張 斌

(甘肅省遠(yuǎn)大路業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

G7高速公路甘肅段地處寒旱鹽漬土地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，富含氯鹽等腐蝕介質(zhì)，同時(shí)沿線面臨干燥、寒冷、高風(fēng)速、大蒸發(fā)量、大溫差的嚴(yán)酷氣候條件，大氣的溫度過低造成了淺表層地溫下降[1]，橋涵構(gòu)造物混凝土結(jié)構(gòu)的化學(xué)腐蝕、凍融破壞等均相對(duì)嚴(yán)重，水泥混凝土構(gòu)件的耐久性得不到保證，工程使用壽命變短，水泥混凝土性能受到嚴(yán)重影響[2]。通常來(lái)講，混凝土的耐久性可由它的滲透性來(lái)表征[3-4]，混凝土的滲透性反映了在壓力、化學(xué)勢(shì)的作用下混凝土抵抗外部侵蝕性介質(zhì)入侵的能力，是影響混凝土耐久性最重要的因素[5-6]。對(duì)處于凍融環(huán)境與富含氯鹽環(huán)境中的混凝土，其抗氯離子滲透性能非常重要[7-8]，混凝土氯離子滲透性可由氯離子的滲透試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[9-11]。

近年來(lái)，青海、甘肅、新疆等省份針對(duì)各自寒旱環(huán)境下鹽漬土地區(qū)混凝土的耐久性進(jìn)行了大量的研究與技術(shù)攻關(guān)，并取得了一定的研究成果。如余紅發(fā)[12]在研究鹽湖地區(qū)高性能混凝土的耐久性、機(jī)理與使用壽命預(yù)測(cè)時(shí)，提出高強(qiáng)度的非引氣高性能混凝土同時(shí)具有抗鹵水凍蝕、抗鹵水腐蝕和長(zhǎng)壽命的特性。王復(fù)生、秦曉娟[13]等通過混凝土長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)和浸烘循環(huán)快速試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含10%微硅粉、水泥用量大于400 kg/m3的混凝土，具有高強(qiáng)度、高致密度和抗氯鹽結(jié)晶物理侵蝕的能力。張漢文[14]提出在鹽湖地區(qū)，低水灰比(0.40以下)的低鈣高鋁水泥(CaO含量30%～32%，Al2O3含量50%～58%)混凝土是具有足夠耐腐蝕性能的材料。蔣衛(wèi)東、陳嘯[15]等研發(fā)了適用于西北鹽漬地區(qū)特殊地質(zhì)水文環(huán)境下的雙摻粉煤灰和高效減水劑的耐腐蝕混凝土，同時(shí)提出在鹽漬地區(qū)可優(yōu)先選擇粉煤灰摻量為40%的雙摻混凝土，以提高工程項(xiàng)目的耐久性。

論文利用工程項(xiàng)目實(shí)際采用的原材料，模擬研究了G7高速公路甘肅段內(nèi)橋涵結(jié)構(gòu)混凝土的使用性能，以不同水膠比、不同摻合物及不同養(yǎng)護(hù)方式下的水泥混凝土為研究對(duì)象，分析不同摻合物、水膠比、養(yǎng)護(hù)方法對(duì)寒旱地區(qū)混凝土抗氯離子滲透性能的影響，為寒旱地區(qū)工程建設(shè)中水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)、摻合料的選擇、施工、養(yǎng)護(hù)等提供理論依據(jù)，為在建、已建的混凝土工程減少氯鹽侵蝕提供技術(shù)支持，以保障公路、鐵路橋梁和隧道等結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)的安全。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

1.1.1膠凝材料

水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粉煤灰采用甘肅某公司生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰，需水量比為94，燒失量為2.5%，含水量為0.7%。礦粉采用某公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉，密度為2.86 g/cm3，比表面積為432 m2/kg，7 d活性指數(shù)為80%，28 d活性指數(shù)為97%。

1.1.2粗、細(xì)集料

粗集料為硅質(zhì)碎石，表觀密度為2 670 kg/m3，粒徑為5～20 mm，級(jí)配合格。細(xì)集料為天然砂，II區(qū)中砂，表觀密度為2 600 kg/m3，級(jí)配合格。

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥技術(shù)指標(biāo)

1.1.3外加劑

減水劑采用聚羧酸系高性能減水劑，減水率為27%，引氣劑產(chǎn)自陜西某精細(xì)化工有限責(zé)任公司，抗裂致密劑為自主研制的由多種有機(jī)和無(wú)機(jī)材料復(fù)合而成的復(fù)合外加劑。

1.1.4養(yǎng)護(hù)材料

保濕膜為普通的聚氯乙烯塑料，厚度約為0.3 mm 的專用混凝土養(yǎng)護(hù)膜。

1.2 試驗(yàn)配合比

為了更好地模擬G7高速公路甘肅段內(nèi)橋臺(tái)、梁體、樁基混凝土的使用性能，試驗(yàn)確定了0.30，0.34，0.38共3組水膠比方案。其中水膠比為0.30的混凝土，下稱L型混凝土，因?yàn)樗z比小，強(qiáng)度較高，可代表梁體混凝土；水膠比為0.34的混凝土，下稱D型混凝土，代表橋臺(tái)、墩臺(tái)混凝土；水膠比為0.38的混凝土，下稱Z型混凝土，代表樁基混凝土?；炷僚浜媳纫姳?。

表2 混凝土配合比與摻合料的添加量

1.3 混凝土抗氯離子滲透性試驗(yàn)

采用表1.2中的12種配合比，每種配合比制備2組150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試件，每組制備8個(gè)混凝土試件(2個(gè)為備用試件)。將兩組試件中的其中一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d，另一組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至56 d。每組試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，利用鉆孔取樣機(jī)以及土石切割機(jī)，將試件切割成φ100 mm×150 mm的圓柱體，如圖1、圖2所示?；炷量孤入x子滲透性的試驗(yàn)采用《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50082—2009)中直流電量法[16]，測(cè)試儀器為電通量測(cè)定儀，如圖3所示。通過氯離子直流電通量法測(cè)定試驗(yàn)試樣6 h電通量，計(jì)算出電通量平均值，以此評(píng)價(jià)混凝土抗氯離子的滲透性能[17]，如圖4所示。

圖1 混凝土鉆心取樣圖Fig.1 Concrete core samples

圖2 混凝土抗氯離子滲透性試件Fig.2 Concrete samples for chloride ion permeability resistance test

圖3 混凝土電通量測(cè)試儀Fig.3 Concrete electric flux tester

圖4 混凝土電通量測(cè)試試驗(yàn)Fig.4 Test for measuring concrete electric flux

1.4 養(yǎng)護(hù)方法

G7高速公路甘肅段地處我國(guó)西北地區(qū)，晝夜溫差大，尤其在春、秋兩季還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)晝夜正負(fù)變溫情況[18]。為了探索養(yǎng)護(hù)條件對(duì)嚴(yán)酷氣候條件下混凝土抗氯離子滲透性能的影響，優(yōu)化寒旱地區(qū)混凝土養(yǎng)護(hù)方式，完善現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)理論，混凝土試件的養(yǎng)護(hù)擬采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(記為BY)、保濕養(yǎng)護(hù)(記為CT)和保溫保濕養(yǎng)護(hù)(記為WS)3種養(yǎng)護(hù)方式。

選取3種混凝土的優(yōu)化配合比試件(YC)在標(biāo)準(zhǔn)成型室成型后，1 d后拆模，分別進(jìn)行3種方式養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)的相對(duì)濕度均為50%，養(yǎng)護(hù)溫度分別為20 ℃、-5～15 ℃和-10～20 ℃，將混凝土試件養(yǎng)護(hù)至56 d齡期時(shí)測(cè)定其電通量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同摻合料對(duì)抗氯離子滲透性能的影響

圖5反映了不同比例的摻合料對(duì)各類混凝土電通量的影響，由圖可以得到，不論哪種類型的混凝土，其對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)混凝土(JC)在28 d與56 d的電通量均高于其他類型的混凝土，這是由于基準(zhǔn)混凝土僅采用水泥作為膠凝材料，砂漿之間的空隙只能依靠單一的水泥顆粒來(lái)填充，因其填充能力一般，使得混凝土的密實(shí)性變差，混凝土內(nèi)部孔隙變多，抗?jié)B性變差，而且隨著水膠比的增大其電通量有明顯增大的趨勢(shì)。

圖5 摻合料對(duì)混凝土電通量影響Fig.5 Influences of admixtures on electric flux of concrete

摻以粉煤灰為主(FC)和以礦粉為主(KC)的礦物摻合料的混凝土電通量較之基準(zhǔn)混凝土有明顯的降低，這是由于在水泥的基礎(chǔ)上添加了一種細(xì)顆粒尺寸材料，使得砂漿之間的空隙靠?jī)煞N顆粒來(lái)填充，更好地發(fā)揮顆粒的填充效應(yīng)，使得混凝土密實(shí)度提高，電通量降低。對(duì)比兩種礦物摻合料的混凝土電通量，發(fā)現(xiàn)摻以礦粉為主的混凝土28 d時(shí)的電通量明顯要小于摻以粉煤灰為主混凝土的電通量，在56 d時(shí)兩者相差不大，這主要是粉煤灰早期反應(yīng)速度慢，礦粉反應(yīng)速度快，早期摻以礦粉為主的混凝土比較致密，但隨著粉煤灰的不斷水化，后期兩者致密程度相差不大，導(dǎo)致電通量相差不大。

對(duì)比其他3種混凝土的電通量，摻入粉煤灰、礦粉優(yōu)化復(fù)合后的混凝土(YC)其電通量明顯偏低，原因在于不同粒度分布的材料填充密實(shí)效應(yīng)更加明顯，顯著提高了混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，改善優(yōu)化了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。

2.2 水膠比對(duì)抗氯離子滲透性能的影響

通過分析圖5與表2可知，隨著水膠比的增大，混凝土試件在28 d與56 d的電通量逐漸增大。以粉煤灰為主要摻合料的混凝土(FC)為例，水膠比為0.3的LFC型混凝土28 d電通量為1 410 C，56 d電通量為940 C；水膠比為0.34的DFC型混凝土28 d電通量為1 930 C，56 d電通量為1 043 C；水膠比為0.38的ZFC型混凝土28 d電通量為2 430 C，56 d 電通量為1 359 C。若以LFC型混凝土為基準(zhǔn)，則DFC與ZFC型混凝土28 d電通量是LFC的1.36與1.73倍,56 d電通量是LFC的1.11與1.45倍，其他類型混凝土電通量的變化均呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

綜上所述，水膠比越大，混凝土抗氯離子滲透的能力逐漸減弱。這是因?yàn)殡S著水膠比增大，混凝土的密實(shí)程度逐漸減小，且混凝土內(nèi)連通的毛細(xì)孔增多、毛孔空隙率增大，氯離子在混凝土內(nèi)的運(yùn)輸通道與運(yùn)輸速率增多，因此削弱了混凝土抗氯離子滲透的能力。

2.3 養(yǎng)護(hù)條件對(duì)抗氯離子滲透性能的影響

圖6、圖7為不同養(yǎng)護(hù)方式下型混凝土各齡期電通量的測(cè)試值。通過分析圖7(a)～(c)，發(fā)現(xiàn)在T=20 ℃，RH=50%的條件下，采用保溫保濕養(yǎng)護(hù)方式的混凝土試件在28 d、56 d的電通量小于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土試件，有效地改善了混凝土的抗?jié)B性。相比保溫保濕養(yǎng)護(hù)，保濕養(yǎng)護(hù)不能有效地減低混凝土的電通量，混凝土試件在28 d、56 d的電通量均大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土試件。

圖6 不同齡期混凝土電通量測(cè)試值(T=20 ℃，RH=50%)Fig.6 Measured values of electric flux of concrete at different ages(T=20 ℃，RH=50%)

圖7 不同齡期混凝土電通量測(cè)試值 (T=-5～15 ℃，RH=50%)Fig.7 Measured values of electric flux of concrete at different ages(T=-5-15 ℃，RH=50%)

由圖8、圖9可知，在T=-5～15 ℃，RH=50%與T=-10～20 ℃，RH=50%兩種養(yǎng)護(hù)條件下，采用保溫保濕養(yǎng)護(hù)或保濕養(yǎng)護(hù)方式的混凝土試件在28 d、56 d的電通量均大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土試件。若以L型混凝土試件為例，在T=-5～15 ℃，RH=50%條件下，28 d保濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件電通量為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1.35倍，保溫保濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件電通量為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的1.14倍；56 d保濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件電通量為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的1.66倍，保溫保濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件的電通量為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的1.24倍。在T=-10～20 ℃，RH=50%的條件下，28 d保濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件電通量為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的1.99倍，保溫保濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件電通量為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的1.35倍；56 d保濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件電通量為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的2.42倍，保溫保濕養(yǎng)護(hù)的混凝土試件的電通量為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的1.61倍。

圖8 不同齡期混凝土電通量測(cè)試值 (T=-10～20 ℃，RH=50%)Fig.8 Measured values of electric flux of concrete at different ages(T=-10-20 ℃，RH=50%)

分析可知，晝夜正負(fù)變溫環(huán)境條件對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能非常不利，T=-10～20 ℃，RH=50%的養(yǎng)護(hù)條件較之T=-5～15 ℃，RH=50%的養(yǎng)護(hù)條件來(lái)講，混凝土電通量值隨溫差增大、最低溫度降低而明顯增加，這是因?yàn)樵谕饨鐪囟茸兓瘯r(shí)，混凝土的溫度應(yīng)力和凍脹應(yīng)力導(dǎo)致混凝土微裂縫增多，導(dǎo)致電通量增加。而采用保溫保濕膜養(yǎng)護(hù)混凝土的電通量在兩種變溫條件下均低于保濕養(yǎng)護(hù)的混凝土，這說明保溫保濕膜在低溫條件下可充分保持膜內(nèi)較高溫度及足夠濕度，從而保證混凝土正常的性能發(fā)展，使得混凝土在較為嚴(yán)酷的變溫條件下仍可保證較高的抗氯離子滲透性能。

3 結(jié)論

(1)寒旱地區(qū)干燥、寒冷、大溫差的氣候特征對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能提出了更高的要求，摻入適宜比例的摻合物會(huì)在一定程度上提高混凝土抗氯離子滲透性能。通過試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一個(gè)配合比而言，相較于基準(zhǔn)混凝土(JC)、摻以粉煤灰為主的混凝土(FC)和以礦粉為主的混凝土(KC)，摻入粉煤灰、礦粉優(yōu)化復(fù)合后的混凝土(YC)其電通量明顯偏低，從顆粒細(xì)粉材料的填充密實(shí)效應(yīng)來(lái)分析，采用適宜粒度分布的粉煤灰、礦粉復(fù)合摻入到混凝土中，可以提高混凝土的密實(shí)度，配制出抗氯離子滲透性能最優(yōu)的混凝土。

(2)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的L，D，Z這3種類型的混凝土中，都呈現(xiàn)出隨著水膠比的增大，混凝土抗氯離子滲透的能力逐漸減弱的規(guī)律。所以針對(duì)寒旱地區(qū)的梁體混凝土，橋臺(tái)、墩臺(tái)混凝土，樁基混凝土等，在設(shè)計(jì)滿足相應(yīng)規(guī)范的前提下，應(yīng)合理減小水膠比，使混凝土內(nèi)部密實(shí)，減小空隙率，提升混凝土抗氯離子滲透的能力，保證混凝土的耐久性。

(3)不同的養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性有較大的影響。從養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)的結(jié)果可以得出，在恒溫(T=20 ℃，RH=50%)的條件下，采用保溫保濕養(yǎng)護(hù)方式可以使混凝土試件的抗?jié)B性得到有效的改善；而在正負(fù)變溫(RH=50%，T=-10～20 ℃ 及RH=50%，T=-5～15 ℃)的條件下，保溫保濕的養(yǎng)護(hù)方法可在低溫條件下保持膜內(nèi)的溫度及濕度，緩解外界條件對(duì)混凝土的影響，保持混凝土正常的性能。所以對(duì)于西北的寒旱地區(qū)，建議采用保溫保濕的養(yǎng)護(hù)措施，使混凝土在較為嚴(yán)酷的變溫條件下仍具有較高的抗氯離子滲透性能。