混凝土材料耐久性性能指標(biāo)的探索與試驗驗證

李春艷 李顧媛

(中國水電十一局有限公司中心試驗室，河南 鄭州 450001)

混凝土材料耐久性性能指標(biāo)的探索與試驗驗證

李春艷 李顧媛

(中國水電十一局有限公司中心試驗室，河南 鄭州 450001)

混凝土耐久性設(shè)計已成為確保混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物達(dá)到設(shè)計使用年限的前提和基礎(chǔ)，本文從混凝土材料的反應(yīng)原理與破壞機(jī)理出發(fā)，通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究、試驗檢測，初步確定了混凝土耐久性設(shè)計需要考慮的性能指標(biāo)，并通過試驗檢測論證了河南省鄭州市隴海快速化通道混凝土的使用壽命。

混凝土；耐久性能；評價體系；破壞機(jī)理

1 概 述

P.K Mehta基于整體論建立了混凝土受外界環(huán)境影響而劣化的整體模型。由混凝土劣化的整體論模型可知，混凝土的滲透性與耐久性之間有著密切的聯(lián)系。盡管如此，目前沒有任何一種試驗方法可以準(zhǔn)確評價混凝土對任意侵蝕介質(zhì)的抗?jié)B能力。國內(nèi)外通常將混凝土所處環(huán)境類別劃分為氯鹽環(huán)境、碳化環(huán)境、凍融破壞環(huán)境、化學(xué)侵蝕環(huán)境和磨蝕環(huán)境，不同環(huán)境下混凝土劣化的機(jī)理和侵蝕介質(zhì)作用的方式不同。本文從混凝土材料反應(yīng)原理與外界環(huán)境對混凝土破壞機(jī)理進(jìn)行分析探討，并查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究了影響混凝土耐久性的指標(biāo)。然后模擬自然環(huán)境進(jìn)行試驗檢測，初步建立了不同環(huán)境下混凝土耐久性能的評價指標(biāo)體系，擬探索出一種評價混凝土耐久性的性能參數(shù)，為將來的混凝土耐久性設(shè)計提供參考。

2 反應(yīng)原理研究

2.1 混凝土的反應(yīng)原理

混凝土是以水與水泥及適量的外加劑為膠凝體系將合理級配的骨料包裹在一起的混合物，它的性能由各組分原材料質(zhì)量、骨料的級配、膠凝體系的性能及其配合比決定，其中膠凝體系作為各組分的黏合劑，對混凝土的整體性能影響最大。混凝土膠凝材料的作用原理主要是水泥的水化反應(yīng)。

水泥與水拌合后，其中的主要熟料礦物與水反應(yīng)原理如下：

此外，水泥中還有少量的鋁酸三鈣、鐵鋁酸鈣石膏存在，從反應(yīng)式中可以看出，水泥的水化產(chǎn)物除了孰料礦物的各類水合產(chǎn)物外，還有副產(chǎn)物Ca(OH)2，它是膠凝體系呈現(xiàn)了堿性，同時也為混凝土中鋼筋鈍化膜的形成提供了條件。

2.2 外界環(huán)境對混凝土的破壞原理

混凝土中各熟料礦物的水合反應(yīng)需要的水分是有限的，而在拌合過程中為了保證拌合物性能需要加入過量的水，體系中多余的自由水在養(yǎng)護(hù)過程中會揮發(fā)出去，自由水揮發(fā)時使混凝土內(nèi)部遍布毛細(xì)孔，這些毛細(xì)孔成為外界環(huán)境破壞混凝土的主要通道。

關(guān)于混凝土的破壞形式，除了在施工過程中由于原材料質(zhì)量不合格、配合比不合理、振搗不到位、養(yǎng)護(hù)不得當(dāng)?shù)脑蚣敖Y(jié)構(gòu)應(yīng)力不均勻外，最常見的就是氯離子導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕、混凝土的凍融破壞、碳化、水滲漏等形式。

鋼筋銹蝕的過程就是Cl-滲透到混凝土內(nèi)部破壞鋼筋鈍化膜，而反應(yīng)產(chǎn)物導(dǎo)致鋼筋周圍混凝土保護(hù)層銹脹開裂的過程。

混凝土的凍融破壞是當(dāng)溫度低于0℃時，混凝土毛細(xì)孔內(nèi)部的水分轉(zhuǎn)化為冰，體積膨脹對混凝土的破壞，反復(fù)的體積膨脹可導(dǎo)致混凝土的剝蝕脫落。

混凝土的碳化過程是CO2滲透到混凝土內(nèi)部與H2O結(jié)合以CO32-形式與混凝土內(nèi)部中的Ca(OH)2反應(yīng)導(dǎo)致混凝土堿性體系破壞，鈣質(zhì)析出物向外遷移的過程。

至于混凝土滲漏除了混凝土裂縫、蜂窩、麻面外，還有就是混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔的原因。

這些破壞因素成為影響混凝土耐久性的重要指標(biāo)。

表1 涉及到混凝土耐久性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

表2 C50混凝土耐久性試驗檢測臺賬(澆注部位U44聯(lián)箱梁)

3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等資料調(diào)研與論證

為了進(jìn)一步確定影響混凝土耐久性的性能指標(biāo)，我們查閱了相關(guān)的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了論證，共找到如下10篇標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行了分析、研究。

通過研究以上標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，得出如下結(jié)論：影響混凝土耐久性的因素主要為抗氯離子滲透、抗水滲透、碳化性能、抗凍性能。

其中《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》TB 10005-2010涉及到對指標(biāo)抗氯離子滲透(通過電通量指標(biāo)參數(shù)反映)的要求；《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》GB/T 50476-2008涉及到對指標(biāo)抗凍性能的要求。

4 性能測試與驗證

鄭州市隴海路快速通道是鄭州市目前唯一直接貫穿東西、連接高速路的全程高架路，是鄭州市道路快速系統(tǒng)的重要組成部分，在疏導(dǎo)鄭州市交通具有重要的作用。

在確定影響混凝土耐久性的相關(guān)指標(biāo)后，我們以隴海快速化通道C50混凝土為基礎(chǔ)研究對象參照GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗標(biāo)準(zhǔn)與方法》、GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(附條文說明)》進(jìn)行試驗檢測與驗證，制定了如下檢測臺賬：

4.1 抗氯離子滲透試驗(電通量法)

本檢測方法是以通過混凝土試件的電通量為指標(biāo)來確定混凝土抗氯離子滲透性能。

測試結(jié)束后，繪制電流與時間的關(guān)系圖，對曲線做面積積分，得到試驗6h通過的電通量。

4.2 抗凍試驗(快凍法)

本方法用于測定混凝土試件在水凍水融條件下，以經(jīng)受的快速凍融循環(huán)次數(shù)來表示的混凝土抗凍性能。

采用快速凍融循環(huán)裝置測試，每隔25次凍融循環(huán)宜測量試件的橫向基頻、檢查其外部損傷并稱量試件的質(zhì)量，試驗結(jié)果以相對動彈性模量和質(zhì)量損失率表征。

表3 電通量測試結(jié)果

4.3 碳化試驗

本方法是測定一定濃度的二氧化碳?xì)怏w介質(zhì)中混凝土試件的碳化程度。

經(jīng)烘干處理后的試件，除應(yīng)留下一個或相對的兩個側(cè)面外，其余表面應(yīng)采用加熱的石蠟予以密封，然后在暴露側(cè)面上沿長度方向用鉛筆以10mm間距畫出平行線，作為預(yù)定碳化深度的測量點。

表4 抗凍性能測試結(jié)果

表5 碳化試驗結(jié)果

4.4 抗水滲透試驗(滲水高度法)

本方法是以測定硬化混凝土在恒定水壓力下的平均滲水高度來表示的抗水滲透性能。

表6 抗水滲透試驗結(jié)果

4.5 結(jié)果評價

北美、歐洲以及東南亞的很多國家在設(shè)計和驗收高性能混凝土?xí)r，通常規(guī)定電通量在1000C以下視為合格。在我國，《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》(TB 10005-2010)中也將混凝土的電通量作為混凝土耐久性質(zhì)量的一項控制指標(biāo)，在評價混凝土耐久性時，將電通量(56d)在1000C以下、抗凍耐久性指數(shù)不低于60%視為混凝土使用壽命可達(dá)到100年。綜合以上測試結(jié)果，與規(guī)范中的設(shè)計要求比對，得出以下結(jié)論：抗氯離子滲透、抗凍性這兩項測試結(jié)果滿足設(shè)計規(guī)范的要求，碳化性能、抗水滲透性能相對于較優(yōu)，隴海快速化通道C50混凝土的使用壽命不小于100年。

表7 試驗結(jié)果評價

5 結(jié) 語

本文探討分析了混凝土的反應(yīng)機(jī)理與破壞原理，確定了混凝土耐久性設(shè)計需要規(guī)定的主要性能指標(biāo)主要為抗凍性能，并對隴海路快速化通道C50混凝土耐久性進(jìn)行了驗證，為以后的混凝土耐久性研究與設(shè)計提供了參考。

[1]混凝土材料耐久性評價指標(biāo)研究[J]鐵道部科學(xué)研究院碩士論文

[2]淺談混凝土保護(hù)材料[J]2012全國水工泄水建筑物安全與病害處理技術(shù)應(yīng)用專刊

[3]GB/T50082-2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法

[4]高性能阻銹混凝土應(yīng)用于軍港碼頭維修的技術(shù)研究華南理工大學(xué)碩士論文

[5]機(jī)制砂混凝土的酸雨中性化[J]新型建筑材料2013,40(6)

[6]廢棄混凝土再生系列材料用于預(yù)拌混凝土中的試驗研究[J]商品混凝土2011,05

[7]水性滲透型無機(jī)防水劑對混凝土耐久性的影響[J]長沙理工大學(xué)碩士論文

Exploration and experimental verification of durability performance parameters of concrete materials

The design of concrete durability has become the prerequisite and foundation for ensuring the design life of concrete structures．Based on the reaction mechanism and destruction principle of concrete materials, the performance parameters of concrete durability is preliminarily determined through the standard specification research,the service life of concrete in Longhai Expressway of Zhengzhou City in Henan Province is demonstrated by test．

concrete；durability；evaluation system；destruction mechanism

TU528．31 文獻(xiàn)識別碼：B

1003-8965(2017)03-0009-03