碳化-硫酸鹽-干濕循環下的項目混凝土耐久性實驗研究

鄧芳

摘? ? ? 要：針對當前工程項目管理中混凝土質量控制的必要性，通過試驗的方式，探討了提高混凝土耐久性的問題。對此，在以往研究的基礎上，綜合考慮硫酸根離子腐蝕、碳化和干濕循環作用下，提高混凝土耐久性的最優用量。試驗結果表明，在水膠比為0.5，粉煤灰摻量在30%，引氣劑摻量在20%的情況下，得到的混凝土抗壓強度，耐蝕系數和彈性模量最穩定。通過以上的研究，為當前工程項目施工和管理提供了科學性的參考路徑。

關? 鍵? 詞：碳化;硫酸鹽腐蝕;耐久性;混凝土;項目管理

中圖分類號：TU528? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2019）10-2265-04

Abstract： In view of the necessity of concrete quality control in current project management， the problem of improving the durability of concrete was discussed by means of test. On the basis of previous studies， the effect of sulfate corrosion， carbonization and dry-wet cycle on the durability of concrete was investigated. The test results showed that the compressive strength， corrosion resistance coefficient and elastic modulus of concrete were the most stable when the water-cement ratio was 0.5， the content of fly ash was 30%， and the content of air entraining agent was 20%. The research can provide a scientific reference path for the current project construction and management.

Key words： Carbonization; Sulfate corrosion; Durability; Concrete; Project management

自混凝土發明以來，混凝土憑借低成本、結實耐用等特點，被廣泛應用在工程領域。伴隨著混凝土在工程領域的大量應用，提高混凝土的耐久性，成為當前學術領域研究的重要方向。所謂的混凝土耐久性，其本質就是混凝土的使用壽命。耐久性越好，混凝土的使用壽命越長，相反則越短。因此，為保證工程質量，在化工領域和工程建設領域，都對混凝土的耐久性問題進行了大量的研究。如高歌（2018）[1]則研究了混凝土性能的影響因素，結果表明在硫酸鹽和凍融環境下，水膠比和硫酸鹽的濃度對混凝土的耐久性有很大的影響;董方園（2018）[2]等則對高性能混凝土的耐久性文獻進行了全面梳理，認為高性能混凝土的耐久性受材料、摻量等的影響;張愷（2018）[3]等則研究了聚羧酸減水劑對混凝土耐久性的影響，結果表明在摻入部分聚羧酸減水劑后，混凝土的彈性模量下降;姚燕（2018）[4]等則探討了在荷載和比較復雜的環境下，對混凝土耐久性的影響。綜合以上研究看出，目前針對混凝土耐久性的研究中，多因素作用下對混凝土耐久性的影響成為當前研究的趨勢。但目前來講，針對混凝土耐久性的影響，多數文獻集中在氯鹽、硫酸鹽、氯鹽-硫酸鹽等方面，在考慮上述環境的情況下，還存在其他離子對混凝土的影響，如環境碳化影響，干濕循環影響等[5]。本文則綜合考慮混凝土碳化、硫酸鹽腐蝕和干濕循環等多種環境因素對混凝土耐久性的影響，并通過試驗的方式，找到其中的變化規律，以此為混凝土施工提供參考，提高項目管理水平。

1? 實驗部分

1.1? 主要原材料

本實驗用原材料主要包括普通硅酸鹽水泥（標號P.O42.5）、粉煤灰、粗細骨料、硫酸鈉和SJ-3皂甙類高效引氣劑。

1.1.1? 水泥

普通硅酸鹽水泥產自四川省星船城水泥股份有限公司，具體成分指標見表1所示。

1.1.2? 粉煤灰

粉煤灰作為混凝土制備的主要原材料，由氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO2 ）、三氧化二鋁（Al2O3）、三氧化二鐵（Fe2O3）等組成。這些成分能和Ca（OH）2反應，進而生成膠凝性物質和水硬材料，以提高混凝土強度和抗滲透性。本文采用的粉煤灰主要成分見表2所示。

1.1.3? 引氣劑

引氣劑選擇上海楓楊化工有限公司產的SJ-3皂甙類高效引氣劑，該引氣劑的特點在于為一種非離子型表面活性劑，可有效降低溶液張力，便于混凝土成形和穩定。

1.1.4? 硫酸鈉

本實驗用無水硫酸鈉采用上海研生實業產的，其主要指標見表3所示。

1.2? 混凝土配比方案

在工程項目中，為提高工程質量，特別是作為基礎的混凝土施工來講，一般會在混凝土中加入適量的粉煤灰和引氣劑。這樣的目的是防止混凝土開裂，同時提高混凝土的抗滲透性。同時，引氣劑的加入，使得混凝土中出現氣泡，黃蓉因凍融導致混凝土出現的膨脹應力，提高混凝土的抗凍性。另外結合不同工程項目地點的氣候特點，本文將該試驗方案的混凝土配合比設計為如表4所示。

1.3? 試驗方法

本實驗依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082-2009）開展混凝土試件的碳化、侵蝕和干濕循環試驗[6]。主要的試驗要點包括以下幾點：

（1）試件制備

考慮到試驗要求，按照 GB/T 50082-2009的相關標準對試件進行制作，大小為100 mm×100 mm×100 mm，在標準室養護28 d后，開始進行試驗。

（2）碳化實驗

在經過28 d養護后，放入碳化試驗箱內碳化28 d（相當于自然碳化50 a），在試驗前的2 d，從標準養護室取出試件，測定標準試件的各項指標，包括基準抗壓強度、基準動彈性模量等。然后，在烘干箱中烘干48 h。在碳化箱內，保持碳化箱中的溫濕度和二氧化碳的濃度。

（3）硫酸鹽侵蝕實驗

將經過碳化后的試件取出，置于硫酸鹽干濕循環環境中。同時在該實驗中，硫酸鹽濃度取5%。在接通電源后，設定相關的參數，然后進行風干和加熱等，知道設定的循環次數完成。在每進行10次干濕循環，則測量一次混凝土試件的抗壓強度、動彈性模量、質量損失率等指標的數值。當動彈性模量達到60%，或者質量損失達到5%，或者整個循環次數達到130次，則試驗結束。

2? 實驗結果

通過上述的實驗方法，分別得到在不同水膠比、引氣劑和粉煤灰摻量的情況下的混凝土耐久性劣化規律。

2.1? 不同粉煤灰用量下的混凝土耐久性影響

2.1.1? 不同粉煤灰摻量下的動彈性模量變化

在不同粉煤灰摻量下，得到經碳化和硫酸鹽侵蝕等綜合作用下的混凝土試件相對動彈性模量，具體見圖1所示。

通過以上結果看出，整體的動彈模量變化趨勢基本為先增加，然后快速下降的趨勢。其中，不摻粉煤灰的混凝土試件相對動彈性模型在干濕循環一定時間后，其值迅速下降。而當粉煤灰的摻量在20%的時候，動彈性模量的下降趨勢交其他摻量下的下降趨勢要慢。

由此，根據上述的結果看出，在實際工程應用中，應適當加入粉煤灰，但不是越多越好，其摻量在20%～30%之間較好。之所以加入粉煤灰可提高混凝土的耐久性，其主要的原因：一是粉煤灰細度小于水泥，可填充混凝土中的空隙，提高混凝土的密實性;二是粉煤灰中的活性成分可與水泥生成凝膠，進而在填充后減少硫酸鹽與混凝土的接觸，以提高混凝土的耐久性。

2.1.2? 不同粉煤灰摻量下的抗壓強度耐蝕變化

通過實驗測的在不同強度下的混凝土抗壓強度變化如圖2所示。根據圖看出，在不同摻量下，混凝土試件的抗壓強度變化趨勢基本一致，都是先上升，而后下降，其中不摻粉煤灰的抗壓強度耐蝕系數下降最快，而摻量為20%的情況下，試件抗壓強度下降較慢。

2.2? 不同引氣劑用量下的混凝土耐久性影響

2.2.1? 不同引氣劑用量下的動彈性模量變化

分別考察在不同引氣劑摻量下的混凝土試件動彈性模量，得到圖3所示的結果。

通過上述結果看出，在不同引氣劑用量下，混凝土試件的動彈性模量先增加，此后不斷下降。也就是說，引起劑的適當加入，在一定程度上可以提高混凝土的動彈性模量。之所以引氣劑可以提高混凝土的耐久性，主要原因是引氣劑可在混凝土內產生氣泡，從而阻斷毛細孔通道，以此提高混凝土的抗侵蝕能力。但是隨著引氣劑的增加，其內部會產生孔隙，進而使得硫酸鹽和二氧化碳等進入，組中造成化學侵蝕和碳化，以此降低了混凝土的耐久性。

2.2.2? 不同引氣劑用量下的混凝土抗壓強度

在不同用量下，試件的抗壓強度如圖4所示。

根據圖4看出，在侵蝕作用下，用量在20%和30%下的混凝土試件抗壓強度要明顯高于不用或用量在10%的混凝土試件。說明在相同的干濕循環下，用量在20%～30%之間，其抗壓強度要高。

2.3? 不同水膠比的混凝土變化影響

2.3.1? 不同水膠比下的動彈性模量變化

測定在不同水膠比下，經碳化-腐蝕和干濕循環的混凝土試件，進而得到圖5所示的動彈性模量變化結果。

根據圖5看出，在綜合侵蝕作用下，混凝土的動彈性模量先上升，而后保持穩定，最后快速下降。而比較不同水膠比下的動彈性模量看出，水膠比為0.45和0.5的混凝土試件，其動彈性模量分別下降至0.77和0.69，而水膠比為0.55的混凝土試件，其動彈性模量下降到0.6以下。由此可以看出，水膠比控制在0.5左右可提高相對動彈性模量。

2.3.2? 不同水膠比混凝土抗壓強度耐蝕系數變化

在不同水膠比下，分別在上述環境下對混凝土試件進行處理，得到圖6所示的抗壓強度耐蝕系數變化結果。

根據圖6看出，水膠比為0.45的情況下，在經過120次干濕循環后，其耐蝕系數變化最小，而當水膠比在0.55的情況下，其抗壓強度耐蝕系數變化最大。說明在經過一定時間后，混凝土試件受到新的腐蝕。

3? 討 論

通過上述的結果可以看出，在不同水膠比、粉煤灰和引氣劑用量下，對混凝土的抗壓強度耐蝕系數、動彈性模量的影響不同。如在上述的結果中看到，在經過一定時間碳化、硫酸鹽腐蝕和干濕循環等實際環境模擬后，在不同的摻量下，混凝土試件劣化都表現為先上升，然后保持穩定，最后快速下降的趨勢。由此可以看出，合適的引氣劑、粉煤灰用量和水膠比，對提高混凝土試件的強度和抗滲透性等，都有著一定的借鑒。而在實際的項目工程中，碳化是由于空氣中的二氧化碳與混凝土中的液相堿性物質反應，從而生成了CaCO3，或者是其他的物質，由此使得混凝土的堿性降低。在實際中，混凝土的碳化是非常復雜的過程，包含一系列的化學反應。部分反應如下：

透過上述的反應看出，在實際的情況下，碳化是一個非常復雜的過程。同時除碳化以外，還有這硫酸鹽的腐蝕和干濕循環。其中，硫酸鹽腐蝕主要與混凝土中的鈣離子結合，從而形成鈣礬石晶體，進而體積膨脹。因此，針對綜合因素下的混凝土耐久性問題，通常會采取以下幾方面的措施：一是充分結合工程項目的氣候條件和地質情況進行混凝土耐久性試驗，在試驗后根據試驗數據對混凝土的相關參數進行調整，以此提高混凝土耐久性;二是加強工程質量控制和監督，從而為項目的質量管理提供基礎;三是針對基礎性的基樁工程等，增加混凝土的厚度，從而提高其抗腐蝕的的厚度，最終延長混凝土的使用壽命。

4? 結束語

總之，要提高工程項目管理的質量，提高混凝土的耐久性是重點。本文則通過研究得出，在水灰比為0.5，引氣劑摻量為20%，粉煤灰摻量在30%的配比下，在碳化、硫酸鹽腐蝕和干濕循環綜合作用下，測量得到的混凝土試件抗壓強度和動彈性模量最優。由此得出，只有在合理的比例下，可提高混凝土的耐久性。而本文的創新和研究成果則在于，綜合考慮了三種不同的因素對混凝土耐久性的影響，這也是當前工程質量管理中提高混凝土耐久性的研究趨勢。

參考文獻：

[1]高歌，肖旻. 影響混凝土結構耐久性的相關因素和控制對策[J]. 當代化工，2018，47（03）：539-543.

[2]董方園，鄭山鎖，宋明辰，張藝欣，鄭捷，秦卿. 高性能混凝土研究進展Ⅱ：耐久性能及壽命預測模型[J]. 材料導報，2018，32（03）：496-502+509.

[3]張愷，尹志剛，程國敏，周晶. 聚羧酸減水劑及不同摻合料對混凝土耐久性的試驗研究[J]. 硅酸鹽通報，2018，37（09）：2974-2978+2984.

[4]姚燕，王玲，王振地，曹銀，唐官保，杜鵬，黃鵬飛. 荷載與服役環境作用下混凝土耐久性的研究和進展[J/OL]. 中國材料進展， 2018 （11）： 855-865

[5]李燕，武彥生，程永偉. 無機鹽類外加劑對混凝土碳化性能的影響機理[J]. 當代化工，2018，47（04）：719-722.

[6]GB50010 2010，混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.