陳天地 張 宇 戴勝勇 陳建峰

(中國(guó)中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川成都 610031)

1 引言

與鋼橋相比，混凝土橋具有耐久性好的特點(diǎn)，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中降低了其維護(hù)成本。但是在惡劣環(huán)境中，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性依然會(huì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。1987年，美國(guó)國(guó)家材料顧問(wèn)委員會(huì)調(diào)查研究指出，大量混凝土橋使用年限遠(yuǎn)低于40～50年的設(shè)計(jì)壽命。研究表明，在役混凝土橋梁普遍存在鋼筋銹蝕、混凝土水侵等各類耐久性劣化問(wèn)題[1]。因此，開(kāi)展針對(duì)混凝土橋梁耐久性的研究具有重大工程價(jià)值[2]。影響混凝土橋梁耐久性的關(guān)鍵因素包含橋址環(huán)境，同時(shí)也取決于設(shè)計(jì)、材料、施工和養(yǎng)護(hù)[3－4]。

橋梁樁基是橋梁的重要承載構(gòu)件，橋梁所有荷載均通過(guò)樁基傳遞至土體，其承載能力直接關(guān)系橋梁安全。橋梁樁基受到土體中腐蝕性物質(zhì)作用，導(dǎo)致其性能劣化，已有針對(duì)混凝土耐久性宏觀現(xiàn)象的大量研究成果[5]。環(huán)境是影響混凝土樁基承載能力的主要因素，高寒沼澤地區(qū)、多年凍土區(qū)等都會(huì)導(dǎo)致橋梁樁基嚴(yán)重劣化，最終導(dǎo)致承載能力下降[6－8]。因此，在橋梁樁基設(shè)計(jì)中，需要考慮腐蝕環(huán)境對(duì)橋梁樁基性能的劣化作用[9]；同時(shí)，需要提出針對(duì)特殊地區(qū)橋梁樁基的施工工藝，保證樁基質(zhì)量[10]；此外，針對(duì)性地提出適當(dāng)?shù)姆栏胧┮材芴岣邩蛄簶痘途眯訹11]。為了指導(dǎo)設(shè)計(jì)和管養(yǎng)，需要評(píng)估橋梁樁基在各類導(dǎo)致劣化環(huán)境中的損傷程度[12－13]。高耐腐蝕材料也是提高橋梁樁基混凝土的方法，其可用于鹽堿地下水環(huán)境[14]。高原地區(qū)包含多種不良土體環(huán)境，高原地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)較少，針對(duì)該地區(qū)的橋梁樁基混凝土研究缺乏，亟需開(kāi)展高原地區(qū)高耐腐蝕樁基混凝土研究，提出滿足高原地區(qū)混凝土制備技術(shù)。

本文針對(duì)高耐腐蝕樁基混凝土提出了其工作性評(píng)價(jià)指標(biāo)，探明水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，開(kāi)展混凝土耐腐蝕性能對(duì)比試驗(yàn)，提出高耐腐蝕樁基混凝土配置要點(diǎn)，并用于高原地區(qū)鐵路建設(shè)。

2 混凝土劣化危害

混凝土劣化主要由環(huán)境侵蝕導(dǎo)致，主要包括硫酸鹽侵蝕、氯離子侵蝕、凍融破壞和堿－骨料反應(yīng)。

硫酸鹽主要通過(guò)物理侵蝕和化學(xué)侵蝕導(dǎo)致混凝土裂縫產(chǎn)生，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低[15]。氯離子可以通過(guò)擴(kuò)散、滲透和毛細(xì)管吸附等各種方式進(jìn)入混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致鋼筋的腐蝕、混凝土的開(kāi)裂，在嚴(yán)重的情況下，還能導(dǎo)致混凝土保護(hù)層的脫落[16]。在混凝土內(nèi)部的水隨著溫度的降低而逐漸結(jié)冰，導(dǎo)致體積膨脹，導(dǎo)致周?chē)炷廉a(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、剝落和掉塊等病害。堿－骨料反應(yīng)是影響混凝土耐久性最主要的因素之一，使混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力增大，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，嚴(yán)重的可導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)崩潰[17]。

綜上表明，環(huán)境侵蝕會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和力學(xué)性能劣化，甚至危及結(jié)構(gòu)的安全。

3 高耐腐蝕樁基混凝土指標(biāo)和力學(xué)性能

處于氯鹽、硫酸鹽侵蝕性介質(zhì)中的灌注樁，需要其混凝土具有高抗?jié)B性、耐腐蝕性。高耐腐蝕樁基混凝土具有比普通樁基混凝土更高的耐腐蝕性能，腐蝕環(huán)境對(duì)其劣化效果更小。

3.1 高耐腐蝕樁基混凝土工作性評(píng)價(jià)指標(biāo)

混凝土工作性是保證混凝土順利施工和質(zhì)量的重要特性，是保證工程順利實(shí)施的重要影響因素[18]。針對(duì)樁基施工特點(diǎn)及其混凝土流動(dòng)特性，采用Ormit儀開(kāi)展樁基承臺(tái)混凝土工作性能的評(píng)價(jià)。

由于倒坍落度筒流出時(shí)間尚且沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，與倒坍落度筒相似的檢測(cè)設(shè)備有Ormit儀，倒坍落度筒和Ormit儀流出時(shí)間的相關(guān)性如圖1所示。結(jié)果表明，倒坍落度筒流出時(shí)間與Ormit儀流出時(shí)間之間具有很好的相關(guān)性，相關(guān)度達(dá)0.92。因此，可以采用Ormit儀來(lái)評(píng)價(jià)樁基承臺(tái)混凝土的工作性能，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)Ormit儀時(shí)，也可采用倒坍落度筒流出時(shí)間來(lái)代替。

圖1 倒坍落度筒與Ormit儀流出時(shí)間的相關(guān)性

當(dāng)混凝土泌水時(shí)，混凝土坍落度或擴(kuò)展度很大，但其倒坍落度筒流出時(shí)間和Ormit流出時(shí)間均大大增加，如坍落度為240 mm、擴(kuò)展度為590 mm，其Ormit流出時(shí)間為23.31 s。結(jié)果表明，Ormit流出儀對(duì)混凝土泌水的評(píng)價(jià)更為敏感。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)研究成果，灌注樁混凝土擴(kuò)展度宜大于450 mm，Ormit流出時(shí)間宜小于13 s，倒坍落度筒流出時(shí)間宜小于19 s。

3.2 高耐腐蝕樁基混凝土的力學(xué)性能

強(qiáng)度是混凝土內(nèi)部孔隙率、孔徑尺寸、孔特征、孔分布以及骨料級(jí)配的一個(gè)綜合反映。為了探明樁基混凝土在不同影響因素作用下混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，開(kāi)展試驗(yàn)研究水膠比、膠凝材料用量(B)對(duì)樁基混凝土強(qiáng)度的影響，調(diào)整減水劑用量使混凝土摻合物具有相近的工作性。不同水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖2和圖3所示。

圖2 水膠比對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響(水泥品種1)

圖3 水膠比對(duì)強(qiáng)度的影響(水泥品種2)

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水膠比在0.32～0.5之間時(shí)，各齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度與水膠比成反比；當(dāng)膠凝材料用量在340～400 kg/m3之間時(shí)，對(duì)混凝土強(qiáng)度影響相對(duì)較??；大部分配合比的56 d齡期強(qiáng)度都大于或等于38.3 MPa，滿足樁基高性能混凝土的強(qiáng)度要求；當(dāng)混凝土的水膠比降低到0.4以下時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d和56 d的混凝土強(qiáng)度高于38.3 MPa，滿足樁基高性能混凝土的強(qiáng)度要求。因此，在配制樁基高性能混凝土?xí)r，宜控制水膠比在0.4以下。

4 高耐腐蝕樁基混凝土的耐腐蝕性能

提高樁基耐久性最好的方法是提高混凝土自身的抗腐蝕性能。因此，從提高樁基承臺(tái)混凝土的密實(shí)性、減少腐蝕離子進(jìn)入到混凝土內(nèi)部的角度出發(fā)，研究提高樁基承臺(tái)混凝土腐蝕性能。

4.1 水灰比對(duì)混凝土耐腐蝕性能的影響

研究水灰比對(duì)混凝土耐腐蝕性能影響時(shí)，采用強(qiáng)度值和質(zhì)量損失率作為耐腐蝕性判定指標(biāo)。在膠砂比1∶3的條件下，水灰比對(duì)砂漿抗硫酸鹽侵蝕性能和強(qiáng)度的影響如圖4所示。

圖4 水灰比對(duì)砂漿重量損失率和強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，水灰比從0.35增加到0.55，試件的重量損失率從2.35%增加至18.34%，抗壓強(qiáng)度從74.6 MPa降低至46.9 MPa；同時(shí)隨著水灰比增加，試件表面開(kāi)裂和剝落現(xiàn)象更嚴(yán)重。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，隨著水灰比增加，試件砂漿滲透性增強(qiáng)，增加其劣化程度，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度大幅降低。

4.2 粉煤灰對(duì)混凝土耐腐蝕性能的影響

由于樁基承臺(tái)所處環(huán)境中各種腐蝕鹽類的濃度較高，對(duì)原材料的抗腐蝕能力必須嚴(yán)格要求，通過(guò)測(cè)定浸泡在硫酸鈉溶液及自配海水溶液中的膠凝材料膠砂試體的抗折強(qiáng)度，與浸泡在潔凈飲用水中的同齡期試體抗折強(qiáng)度，計(jì)算抗蝕系數(shù)，以比較膠凝材料抗鹽類侵蝕的能力。

開(kāi)展了不同粉煤灰摻量(20%、30%、40%、50%、60%、70%)28 d和56 d膠材耐蝕系數(shù)試驗(yàn)，如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d的海水溶液試件，粉煤灰摻量為40%時(shí)，耐腐蝕系數(shù)增加至1.23，且粉煤灰摻量從0%到40%增加過(guò)程中耐腐蝕系數(shù)逐漸增加，增加至40%以后耐腐蝕系數(shù)基本穩(wěn)定于1.15～1.20；針對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d的Na2SO4溶液試件，粉煤灰摻量為40%時(shí)，耐腐蝕系數(shù)增加至1.27，且粉煤灰摻量從0%到40%增加過(guò)程中耐腐蝕系數(shù)逐漸增加，增加至40%以后耐腐蝕系數(shù)基本穩(wěn)定于1.11～1.24；針對(duì)養(yǎng)護(hù)56 d的海水試件，粉煤灰摻量為40%時(shí)，耐腐蝕系數(shù)增加至1.17，且粉煤灰摻量從0%到40%增加過(guò)程中耐腐蝕系數(shù)逐漸增加，增加至40%以后耐腐蝕系數(shù)基本穩(wěn)定于1.08～1.15；針對(duì)養(yǎng)護(hù)56 d的Na2SO4試件，粉煤灰摻量為30%時(shí)，耐腐蝕系數(shù)增加至1.33，且粉煤灰摻量從0%到30%增加過(guò)程中耐腐蝕系數(shù)逐漸增加，增加至30%以后耐腐蝕系數(shù)基本穩(wěn)定于1.09～1.24。當(dāng)粉煤灰摻量低于30%時(shí)，粉煤灰摻量增加對(duì)混凝土耐腐蝕性能提升顯著。

圖5 粉煤灰摻量對(duì)混凝土耐腐蝕性能的影響

4.3 礦物摻合料對(duì)混凝土耐腐蝕性能的影響

根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50082—2009)要求，通常測(cè)試混凝土的電通量來(lái)判定混凝土耐腐蝕性能。因此，開(kāi)展了礦物摻合料對(duì)混凝土56 d電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響試驗(yàn)，如圖6所示，圖中，橫坐標(biāo)1～10分別代表未摻合、20%FA、30%FA、40%FA、50%FA、60%FA、70%FA、35%FA/5%SF、30%FA/15%SL、30%FA/15%SL/高含氣。

圖6 礦物摻合料對(duì)混凝土電通量的影響

結(jié)果表明，隨著礦物摻合料的摻入，各編號(hào)混凝土試件電通量均顯著降低；當(dāng)粉煤灰摻量為70%時(shí)，混凝土電通量為1 384 C，降低幅度最小，當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，混凝土電通量為839 C，降低幅度最大；當(dāng)粉煤灰摻量為0%、60%和70%時(shí)，混凝土電通量大于1 000 C，不滿足耐久性要求；當(dāng)加入其他摻合料后混凝土試件電通量均降低至500 C以下，增強(qiáng)耐腐蝕性能更顯著。

4.4 膠凝材料對(duì)混凝土耐腐蝕性能的影響

對(duì)不同組成的膠凝材料進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)，比較水泥品種、摻合料種類、摻合料摻量對(duì)膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，圖中，F(xiàn)為粉煤灰，K為礦渣粉、G為硅灰。

圖7 不同組成膠凝材料抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)

結(jié)果表明，各齡期抗硫酸鹽水泥抗腐蝕系數(shù)均高于普硅水泥；如在普通硅酸鹽水泥中摻加一定比例的礦物摻合料，其抗侵蝕性得到提高；不同膠凝材料組成混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能大小依次為:硅灰＋粉煤灰雙摻＞單摻粉煤灰＞粉煤灰＋礦渣粉雙摻＞單摻礦渣粉＞抗硫酸鹽水泥＞普硅水泥。

5 高耐腐蝕樁基混凝土配制要點(diǎn)

通過(guò)研究配合比參數(shù)和專用外加劑等因素對(duì)樁基混凝土耐腐蝕性能的影響規(guī)律，主要包含膠材用量、最大水膠比、粉煤灰摻量、礦渣粉摻量和粉煤灰/礦渣粉＋硅灰摻量，并結(jié)合拉林鐵路地質(zhì)條件，推薦高耐腐蝕樁基混凝土配合比參數(shù)宜滿足表1和表2的規(guī)定，其中，表1的H4環(huán)境和表2的Y4環(huán)境應(yīng)采取防腐蝕強(qiáng)化措施，以上研究成果已用于拉林鐵路橋梁建設(shè)。

表1 化學(xué)侵蝕環(huán)境下混凝土配合比參數(shù)參考指標(biāo)

表2 鹽類結(jié)晶破壞環(huán)境下混凝土配合比參數(shù)參考指標(biāo)

6 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展高原地區(qū)高耐腐蝕橋梁樁基混凝土的試驗(yàn)研究，主要得到以下結(jié)論:

(1)提出高耐腐蝕樁基工作性能指標(biāo)，其中，擴(kuò)展度法指標(biāo)大于等于450 mm，倒坍落度筒流出時(shí)間小于等于19 s，Ormit儀流出時(shí)間小于等于13 s。

(2)當(dāng)水膠比在0.32～0.5之間時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增大而降低，水膠比與抗壓強(qiáng)度成反比；水膠比是影響混凝土強(qiáng)度的重要因素。

(3)水灰比從0.35增加到0.55，混凝土的滲透性增加，抗壓強(qiáng)度急劇降低；當(dāng)粉煤灰摻量低于30%時(shí)，粉煤灰摻量增加對(duì)混凝土耐腐蝕性能提升顯著；當(dāng)粉煤灰摻量為70%時(shí)，混凝土電通量最大，降低幅度最小，當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，混凝土電通量最低，當(dāng)加入其他摻合料后混凝土試件電通量降低更顯著，當(dāng)粉煤灰摻量為0%、60%和70%時(shí)，混凝土電通量大于1 000 C，不滿足耐久性要求，當(dāng)加入其他摻合料后混凝土試件電通量均降低至500 C以下，增強(qiáng)耐腐蝕性能更顯著。

(4)不同膠凝材料組成混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能大小依次為:硅灰＋粉煤灰雙摻＞單摻粉煤灰＞粉煤灰＋礦渣粉雙摻＞單摻礦渣粉＞抗硫酸鹽水泥＞普硅水泥。

(5)由于抗硫酸鹽水泥價(jià)格較高，對(duì)于控制和預(yù)防混凝土的硫酸鹽侵蝕病害，采用“普通硅酸鹽水泥＋礦物摻合料”優(yōu)于單純采用抗硫酸鹽水泥。