馬 駿

(中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350)

硫酸鹽對混凝土的破壞國內(nèi)外研究成果較多，其侵蝕破壞是一個非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程。從侵蝕作用來看，混凝土的硫酸鹽侵蝕可分為物理侵蝕和化學(xué)侵蝕：化學(xué)侵蝕的本質(zhì)是指硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物或未水化的水泥顆粒在孔隙或者界面過渡區(qū)內(nèi)生成膨脹性產(chǎn)物，對孔壁產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于孔壁的極限壓力時混凝土產(chǎn)生裂縫；物理侵蝕是指硫酸根進(jìn)入混凝土內(nèi)部發(fā)生反復(fù)溶解、再結(jié)晶使混凝土體積產(chǎn)生膨脹，引發(fā)混凝土強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)劣化[1-6]。部分學(xué)者給出了硫酸鹽侵蝕下混凝土的防護(hù)措施[7-9]，但應(yīng)用于實際工程中效果差異較大，部分措施應(yīng)用效果還存在相互矛盾，可能是防護(hù)材料性能與服役工程環(huán)境特點(diǎn)差異較大所致。

本研究立足于國道G104國道改建項目的實際服役環(huán)境，分析既有七都大橋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物服役的環(huán)境土質(zhì)、水質(zhì)的組成，明晰硫酸鹽為主的侵蝕介質(zhì)的濃度范圍，從混凝土組成上優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，并選用適宜的防護(hù)材料保障七都大橋的耐久性。

1 工程概況

1.1 大橋基本情況

2018年開工的國道G104改擴(kuò)建項目中的七都大橋，左橋全長536.5 m，右橋全長534.5 m。橋梁跨越河流(七都溪)，河寬約80～100 m，河流兩岸無護(hù)坡，兩岸階地分布廠房、旱地或堆積沙堆。根據(jù)現(xiàn)場的情況和水位，對其所處的地理位置進(jìn)行了考察，七都大橋4#～7#墩樁基位于七都溪中，其余墩位于陸地。橋址區(qū)地表水主要為七都溪的溪水和河流階地上養(yǎng)殖區(qū)的池塘水，地下水類型主要為沖海積卵石層中的潛水、基巖風(fēng)化層中的孔隙裂隙水。潮汐類型屬正規(guī)半日潮，在一個太陰日內(nèi)發(fā)生兩次高潮和兩次低潮，高潮水位6～8 m，低潮水位1～3 m，潮差3～8 m。

1.2 腐蝕環(huán)境分析

七都大橋整治前，混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物均存在不同程度的剝蝕情況，且歷經(jīng)剝蝕的混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，剝蝕嚴(yán)重部位出現(xiàn)骨料外露現(xiàn)象(見圖1所示)。鑒于混凝土結(jié)構(gòu)服役過程中受剝蝕的情況，對服役環(huán)境中現(xiàn)存的潛在危害(土和水)進(jìn)行成分分析，其XRD譜圖、離子濃度結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖1 七都大橋附近混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物腐蝕狀態(tài)

通過圖2可知，服役環(huán)境中主要面臨硫酸鹽、氯鹽侵蝕；進(jìn)一步分析服役環(huán)境中土和水的離子濃度(如圖3所示)，也反映出混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的破壞來源于硫酸鹽和氯鹽；此外從現(xiàn)場可知破損主要出現(xiàn)于與土接觸的部位，呈現(xiàn)起皮、脫落，由此判斷七都大橋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞主要以硫酸鹽為主。

圖2 服役環(huán)境中土和水的XRD譜圖

圖3 服役環(huán)境中土和水離子濃度

2 混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)七都大橋的服役環(huán)境，墩柱、系梁、蓋板用混凝土設(shè)計要求強(qiáng)度等級為C40，坍落度140～180 mm，結(jié)合結(jié)構(gòu)海工混凝土耐久性設(shè)計規(guī)范要求，確定抗硫酸鹽侵蝕混凝土最大水膠比為0.4。

2.1 主要原材料

水泥：采用蕪湖海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分見表1。礦物摻合料：FⅡ型粉煤灰由福建鼎旺再生有限公司提供，其化學(xué)成分見表1。細(xì)骨料：福建欣旭建筑提供的中砂，細(xì)度模數(shù)2.8；粗骨料：福建欣旭建筑提供的5～25 mm碎石(10～25 mm摻60%，5～10 mm摻40%)，各項性能指標(biāo)滿足水泥混凝土配合比要求。減水劑：采用武漢辰龍科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率27%，摻量1.186%。

表1 水泥、粉煤灰化學(xué)組成%

2.2 性能測試方法

新拌混凝土工作性能和含氣量測試依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50080-2016)；抗壓強(qiáng)度測試依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50081-2019)；滲透性(電通量法)和抗凍融性測試依據(jù)《普通混凝土長期性和耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/50082-2009)。

2.3 混凝土配比

既有的七都大橋混凝土結(jié)構(gòu)主要面臨硫酸鹽的侵蝕，因此配合比設(shè)計在滿足強(qiáng)度的前提下增加礦粉摻量，同時考慮施工時混凝土和易性摻加粉煤灰，降低混凝土內(nèi)部孔隙摻加有機(jī)高性能改性劑，五種配合比設(shè)計如表2所示。

表2 五種混凝土配合比kg/m3

3 結(jié)果分析與討論

3.1 新拌混凝土的工作性和保坍性

兼顧施工和耐久性，七都大橋的墩柱、系梁、蓋板混凝土坍落度設(shè)計要求為140～180 mm，拌合物自出機(jī)到現(xiàn)場施工時間不得超過2 h。

五種配合比坍落度2 h 內(nèi)發(fā)展趨勢如表3所示。由表3知：①五種配合比中C1配合比2 h內(nèi)坍落度損失量最大；新拌混凝土的坍落度值隨著水膠比增大而增大，相同重度的配合比隨水膠比的降低拌合物中膠凝材料增多，使得拌合物的粘聚性增大，因此低水膠比的C1配合比坍落度損失最大。②對比C2、C3配合比，水膠比為0.37和0.39時2 h內(nèi)的坍落度損失量相等，因此在保證強(qiáng)度最佳的條件下優(yōu)選C2配合比。③對比C2、C4、C5配合比2 h內(nèi)坍落度損失量相同，C4、C5配合比新拌混凝土坍落度均大于C2，究其主要原因，C2、C4、C5為同重度、同水膠比、同水泥摻量配合比，差異在于粉煤灰、礦粉摻量的占比，C4、C5配合比中粉煤灰摻加量均高于C2，粉煤灰微結(jié)構(gòu)的球形顆粒狀態(tài)使得混凝土的坍落度增大。

國道G104改建項目地處寧德蕉城區(qū)屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫為17.5 ℃，配合比設(shè)計時不考慮摻加引氣劑，同時為降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙率，采用低引氣型高性能減水劑，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)密實性。五種配合比2 h內(nèi)含氣量的發(fā)展趨勢如表3所示，由表3知：①五種配合比中C1配合比2 h內(nèi)含氣量損失最大。②對比C1、C2、C3，隨著水膠比的增大含氣量隨之增大，C1、C2、C3配合比重度等同，膠凝材料的摻加量隨著水膠比的增大而減少，即水泥的用量隨之降低，水泥對微小氣泡具有吸附作用，其摻量越大，混凝土的含氣量越低，因此C1配合比新拌混凝土的含氣量和2 h內(nèi)含氣量的損失最大；C2配合比2 h含氣量的損失小于C3，即C2配合比穩(wěn)定、新拌混凝土內(nèi)部的含氣量較佳。③C2、C4、C5配合比中隨著礦物摻合料中粉煤灰摻入量的增加，新拌混凝土的含氣量隨之增大，即C4=C5>C2，2 h內(nèi)含氣量的變化趨勢為C2=C4>C5，C5配合比穩(wěn)定、新拌混凝土內(nèi)部含氣量優(yōu)于C2、C4，粉煤灰以其自身球形顆粒狀的微結(jié)構(gòu)，使得混凝土拌制過程中引入氣體，從而提高混凝土整體的含氣量。

表3 五種配合比混凝土拌合物性能指標(biāo)

施工過程中，新拌混凝土坍落度和含氣量2 h以內(nèi)的損失率是確保后期混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度發(fā)展、微結(jié)構(gòu)斷面是否致密、抵抗硫酸鹽進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部腐蝕的關(guān)鍵，坍落度、含氣量損失率小可確保施工過程中混凝土結(jié)構(gòu)整體的勻質(zhì)性，減少蜂窩、麻面、裂紋等缺陷帶來的強(qiáng)度下降、結(jié)構(gòu)表層疏松多孔等問題。綜合上述五種配合比坍落度、含氣量2 h內(nèi)的變化趨勢，C2配合比的坍落度、含氣量為最佳選擇。

3.2 混凝土的強(qiáng)度

五種配合比抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化如圖4所示，由圖4知：①同齡期下抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢為C1>C2>C4>C5>C3，90 d時抗壓強(qiáng)度C1(56.8 MPa)>C2(56.2 MPa)>C4(53.0 MPa)>C5(52.2 MPa)>C3(50.9 MPa)，C1、C2配合比齡期90 d時抗壓強(qiáng)度值較為接近。②7 d至90 d，五種配合比的增長率規(guī)律為C2(19.07%)>C4(17.66%)>C5(16.10%)>C3(15.60%)>C1(15.21%)，即水膠比為0.37的配合比抗壓強(qiáng)度增長趨勢較為明顯，其增長率分別高于水膠比0.39和0.35配合比，因此水膠比為0.37時抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢最佳。③相同膠凝材料、水膠比為0.37的C2、C4、C5配合比因膠凝材料中礦物摻合料的差異抗壓強(qiáng)度呈差異化發(fā)展，即C2>C4>C5。

圖4 五種配合比抗壓強(qiáng)度趨勢

抗壓強(qiáng)度呈上述發(fā)展趨勢的主要原因為：①不同水膠比下強(qiáng)度的發(fā)展趨勢為C1>C2>C3，抗壓強(qiáng)度隨著水膠比增大而減小，水膠比增大勢必減弱膠凝材料顆粒間的粘結(jié)性，繼而造成凝結(jié)硬化后混凝土斷面的孔隙率較大，致使強(qiáng)度的下降。②齡期由7 d至90 d時水膠比為0.37時抗壓強(qiáng)度的增長趨勢較為明顯，究其原因，水膠比較低時固然可以增加凝結(jié)硬化漿體的強(qiáng)度，但低水膠比帶來的顆粒間團(tuán)聚、粘連不可避免的降低膠凝材料顆粒的水化速率，過高的水膠比會削弱膠凝材料顆粒水化過程中生成的“水化結(jié)晶網(wǎng)”降低抗壓強(qiáng)度，水膠比0.37時膠凝材料顆粒團(tuán)聚的解離和水化過程中結(jié)晶網(wǎng)生成達(dá)到相對平衡的狀態(tài)，因此0.37的水膠比增長率最佳。③水膠比為0.37的C2、C4、C5抗壓強(qiáng)度呈C2>C4>C5趨勢發(fā)展，究其原因，隨著配合比中粉煤灰摻量的增加抗壓強(qiáng)度呈遞減趨勢發(fā)展，粉煤灰的微結(jié)構(gòu)球形固然可以提高漿體的流動性，但其水化作用能力較弱，因此相同膠凝材料摻量的混凝土隨粉煤灰摻量的增大勢必引起強(qiáng)度的下降。

綜合現(xiàn)有工程實例可知，混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越高，其微結(jié)構(gòu)水化結(jié)晶相數(shù)量越多，隨著混凝土內(nèi)部水化進(jìn)程的發(fā)展，水化結(jié)晶相相互交錯、搭接形成致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，致密的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)可有效解決氯離子、硫酸根離子向混凝土內(nèi)部遷徙過程中導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)服役性能下降的問題，因此混凝土結(jié)構(gòu)的耐腐性能隨著強(qiáng)度的增大而提高。對比五種配合比強(qiáng)度發(fā)展，其中C1配合比的強(qiáng)度最佳，但其2 h內(nèi)坍落度和含氣量的損失率最大，混凝土澆筑過程中易引起澆筑不均勻?qū)е碌慕Y(jié)構(gòu)性能下降等問題；齡期90 d時，C2、C1配合比的強(qiáng)度差距較小，結(jié)合混凝土坍落度和含氣量發(fā)展趨勢可得C2配合比優(yōu)于C1。

3.3 混凝土的耐久性

混凝土電通量值、抗氯離子滲透系數(shù)是混凝土耐久性的關(guān)鍵衡量指標(biāo)。五種配合比電通量值、抗氯離子滲透系數(shù)發(fā)展規(guī)律如圖5所示，56 d電通量發(fā)展規(guī)律為C3(801 C)>C5(783 C)>C4(766 C)>C2(702 C)>C1(637 C)，56 d抗氯離子滲透系數(shù)發(fā)展趨勢為C3>C5>C4>C2>C1，硬化漿體微結(jié)構(gòu)斷面致密程度越低滲透能力越強(qiáng)，與56 d抗壓強(qiáng)度C1>C2>C4>C5>C3呈反向發(fā)展趨勢，抗壓強(qiáng)度增大其抗?jié)B透能力隨之增大，表現(xiàn)出凝結(jié)硬化后混凝土的電通量值和抗氯離子滲透系數(shù)降低。綜合比選，C2為選定的最佳配合比。

圖5 五種配合比56 d電通量、抗氯離子系數(shù)擴(kuò)散

3.4 長期硫酸鹽侵蝕環(huán)境下強(qiáng)度保證率分析

利用上述五種配比成型150 mm立方體試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至齡期28 d，利用石蠟密封試塊四周。硫酸鹽侵蝕溶液由待服役的水環(huán)境中取得，采用控制電壓為60 V的電脈沖手段對五種配合比齡期為28 d時混凝土試件進(jìn)行侵蝕破壞。

歷時28 d、56 d電脈沖作用下五種配合比強(qiáng)度發(fā)展趨勢如圖6所示：①電脈沖時間為28 d時，五種配合比強(qiáng)度剩余率發(fā)展趨勢為C1(91.1%)=C2(91.1%)>C4(89.7%)>C5(88.2%)>C3(85.7%)，即C1、C2配合比強(qiáng)度剩余率相近，C3、C4、C5配合比強(qiáng)度剩余率變化趨勢與抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢相同。②電脈沖時間為56 d時，五種配合比強(qiáng)度剩余率發(fā)展趨勢為C2(86.2%)>C1(82.6%)>C4(79.8%)>C5(77.9%)>C3(75.6%)，此時C2配合比強(qiáng)度剩余率大于C1，C3、C4、C5配合比強(qiáng)度剩余率，變化趨勢與電脈沖時間為28 d時C3、C4、C5配合比強(qiáng)度剩余率、抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢等同。究其主要原因，C1配合比中水泥的摻入量大于C2，即水化生成的水化鋁酸鈣含量較高，水化鋁酸鈣與電脈沖作用下硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成對強(qiáng)度貢獻(xiàn)較小且處于介穩(wěn)狀態(tài)的AFt，因此C2配合比強(qiáng)度剩余率高于C1；而C3配合比強(qiáng)度剩余率較低的主要原因歸結(jié)于自身強(qiáng)度較低，斷面水化微結(jié)構(gòu)水化產(chǎn)物形成的網(wǎng)絡(luò)狀致密程度較低，隨著硫酸鹽的沖刷侵蝕進(jìn)一步削弱水化網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，致使C3配合比強(qiáng)度剩余率強(qiáng)度下降。綜合比較，C2配比表現(xiàn)最優(yōu)。

圖6 電脈沖侵蝕環(huán)境下強(qiáng)度發(fā)展趨勢

3.5 混凝土結(jié)構(gòu)表面涂刷FSD104有機(jī)硅防水、防腐劑

4 工程應(yīng)用

國道G104改擴(kuò)建項目完成后七都大橋墩身混凝土結(jié)構(gòu)服役情況如圖7所示，對比調(diào)研七都大橋附近的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物，采用C2配合比和表面涂刷FSD104有機(jī)硅的墩身混凝土結(jié)構(gòu)表面光滑且未發(fā)現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象。

圖7 七都大橋墩身混凝土整治效果

5 結(jié)論

(1) 通過國道G104改擴(kuò)建項目中七都大橋周邊土質(zhì)、水質(zhì)分析，得出既有混凝土結(jié)構(gòu)面臨硫酸鹽侵蝕環(huán)境。

(2) 綜合新拌混凝土的工作性、力學(xué)性以及抗氯離子侵蝕性能、長期硫酸鹽侵蝕環(huán)境下強(qiáng)度保證率等指標(biāo)得出C2配合比為最佳配合比。