與混凝土成熟度之間關(guān)系，計算可得沉管隧道在不同月份澆筑時，達到混凝土成熟度推薦值和控制值所需養(yǎng)護的齡期，見表5。

表5 不同月份澆筑的混凝土構(gòu)件的接觸海水時間Table 5 The days in seawater of the concrete members pouring in different month

2.5.2 考慮水化熱時混凝土接觸海水時間

由于預(yù)制沉管屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土中的膠凝材料在水化過程中產(chǎn)生的水化熱無法在短時間與周圍的環(huán)境介質(zhì)進行充分的熱交換，水化熱在混凝土內(nèi)部積聚導(dǎo)致混凝土的內(nèi)部溫度升高，并促進膠凝材料早齡期的水化進程。

氯離子在混凝土中的

滲透是由外至內(nèi)的一個過程，所以混凝土靠近模板的淺表層（即鋼筋的混凝土保護層范圍）的成熟度是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的關(guān)鍵部位。沉管混凝土澆筑后，對距混凝土表層5 cm處的溫度進行了監(jiān)控，結(jié)果見圖5所示。

由圖5可見，距混凝土表面5 cm處的混凝土淺表層的溫度在澆筑后約10 d齡期后才與環(huán)境溫度相當。顯然預(yù)制沉管結(jié)構(gòu)淺表層的混凝土成熟度要高于不考慮水化熱作用的混凝土試塊的成熟度。

圖5 混凝土構(gòu)件淺表層溫度及環(huán)境溫度Fig.5 The superficial layer temperature and environment temperature of concrete members

由于混凝土在不同季節(jié)施工，混凝土的入模溫度和環(huán)境溫度都不盡相同，導(dǎo)致膠凝材料水化熱對混凝土成熟度的影響也不盡相同，但在高溫季節(jié)（環(huán)境溫度高于28℃）施工時混凝土的入模溫度都控制為不高于28℃，所以認為高溫季節(jié)施工時膠凝材料水化熱對混凝土成熟度的影響大致相同；同時由圖5可見，當混凝土澆筑時間達到10 d后，混凝土淺表層的溫度與環(huán)境溫度較為接近，可以認為混凝土澆筑10 d后混凝土淺表層的溫度即為外部環(huán)境溫度。以上述分析為基礎(chǔ)，對混凝土淺表層的溫度進行積分計算，計算所采用的是溫度最低的底板外側(cè)墻倒角處的溫度（最不利狀況），可知考慮膠凝材料水化熱時，沉管接觸海水的推薦齡期和控制齡期見表6所示。

表6 考慮膠凝材料水化熱時沉管接觸海水的齡期Table 6 The ages of the tunnels placed in seawater by considering the heat of hydration of cementious

3 結(jié)語

1） 在正常施工的自然氣溫范圍內(nèi)，混凝土氯離子擴散系數(shù)不僅隨養(yǎng)護齡期的延長而降低，還隨養(yǎng)護溫度的升高而降低。延長養(yǎng)護齡期或提高養(yǎng)護溫度均可提高膠凝材料的水化程度，從而使混凝土具有更好的抗氯離子滲透性能。

2）在室內(nèi)養(yǎng)護試件研究基礎(chǔ)上得出的混凝土氯離子擴散系數(shù)與成熟度之間呈冪函數(shù)關(guān)系，二者具有很好的相關(guān)性，利用室外養(yǎng)護試件的數(shù)據(jù)進行驗證計算，其理論計算值與實測值具有較好的吻合性，可根據(jù)混凝土成熟度實測值預(yù)測混凝土的氯離子擴散系數(shù)。

3）混凝土接觸海水時，混凝土成熟度的推薦值為21 064℃·h，控制邊界值為13 926℃·h，考慮外部養(yǎng)護溫度和水化熱對混凝土成熟度產(chǎn)生影響時，可對混凝土接觸海水的齡期通過后計算進行適當?shù)恼{(diào)整。

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Correlation of chloride diffusion coefficient and concrete maturity value and its application in marine engineering

LV Wei-qing1，LI Peng-ping2，XIONG Jian-bo2，3，WANG Sheng-nian2
（1.CCCC Fourth Harbor Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510230，China；2.Key Laboratory of Harbor& MarineStructureDurabilityTechnologyoftheMinistryofCommunications，Guangzhou，Guangdong 510230，China；3.Schoolof MaterialsScienceandEngineering，SouthChinaUniversityof Technology，Guangzhou，Guangdong 510640，China）

The correlation of chloride diffusion coefficient and concrete maturity value within 56 days of curing was investigated by the chemically combined water contentmethod，rapid chloride migration（RCM）test and concrete maturity test，respectively. The experimental results showed the chloride diffusion coefficient of concretes decreased with increasing curing ages and curing temperature，which can promote the hydration degree of cementious.There was a significant correlation between the chloride diffusion coefficient of indoor curing specimens and the concrete maturity value when expressed as a power function（R2= 0.976），and the calculated values of concrete maturity for outdoor specimens which obtained by using the power function agrees well with the measured values，then it can use the measured concrete maturity value to predict the chloride diffusion coefficient of concrete.The recommended value and the control value of concrete maturity was 21 064℃·h and 13 926℃·h，when the immersed tube tunnels were placed in seawater.Furthermore，the ages of the tunnels placed in seawater can be appropriately adjusted by calculation when considering the external curing temperature and heat of hydration of cementious.

concrete maturity value；chloride diffusion coefficient；correlation；immersed tube tunnel

TU528.33

：A

：1003-3688（2014）03-0026-05

10.7640/zggwjs201403005

2013-10-30

2013-12-27

國家科技支撐計劃項目（2011BAG07B01）；交通運輸部交通運輸建設(shè)科技項目（201132849A1140）

呂衛(wèi)清（1966— ），男，湖北新洲人，碩士，教授級高級工程師，總工程師，港口工程專業(yè)。E-mail：lweiqing@gzpcc.com