馬寶富

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088）

引言

混凝土結(jié)構(gòu)是迄今為止應(yīng)用最為廣泛、性能最為優(yōu)異的建筑結(jié)構(gòu)[1]，但在結(jié)構(gòu)正常使用年限內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)由于外界環(huán)境、自身材料和施工等因素發(fā)生不同程度的損傷，輕則出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂縫，造成使用者的心理壓力，重則出現(xiàn)混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋嚴(yán)重銹蝕等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)不得不修復(fù)或報(bào)廢，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從初始的許用應(yīng)力法至現(xiàn)在應(yīng)用的基于概率的分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法，均為基于結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行設(shè)計(jì)[2-3]，設(shè)計(jì)人員均認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定的安全性要求就可以在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)正常使用結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)發(fā)展及對(duì)建筑結(jié)構(gòu)要求的提升，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)尤為重要，現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于耐久性設(shè)計(jì)多為定性要求，包括規(guī)定其最小保護(hù)層厚度、最小混凝土強(qiáng)度等級(jí)、最大水膠比等[4-5]，而對(duì)于氯化物環(huán)境中還特別規(guī)定了以28 d基于快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM）試驗(yàn)測(cè)得的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)[6]，表征其抗氯離子侵入性指標(biāo)的最大限值。此外，對(duì)于定量耐久性設(shè)計(jì)，此參數(shù)也是設(shè)計(jì)基本變量，起著十分重要的作用。因此，研究28 d齡期下以RCM試驗(yàn)測(cè)得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)十分必要。

高性能混凝土具有高強(qiáng)度、高耐久性等特點(diǎn)，是現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用趨勢(shì)，其配比是在原有普通混凝土基礎(chǔ)材料上加入適量的高效外加劑及礦物摻合料。硅灰是一些硅合金冶煉過(guò)程中排放的以無(wú)定形氧化硅為主的超微顆粒，摻入至混凝土中可大幅提高混凝土的工作性能、密實(shí)性能、強(qiáng)度、抗?jié)B等耐久性能；粉煤灰又稱(chēng)飛灰，為火電廠(chǎng)煤燃燒后由煙道排出的廢棄粉末，將其摻入混凝土中亦可大幅提高混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能及耐久性能。此外，硅灰和粉煤灰是工業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)廢料，將其作為礦物摻合料適量摻入混凝土也可做到廢物利用，資源優(yōu)化及可持續(xù)發(fā)展。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為360 m2/kg，28 d抗壓強(qiáng)度為49.5 MPa；（2）硅灰比表面積為22 000 m2/kg；（3）粉煤灰I級(jí)，比表面積為450 m2/kg，水泥、硅灰及粉煤灰的化學(xué)成分見(jiàn)表1；（4）中砂細(xì)度模數(shù)為2.5；（5）5～25.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石；（6）普通生活用水；（7）聚羧酸類(lèi)高效減水劑。

表1 水泥、硅灰及粉煤灰的化學(xué)成分比/%

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

1.2.1 坍落度試驗(yàn)

為測(cè)定新拌混凝土的流動(dòng)性，試驗(yàn)測(cè)定混凝土拌合物的坍落度。試驗(yàn)基于流變?cè)?，利用混凝土拌合物的自重，判定其工作性能，?yīng)用廣泛，操作簡(jiǎn)單，但僅適用于新拌混凝土，且人為因素影響大。

操作步驟：（1）將試驗(yàn)用坍落度筒、搗棒以及鐵板用水潤(rùn)濕，然后將坍落度筒放在平整鐵板上，踩住腳踏板；（2）分三次裝填新拌混凝土，每次裝填略高于坍落度筒的均分區(qū)域，然后沿螺旋線(xiàn)用搗棒由邊緣至中心插搗，每次25下，在最后一層插搗過(guò)程中應(yīng)該隨時(shí)加料以保證混凝土高于筒口；（3）插搗完成在5～10 s內(nèi)平穩(wěn)地將筒體取下，放于新拌混凝土旁，整個(gè)試驗(yàn)控制在150 s內(nèi)；（4）把標(biāo)尺放在試樣頂端，讀拌合混凝土至塌落度筒頂部的差值，精確到1 mm。

1.2.2 混凝土立方體抗壓試驗(yàn)

混凝土抗壓強(qiáng)度采用WHY-3000型微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)。混凝土制備完成1 d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行混凝土立方體抗壓試驗(yàn)。操作步驟：（1）將混凝土試塊從養(yǎng)護(hù)室取出后擦拭干凈，檢查外觀(guān)并測(cè)量尺寸；（2）將混凝土試塊放置試驗(yàn)機(jī)下壓板中心，保證承壓面與成型頂面垂直；（3）啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，當(dāng)上壓板與試塊接近時(shí)，調(diào)整球座以使接觸平衡；（4）新建試驗(yàn)，輸入試塊尺寸及其他信息，查看控制參數(shù)，負(fù)荷、位移清零；（5）加載，試塊破壞后試驗(yàn)自動(dòng)停止。

1.2.3 快速氯離子遷移試驗(yàn)

以RCM法進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)是測(cè)定混凝土中非穩(wěn)態(tài)遷移的遷移系數(shù)，來(lái)確定混凝土的抗氯離子滲透性能，原理是將試件置于陰極溶液和陽(yáng)極溶液間，施加外電場(chǎng)，一定時(shí)間電遷移后將試件沿軸向劈開(kāi)，根據(jù)顯色指示劑的區(qū)域確定混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

試驗(yàn)操作步驟[7]：（1）試件標(biāo)養(yǎng)28 d后取出，將表面擦凈，用游標(biāo)卡尺確定直徑和高度，精確至0.1 mm；（2）試件面干狀態(tài)下進(jìn)行真空處理，試件間保留一定孔隙，應(yīng)在5 min內(nèi)將壓強(qiáng)減少至1～5 kPa，保持該真空度3 h，運(yùn)轉(zhuǎn)下注入飽和氫氧化鈣溶液，浸泡試件1 h后恢復(fù)常壓，繼續(xù)浸泡18±2 h；（3）試件取出后，電吹風(fēng)冷風(fēng)檔吹干，裝入硅橡膠套底部，安裝環(huán)箍擰緊至扭矩30±2 N·m，安裝陰極板后放置試驗(yàn)槽中，安裝陽(yáng)極板；（4）在硅橡膠套中注入約300 mL濃度為0.3 mol/L的氫氧化鈉溶液，保證浸沒(méi)陽(yáng)極板和試件，在試驗(yàn)槽中注入12 L質(zhì)量濃度為10%的氯化鈉溶液，使其與硅橡膠套中液面平齊；（5）將電源陽(yáng)極與硅橡膠套中陽(yáng)極板連接，電源陰極與試驗(yàn)槽中陰極板連接，安裝溫度傳感器；（6）利用RCM擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀測(cè)定，電源開(kāi)啟后將電壓調(diào)整至30±0.3 V，記錄初始電流，確定施加電壓、新的初始電流及持續(xù)時(shí)間，記錄溫度及電流值；（7）斷開(kāi)電源，取出試件，沖洗擦凈，沿軸向劈開(kāi)，立即噴涂0.1 mol/L的硝酸銀溶液，15 min后觀(guān)察顏色變化，用防水筆描出并用游標(biāo)卡尺測(cè)量距離，精確至0.1 mm；（8）試驗(yàn)結(jié)束后排除溶液，清洗后用電吹風(fēng)冷風(fēng)檔吹干。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究0.3、0.4、0.5三種水膠比情況下普通混凝土、單摻硅灰（SF）或粉煤灰（FA）混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能，單摻時(shí)硅灰摻量分別為3%、5%、8%，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%、40%，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)配合比/（kg·m-3）

混凝土立方體抗壓試驗(yàn)選用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，每組試驗(yàn)三塊；快速氯離子遷移試驗(yàn)采用Φ100 mm，高度為50 mm的圓柱體試塊，每組試驗(yàn)三塊。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 坍落度試驗(yàn)結(jié)果與分析

新拌混凝土的坍落度是判定混凝土結(jié)構(gòu)和易性和工作性能最重要的參數(shù)，圖1（a、b、c）為不同水灰比及不同硅灰、粉煤灰摻量對(duì)混凝土坍落度的影響?？芍?，不論是普通混凝土還是摻入硅灰或粉煤灰的混凝土，坍落度均隨著水灰比的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；坍落度隨著硅灰摻量的增加呈降低趨勢(shì)；坍落度隨粉煤灰摻量的增加呈先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)。

圖1 坍落度試驗(yàn)結(jié)果

分析原因：（1）當(dāng)水灰比增加時(shí)，用水量增加，故坍落度會(huì)明顯增長(zhǎng)。（2）摻入硅灰時(shí)，坍落度降低，因硅灰的比表面積為22 000 m2/kg，遠(yuǎn)大于水泥的比表面積，拌和后硅灰會(huì)吸附大量的水，導(dǎo)致拌合物中漿體稠度增加，流動(dòng)性降低，導(dǎo)致坍落度降低。（3）對(duì)于摻入粉煤灰的混凝土，坍落度先增加后下降，是因?yàn)榧词狗勖夯业谋缺砻娣e略大于水泥，但其顆粒為近似表面光滑的球體，利于漿體間相對(duì)滾動(dòng)，稱(chēng)為“滾珠效應(yīng)”，且在一定范圍內(nèi)隨摻量的增加效應(yīng)越顯著，但粉煤灰摻量超過(guò)30%時(shí)，比表面積持續(xù)增大，吸附水量增加，坍落度呈降低趨勢(shì)。

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

立方體抗壓強(qiáng)度是判定混凝土質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，圖2為不同水膠比下不同硅灰、粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線(xiàn)

可知：（1）隨著水灰比的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低。（2）隨著硅灰摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度增加；而隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低。（3）硅灰比表面積很大，微集料填充效應(yīng)使其填充于混凝土漿體孔隙間，改善膠凝材料的集配，增大混凝土的密實(shí)度，因此其抗壓強(qiáng)度提高。（4）雖然粉煤灰也具有火山灰活性，但其黏結(jié)粗細(xì)骨料的能力遠(yuǎn)低于水泥，且早期水化能力很弱，在標(biāo)養(yǎng)28 d后仍未充分發(fā)揮其二次水化能力，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度較低。

3.3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)是表征混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的重要參數(shù)，亦是反映混凝土抵抗氯離子侵蝕能力的重要指標(biāo)之一。圖3為不同水膠比下不同硅灰、粉煤灰摻量對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。

圖3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化曲線(xiàn)

可知：（1）隨著水灰比的增加，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加。（2）隨著硅灰摻量或粉煤灰摻量的增加，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低。分析原因：（1）隨著水膠比的增加，混凝土質(zhì)量降低，密實(shí)度下降，因此其抵抗氯離子侵入的性能下降，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加。（2）粉煤灰或硅灰的摻入，火山灰效應(yīng)使得礦物摻合料中的火山灰活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)致密性，此外微集料填充效應(yīng)也使得微細(xì)顆粒填充于混凝土內(nèi)部孔隙，所以氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究水膠比為0.3、0.4、0.5三種情況下普通混凝土結(jié)構(gòu)、單摻硅灰的混凝土結(jié)構(gòu)、單摻粉煤灰的混凝土結(jié)構(gòu)的坍落度、立方體抗壓強(qiáng)度及氯離子擴(kuò)散系數(shù)，得到結(jié)論：（1）隨著水膠比的增加，混凝土坍落度增加，但混凝土抗壓強(qiáng)度及抗氯離子滲透性降低。（2）在混凝土中摻入硅灰雖降低其工作性能，使得坍落度有所下降，但提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗氯離子滲透性，且隨著摻量的增加，性能提升越明顯。（3）粉煤灰的摻入可以改善混凝土的工作性能及抗氯離子滲透性能，但一定程度上降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。