劉 敬， 余 浩， 李北星

(1.湖北交投智能檢測股份有限公司，湖北 武漢 430050；2.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽材料工程研究中心，湖北 武漢 430063)

混凝土耐久性作為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工管控的一個重要組成部分，使得橋梁的安全性和使用性能成為一個具有時變性的概念。Metha[1]指出對現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)持續(xù)的修復(fù)和維修過程造成的結(jié)構(gòu)更新成本高達(dá)40%，這使得工程師越來越多關(guān)注混凝土的耐久性。在中國，有許多工程出現(xiàn)了較嚴(yán)重的耐久性問題，混凝土結(jié)構(gòu)壽命也遠(yuǎn)低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[2]，骨料、礦物摻和料及外加劑等均對混凝土耐久性有較為明顯的影響[3-8]。因此，作者擬依托嘉魚長江公路大橋北邊跨C55寬幅閉合PC箱梁，基于優(yōu)化后的配合比，對混凝土的耐久性展開試驗研究。

1 配合比的選取

為實現(xiàn)PC箱梁混凝土高工作性、抗裂性和低收縮徐變的配制目標(biāo)，配合比優(yōu)化設(shè)計遵循了低水泥用量、低用水量、骨料最大堆積密度、摻用緩凝型高性能減水劑與較大摻量礦物摻和料的原則，優(yōu)選出基準(zhǔn)配合比、粉煤灰單摻配合比及粉煤灰和礦粉復(fù)摻配合比3組C55 PC箱梁主體混凝土配合比，見表1。

表1 PC箱梁混凝土配合比Table 1 The mixing ratio of the PC box girder concrete

3種PC箱梁主體混凝土配合比的工作性良好，7 d抗壓強度介于53.5～63.3 MPa，28 d抗壓強度介于70.3～74.9 MPa，均大于其配制強度。

為驗證和比較3種配合比混凝土耐久性優(yōu)劣，作者擬對混凝土進(jìn)行抗氯離子滲透試驗、碳化試驗、快速凍融試驗及抗硫酸鹽侵蝕性能試驗。

2 抗氯離子滲透性能

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50082-2016)》[9]中的電通量法，測定混凝土試件的6 h通電量，用于評價混凝土密實性。依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50082-2016)》中的RCM法，測定氯離子擴散系數(shù)，評價其抗氯鹽侵蝕性。試件尺寸為φ100×50 mm，養(yǎng)護(hù)齡期分別為28和56 d。試驗結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，各試樣氯離子擴散系數(shù)和電通量均隨混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低。除基準(zhǔn)外，其他2種試樣的28 d電通量均小于1 000 C，符合耐久性設(shè)計要求，氯離子滲透性等級評價為“很低”。與基準(zhǔn)相比，單摻(粉煤灰)和復(fù)摻(粉煤灰和礦粉)的混凝土氯離子擴散系數(shù)和電通量均明顯降低。表明：礦物摻和料的摻入提高了混凝土的抗氯離子滲透性能，且粉煤灰的改善效果優(yōu)于礦粉的。

表2 混凝土抗氯離子滲透性能試驗結(jié)果Table 2 Test results of chloride ion permeation resistance of the concrete

3 抗碳化性能

混凝土配合比試樣尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm，在CCB-70型碳化試驗箱中養(yǎng)護(hù)7 d。經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)快速碳化試驗后，其結(jié)果表明：試樣碳化深度均極小，近似為0 mm，具有優(yōu)良的抗碳化性能。表明：① 礦物摻和料與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生二次反應(yīng)降低了混凝土中堿的儲備量，會加速混凝土的碳化進(jìn)程；② 礦物摻和料的摻入改善了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和水泥漿體與集料的界面結(jié)構(gòu)，阻隔了大部分CO2進(jìn)入通道，改善了混凝土的抗碳化性能。

4 抗凍性能

混凝土抗凍等級(快速凍融法)的評判標(biāo)準(zhǔn)是：混凝土抗凍等級以相對動彈性模量下降至不低于60%或質(zhì)量損失率不超過5%時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定?；谇捌谠囼灲Y(jié)果，粉煤灰對改善混凝土耐久性的影響略優(yōu)于礦粉的。因此，本研究在單摻(粉煤灰)配比基礎(chǔ)之上，保持膠材總量不變，對不同粉煤灰配比的混凝土進(jìn)行了快速凍融試驗，如圖1所示。

圖1 混凝土抗凍融試驗的結(jié)果Fig. 1 The results of the freeze-thaw resistance test for the concrete

從圖1中可以看出，快速凍融300次循環(huán)時，試件的相對彈性模量介于96%～98%，遠(yuǎn)大于60%；試件的質(zhì)量損失率均在0.54%～0.86%之間，遠(yuǎn)小于5%。這些試件的抗凍等級均超過F300, 抗凍性能良好。隨著粉煤灰摻量的增加，快速凍融300次循環(huán)后的相對動彈性模量逐漸降低，質(zhì)量損失率逐漸增加，表明粉煤灰摻量并不是越大越好。

5 抗硫酸鹽侵蝕性能

為進(jìn)一步確定礦物摻和料摻量對混凝土耐久性的影響，采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50082-2016)》中的干濕循環(huán)—硫酸鹽侵蝕試驗方法，對不同單摻(25%粉煤灰)配比和復(fù)摻(20%粉煤灰和10%礦粉)配比的混凝土進(jìn)行了抗硫酸鹽侵蝕試驗，如圖2所示。侵蝕條件為：5% Na2SO4溶液浸泡15 h+風(fēng)干1 h+80 ℃烘干6 h+冷卻2 h，每24 h為一次干濕循環(huán)?？沽蛩猁}侵蝕等級以混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)下降到不低于75%時的最大干濕循環(huán)次數(shù)來評定，計算公式為：

Kf=fcn/fc0。

(1)

式中：Kf為抗壓強度耐蝕系數(shù)；fcn為經(jīng)過n次干濕循環(huán)后受硫酸鹽侵蝕的混凝土試件抗壓強度；fc0為與受硫酸鹽侵蝕試件同齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件抗壓強度。

從圖2中可以看出，混凝土強度演變過程分為侵蝕前期的強度增長階段和后期的強度劣化階段。當(dāng)侵蝕次數(shù)為60次時，各組混凝土的強度耐蝕系數(shù)達(dá)到峰值。當(dāng)侵蝕次數(shù)大于90次后，其耐蝕系數(shù)逐步低于100%。相對動彈性模量的發(fā)展趨勢也與混凝土的強度演變過程一致。表明：硫酸鹽侵蝕對混凝土的損傷表現(xiàn)為先致密后損傷。

圖2 混凝土抗壓強度耐蝕系數(shù)和相對動彈性模量的變化Fig. 2 The change of corrosion resistance coefficient and relative dynamic elastic modulus of compressive strength of the concrete

對比150次侵蝕循環(huán)后，4種配比混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕性能由大到小的順序為復(fù)摻(20%粉煤灰和10%礦粉)、單摻(25%粉煤灰)、單摻(15%粉煤灰)和單摻(35%粉煤灰)，其抗硫酸鹽等級分別為：大于KS150級、等于KS150級、等于KS12級和等于KS120級。表明：① 25%粉煤灰混凝土比15%粉煤灰混凝土更利于改善其抗干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕性能。當(dāng)粉煤灰摻量為35%時，其損傷速率明顯加快，在一定程度上降低了混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，試驗結(jié)果與分析相對應(yīng)；② 粉煤灰和礦粉復(fù)摻更利于提升混凝土的耐久性。

6 結(jié)論

1) 礦物摻和料能夠顯著提升混凝土各項耐久性指標(biāo)，且粉煤灰的改善效果略優(yōu)于礦粉的。

2) 粉煤灰對混凝土耐久性的影響具有雙面性：① 在一定范圍內(nèi)粉煤灰摻量的增加能夠提升混凝土耐久性；② 當(dāng)粉煤灰摻量超過一定范圍后，混凝土性能損傷速率加快，降低了混凝土的耐久性。

3) 粉煤灰與礦粉復(fù)摻對提高混凝土的耐久性更為有利。

本研究在探究礦物摻和料對混凝土耐久性影響的同時，通過各項試驗深入研究了粉煤灰摻量對混凝土耐久性的影響，探索出在一定膠材用量下PC箱梁混凝土中粉煤灰摻量的合理性。由于試驗周期較長，礦粉的合理摻量及粉煤灰和礦粉復(fù)摻的合理組成比例對混凝土耐久性的影響仍需進(jìn)一步研究。