水工建筑物超高強混凝土抗腐蝕性能的影響規律研究

張 萍

(新民市水利工程質量監督站，沈陽 110300)

因具有耐久性好、強度大等諸多優點，超高強混凝土現已廣泛應用于大跨度橋梁及城市高層建筑等領域[1-2]。實踐表明，漿體結構致密的超高強混凝土遠高于普通混凝土抗壓強度，其密不透水的特性決定了優異的抗外部腐蝕性能，加之內部含有大量未參與水化的水泥顆粒，在開裂狀態下具有一定的自修復功能[3-5]。水工建筑物的長期運營成本直接取決于超高強混凝土的抗腐蝕能力，其抗腐蝕能力逐漸引起諸多學者的重點關注。例如，李響等探討了混凝土工作性能受不同膠凝材料的影響，結果顯示摻加防腐劑可以改善混凝土的致密性和抗侵蝕性能；張迪等研究了BDY防腐劑對提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的作用機理；王衛倫等利用氯離子及硫酸鹽侵蝕試驗探討了纖維超高強混凝土性能，結果發現抗氯離子滲透性受混凝土齡期的影響較大[6-8]。

雖然許多研究都提出了改善混凝土防腐蝕性能的方法和措施，但研究超高強混凝土性能的還不夠深入，主要體現以下3點：①未考慮混凝土自身的抗腐蝕能力受本身所攜帶的高含量氯離子影響，為確保混凝土流動性而摻入的膠結劑是這些氯離子的主要來源；②定量描述的抗腐蝕能力還不完善，與摻加防腐劑的普通混凝土缺少明確的對應關系；③其內部結構雖然增強了超高強混凝土抗滲透能力，但依然存在易形成收縮裂縫的問題，無法充分發揮其抗滲能力。因此，文章通過設計加速腐蝕對比試驗、帶裂縫腐蝕試驗和氯離子、透水、透氣抗滲性試驗定量評估了超高強混凝土抗腐蝕性能。

1 硅粉對抗腐蝕性能的影響

1.1 原材料分析

本試驗所用原材料見表1，為了比較混凝土防腐性能摻入了適量的防腐劑。采用2組對比材料研究硅粉對抗腐蝕性能的影響特征，即摻加與未摻加硅粉的普通硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥，硅粉摻量18.0%。

表1 原材料性能

1.2 配合比設計

采用2組對比材料合理設計混凝土配合比，水膠比為15%、30%、60%三個方案，所對應的含氣量依次為2.0%、2.0%、5.0%，坍落度依次為70cm、60cm、15cm。采用φ200mm×200mm模具配制混凝土試件，經加速固化測量各組樣品抗壓強度。

表2 混凝土配合比

混凝土中的鹽分含量按表3的溶液調節，鹽分和防腐劑含量組合見表4。鹽分含量用氯離子含量替代，試件設置0.2kg/m3、1.0kg/m3、2.5kg/m3三個含量，將3.8kg/m3的防腐劑摻入P60、DS15、PS60混凝土中。

表3 鹽溶液配合比

表4 混凝土中氯化物含量

1.3 試驗方法

依據GB/T 31296-2014《混凝土防腐阻銹劑》，采用快速氯離子遷移系數法(RCM)和鋼筋橫貫混凝土試塊法測量超高強混凝土加速腐蝕性能，具體如下：

1)試驗選用φ200mm×200mm混凝土試件，并將2根φ12mm的光圓鋼筋平行插入試件內部，設計保護層厚度40mm。拌制成型48h后脫模，然后利用相同水膠比和膠凝材料配制的水泥漿填充夾具端頭部位，為了防止空氣和水分從密封表面滲入用鋁帶密封封蓋表面。

2)在高壓釜裝置中放入養護完成后的試驗樣品，在1MPa壓力和180℃下維持5h高壓滅菌。自然冷卻至室溫后放入高壓釜24h，隨后取出放入水中浸泡24h，水溫20℃。將同樣的樣品在相同條件下高壓滅菌(試驗對照組)，24h后檢測鋼筋銹蝕程度。

1.4 計算分析

考慮到對鋼筋孔蝕等局部腐蝕程度無法細致、全面觀測的實際情況，故選用鋼筋腐蝕速率和面積銹蝕率評估其抗腐蝕性能。

1)銹蝕速率。通過測定試件的極化電阻求解出鋼筋的腐蝕速度，而極化電阻應用高低2個頻率(0.1Hz、200Hz)矩形波電流極化法進行測量，并確定相應的響應電流，計算式如下：

Lcorr=K×(1/Rp)

(1)

式中：Icorr代表腐蝕速率，μA/cm2；Rp、K代表極化電阻(kΩcm2)和介電常量(0.026V)。

2)鋼筋面積銹蝕率。從中心向兩端，利用鋼筋掃描儀分別掃描80mm，共160mm，對生銹區域的掃描圖片進行處理分析，然后利用銹蝕面積率=銹蝕面積/掃描總面積×100%計算出面積銹蝕率[9]。

1.5 混凝土參數

經檢測，各組試件的抗壓強度如圖1所示。水膠比相同條件下，摻灰粉S的抗壓強度較普通混凝土提高10～20N/mm2，DS15的壓縮強度最高達到200N/mm2。

圖1 混凝土抗壓強度

1.6 試驗結果

鋼筋的面積銹蝕率變化特征如圖2。結果顯示氯化物含量為0.1kg/m3時P60組試件基本未發現銹蝕鋼筋，氯化物含量達到1.0kg/m3時P60組試件的鋼筋面積銹蝕率為30%，混凝土中摻入防腐劑后的面積銹蝕率只有2.4%。氯化物含量達到1.0kg/m3時PS60組試件的鋼筋面積銹蝕率為80.6%，因摻入了硅粉面積銹蝕率有所增大。

氯化物含量為1.0kg/m3時D30、DS30組出現肉眼可見的鋼筋銹蝕，氯化物含量達到2.5kg/m3時鋼筋面積銹蝕率不斷增加，DS30組整體高于D30組的鋼筋面積銹蝕率。因此，硅粉的摻入在一定程度上增加了鋼筋面積銹蝕率。將防腐劑摻入DS30組中可以減少約40%的面積四十率，但無法完全抑制腐蝕。

根據鋼筋腐蝕速度評價標準(表5)和極化電阻計算出的銹蝕速率，見圖3，氯化物含量2.5kg/m3時DS15組試件中摻加和未摻加防銹劑的面積銹蝕率均低于5%，即達到“無銹蝕”等級；氯化物含量為1.0kg/m3時P60組試件的鋼筋銹蝕速度達到1.35μA/cm2，達到“嚴重銹蝕”等級；將防銹劑摻入P60組試件中后，其銹蝕速度則達到“無銹蝕”等級，表明面積銹蝕率與銹蝕速度計算結果保持一致。PS60組的銹蝕速率達到0.34μA/cm2，達到“低～中度銹蝕”等級，比P60組的銹蝕速率慢，該結論與面積銹蝕率存在一定差異。

表5 腐蝕速度評定標準

圖3 銹蝕速度

將硅粉摻入硅酸鹽水泥中，鋼筋的銹蝕速度和面積銹蝕率明顯不同，單純硅酸鹽水泥的面積銹蝕率與銹蝕速度間存在正相關性。將硅粉摻入硅酸鹽水泥后無論銹蝕面積如何，銹蝕速度總體位于較低水平。結合鋼筋的銹蝕狀態，硅酸鹽水泥與硅粉混合組的鋼筋銹蝕呈致密的黑銹狀，并且速度較慢，而單純硅酸鹽水泥組的趕緊銹蝕呈多孔的紅銹狀，并且速度較快。

2 開裂對鋼筋銹蝕的影響

2.1 混凝土及摻合料

該試驗與上文所用外加劑情況相同，骨料種類與參數如表6，混凝土配合比如表7所示。

表6 原材料性能

表7 配合比設計

試驗設計15%、50%兩種說假幣，所對應的含氣量依次為2.0%、5.0%，坍落度依次為70cm、15cm。混凝土中氯化物和防腐劑含量組合如表8所示，其中氯化物含量通過調節NaCl用量控制，水膠比50%時混凝土中的防腐劑摻量取3.8kg/m3。

表8 混凝土中氯化物含量

2.2 裂縫寬度

采用以下方法設置混凝土裂縫：在樣品中嵌入0.1～0.6mm的不銹鋼板，拌合物硬化固結后取出不銹鋼板。試驗對照組取前文無裂縫時間，設置裂縫寬度0.1mm、0.2mm和0.6mm三種尺寸。

2.3 試驗過程

試驗設計400mm×100mm×100mm混凝土試件，將φ12的光圓鋼筋插入試件中部。將0.1mm、0.2mm和0.6mm三種不銹鋼板安裝在試件側面，采用3片厚度相同的不銹鋼安插在同一試件上，加速腐蝕、養護方式、鋼筋銹蝕程度評定方法與前文保持相同。

2.4 試驗結果

鋼筋的面積銹蝕率如圖4，對于存在裂縫的混凝土試件，一般裂縫附近發生鋼筋銹蝕，并且所有試件均可以觀察到紅銹，究其原因是氧氣、水分從裂縫處滲入而引起的銹蝕，無論裂縫寬度如何其面積銹蝕率基本相同。

圖4 面積銹蝕率

氯化物含量為0.3kg/m3時M50組發生輕微銹蝕，氯化物含量達到1.0kg/m3時M50組的面積銹蝕率最高達到46%，該條件下摻入防銹劑可以使鋼筋面積銹蝕率處于5%以下；氯化物含量達到1.0kg/m3時DS15組可以觀察到輕微銹蝕，銹蝕程度與M50摻加防銹劑組相當。由此表明，在銹蝕因素富集條件下超高強度混凝土的耐久性也較高。

3 超高強混凝土的滲透性

組織結構較為致密是超高強混凝土耐腐蝕性良好的關鍵原因，致密的結構在很大程度上抑制了侵蝕介質的深入。為更好地掌握其防護性能，有必要研究超高強混凝土的氯離子抗性、透氣性和透水性等。

3.1 混凝土及添加劑

該試驗選用15%和50%兩種水膠比，水膠比15%組的硅粉摻量為18.0%，養護方案及試配方法與前文相同。

3.2 試驗方法

1)透水試驗。采用自動恒壓水滲透儀和穩態滲流法測試混凝土的水滲透系數，在保證試件密閉性的情況下均勻加載水壓力，從0MPa逐級加載到2MPa，水壓穩定后讀取水流量，并測定相應的透水系數。

2)透氣試驗。根據《鐵路瓦斯隧道技術規程》推薦的進氣法測定混凝土試件的滲透系數等氣密性，為保證試件密封性防止漏氣影響試驗精度，利用黃油、石蠟、乳膠圈加水泥的密封方式。

3)氯離子擴散試驗。在質量分數5%的NaCl溶液中浸泡各組混凝土試驗，為確保浸泡過程中氯離子濃度穩定每周更換一次NaCl溶液，詳細測試流程見文獻[10-11]。

3.3 試驗結果

超高強混凝土的氯離子滲透性、透水和透氣性試驗結果見表9。結合透水試驗數據，在水壓施加時間達到3000h時混凝土試件表面也未發現滲水現象，所以擴散系數計算基準值取1mm水的滲透深度值。此外，透氣系數基準值取試驗裝置測定的最小值。結果顯示，DS15組的氯離子抗滲性、抗透氣性和抗透水性為M50組的100～500倍。

表9 混凝土滲透性試驗數據

混凝土中的硅粉摻量越高越易堵塞透水通道，使得內部水流活躍性明顯下降，究其原因主要與硅質的理化性質有關，膠凝材料與硅質材料的結合不僅會降低混凝土孔隙度和內部細小顆粒流動性，而且可以提高顆粒骨架對水流通道的整體抗性，所以表現出透水系數減小的情況[12-14]。

總體而言，在超高強混凝土中摻入硅粉可以顯著降低透水保護層中的銹蝕物，其對外來的銹蝕物和內生的氯化物均具有較好的抗性及耐銹蝕性。

4 結 論

1)水膠比15%摻硅粉的超高強混凝土抗銹蝕性能與水膠比60%摻防腐劑的混凝土相當，對裂縫寬度0.6mm以下的混凝土，摻加防腐劑后的抗銹蝕性依然與水膠比50%的試件相當。

2)硅粉的摻入有利于提高混凝土抗透水性，摻硅粉的超高強混凝土氯離子抗滲性、抗透氣性是50%水膠比組100～500倍。

3)普通混凝土使用防腐劑的抗腐蝕機理與摻加硅粉的超高強混凝土作用機理不同，主要取決于其自身的致密機構。對于存在裂縫的時間，鋼筋銹蝕主要集中于縫隙處。裂縫寬度對超高強混凝土試件的面積銹蝕率影響，與環境氯離子含量相比并不明顯。