基于滲透性的混凝土力學和耐久性能指標相關性試驗

曾 力，朱蘊東，趙 卓

(1.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州450001;2.河南省建筑設計研究院有限公司，河南鄭州450014)

0 引言

混凝土的抗滲性能是評價混凝土耐久性的重要指標之一，傳統所采用的混凝土抗高壓水滲透的能力(即抗滲標號)，經實踐證明，已難以表征高強度等級混凝土的密實性能［1］.對于高性能或高強度等級混凝土，目前較多采用氯離子擴散系數來表征混凝土的抗滲透性能［1-3］.

工程界一般通過摻加礦物摻和料、高效減水劑、降低混凝土水膠比等措施來提高混凝土的抗滲性能，這些措施也將不同程度上影響混凝土的立方體抗壓強度、抗碳化能力以及內部結構等，而這些影響有可能是不一致的.目前針對混凝土滲透性能的研究較多集中于原材料因素如礦物摻和料、水泥種類、輕骨料、其它各類添加或替代物以及養護方式等對混凝土滲透性能等的影響［4-5］，而針對混凝土滲透性能與其它耐久性能指標相關關系的研究則相對較少，且較多集中于抗壓強度與混凝土滲透性能間相關關系的研究［6-7］.

筆者通過開展摻礦物摻和料混凝土的立方體抗壓、氯離子擴散系數、快速碳化試驗以及動彈性模量的試驗測試，分別研究了原材料、立方體抗壓、碳化深度、動彈性模量與不同齡期混凝土氯離子擴散系數間的相關關系.

1 試驗研究

1.1 試驗原材料

水泥:天瑞集團鄭州水泥股份有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5，比表面積354 m2/kg;細骨料:焦作產天然中砂，細度模數2.8，表觀密度2 630 kg/m3;人工機制砂:細度模數2.8，表觀密度2 680 kg/m3，石粉含量12%;粗骨料:新密產碎石，粒徑5～20 mm連續級配碎石，表觀密度2 708 kg/m3;水:飲用水;粉煤灰:洛陽首龍粉煤灰廠生產，F類Ⅱ級，細度18.5%;磨細礦渣粉:焦作市丹陽水泥有限公司生產，比表面積409 m2/kg，密度2.85 g/cm3;高效減水劑:河南新星建材有限公司生產的FN-S2高效減水劑，脂肪族系，水劑，減水率19.5%.

1.2 混凝土配合比

依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》和已有實際工程經驗，試驗所用混凝土配合比如表1所示.

1.3 試驗內容

按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》［8］測試4個試驗編號混凝土試塊28 d和84 d齡期的立方體抗壓強度.混凝土試塊尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每試驗編號每配合比各兩組試件.

表1 混凝土配合比Tab.1 Mix proportion of concrete kg·m-3

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》［9］測試4個試驗編號28 d齡期混凝土試塊碳化28 d后的碳化深度.混凝土試塊尺寸100 mm×100 mm×300 mm，每試驗編號每配合比各一組試件.按照規范的要求，設置二氧化碳濃度為20%(±3%)、濕度為70%(±5%)、溫度為20℃(±2℃).

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測試4個試驗編號84 d齡期混凝土試塊的動彈性模量.混凝土試塊尺寸100 mm×100 mm×400 mm，每試驗編號每配合比各一組試件.

按照JTG/TB 07-01—2006《公路工程混凝土結構防腐技術規范》［2］采用RCM法測試4個試驗編號混凝土試塊28 d和84 d齡期的氯離子擴散系數.混凝土試塊尺寸150 mm×150 mm×150 mm，每試驗編號每配合比各一組試件.試驗前將試塊按直徑100 mm取芯柱，并加工成規程所要求的高50 mm的圓柱體試樣.試驗所用的溶液包括陽極和陰極兩種溶液，陽極溶液為KOH溶液，陰極溶液為KOH+NaCl溶液，試驗用溶液均在試驗室配制.

1.4 試驗結果

混凝土立方體抗壓強度、碳化28 d后的碳化深度、84 d動彈性模量、氯離子擴散系數試驗結果如表2所示.

表2 混凝土試驗結果Tab.2 Test result of concrete

2 分析與討論

2.1 原材料對氯離子擴散系數的影響

單方水泥用量與不同齡期混凝土氯離子擴散系數間的回歸關系如圖1所示.單方膠凝材料用量與不同齡期混凝土氯離子擴散系數間的回歸關系如圖2所示.

圖1 單方水泥用量與不同齡期混凝土氯離子擴散系數間的回歸關系Fig.1 Regression relationship between chloride diffusion coefficient and cement amount per cube meter

不同齡期混凝土氯離子擴散系數均隨單方水泥用量的增大而降低，兩者之間具有一定的非線性回歸關系.不同齡期混凝土氯離子擴散系數均隨單方膠凝材料用量的提高而降低，84 d齡期混凝土氯離子擴散系數與單方膠凝材料用量具有良好的線性相關關系.

圖2 單方膠凝材料用量與不同齡期混凝土氯離子擴散系數間的回歸關系Fig.2 Regression relationship between chloride diffusion coefficient and cementitious material amount per cube meter

2.2 立方體抗壓強度與氯離子擴散系數的關系

混凝土28 d與84 d立方體抗壓強度與不同齡期混凝土氯離子擴散系數間的回歸關系如圖3和圖4所示.

由圖3和圖4可知，混凝土的氯離子擴散系數隨立方體抗壓強度的提高而降低.當混凝土處于28 d齡期時，其立方體抗壓強度與氯離子擴散系數具有一定的非線性回歸關系.楊錢榮［6］的研究表明:各種類型混凝土的滲透性與強度存在相關性，與普通混凝土相比，粉煤灰混凝土、引氣混凝土和粉煤灰引氣混凝土的滲透性與強度的線性相關性相對較低.

隨著混凝土齡期的增長，粉煤灰等礦物摻和料發生“二次水化”，火山灰活性效應及微填充效果逐步發揮出來，混凝土內部孔結構得到改善，后期強度和抗滲性能得到持續提高并趨于穩定，84 d齡期時，氯離子擴散系數與立方體抗壓強度之間呈現良好的線性相關關系.

2.3 碳化深度與氯離子擴散系數的關系

28 d齡期混凝土快速碳化28 d后的碳化深度與不同齡期混凝土氯離子擴散系數間的回歸關系如圖5所示.

圖5 28 d齡期混凝土碳化深度與不同齡期混凝土氯離子擴散系數間的回歸關系Fig.5 Regression relationship between chloride diffusion coefficient and carbonation depth of 28 d concrete

由圖5可以看出，不同齡期混凝土氯離子擴散系數均隨碳化深度的提高而提高，這是由于影響碳化深度的主要因素是混凝土本身的密實性和堿性儲備的大小，碳化深度與84 d齡期混凝土氯離子擴散系數線性相關性良好.

2.4 動彈性模量與氯離子擴散系數的關系

84 d齡期混凝土的動彈性模量與不同齡期混凝土的氯離子擴散系數間的回歸關系如圖6所示.

圖6 84 d齡期動彈性模量與不同齡期混凝土氯離子擴散系數間的回歸關系Fig.6 Regression relationship between chloride diffusion coefficient and 84 d dynamic elastic modulus

由圖6可以看出，不同齡期混凝土氯離子擴散系數均隨84 d齡期動彈性模量的提高而降低，這是由于混凝土動彈性模量的大小可反映混凝土內部的整體性和密實性.

3 結論

(1)對于摻礦物摻和料混凝土，隨著齡期的增長，混凝土的密實性提高，并體現于混凝土的立方體抗壓強度和氯離子擴散系數指標.

(2)不同齡期混凝土氯離子擴散系數隨單方水泥用量、單方膠凝材料用量的增大而降低，84 d齡期混凝土氯離子擴散系數與單方膠凝材料用量具有良好的線性相關關系.

(3)不同齡期混凝土氯離子擴散系數隨立方體抗壓強度的提高而降低，28 d立方體抗壓強度與84 d齡期混凝土氯離子擴散系數線性相關性良好，84 d立方體抗壓強度與不同齡期混凝土氯離子擴散系數線性相關性良好.

(4)不同齡期混凝土氯離子擴散系數均隨混凝土碳化深度的提高而提高，碳化深度與84 d齡期混凝土氯離子擴散系數具有良好的線性相關性.

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10005—2010鐵路混凝土結構耐久性設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［2］中華人民共和國交通部.JTG/T B07-01—2006公路工程混凝土結構防腐蝕技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB/T 50476—2008混凝土結構耐久性設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［4］謝友均，馬昆林，龍廣成，等.礦物摻合料對混凝土中氯離子滲透性的影響［J］.硅酸鹽學報，2006，34(11):1345-1350.

［5］HASAN Y，TOLGA I，OZKAN S.Effect of cement type on the resistance of concrete against chloride penetration［J］.Construction and Building Materials，2011，25(3):1282-1288.

［6］楊錢榮.摻粉煤灰和引氣劑混凝土滲透性與強度的關系［J］.建筑材料學報，2004，7(4):457-461.

［7］AKBAR R A，AMIRREZA P，MAHDIL M，et al.Practical evaluation of relationship between concrete resistivity，water penetration，rapid chloride penetration and compressive strength［J］.Construction and Building Materials，2011，25(5):2472-2479.

［8］中華人民共和國建設部.GB/T 50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［9］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.