考慮氯離子侵蝕的墩柱保護(hù)層厚度影響系數(shù)研究

李 峰，岳 陽，方 順，康 健

（1.甘肅五環(huán)公路工程有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省橋梁工程研究中心，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

隨著我國交通行業(yè)的快速發(fā)展，大量鋼筋混凝土橋梁拔地而起。在鋼筋混凝土橋梁中，墩柱保護(hù)層和內(nèi)部鋼筋骨架形成有機(jī)整體共同受力，同時還有效保護(hù)鋼筋免受侵蝕，提供最大承載力的同時保證結(jié)構(gòu)物的耐久性能，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。二十世紀(jì)八十年代我國就意識到混凝土保護(hù)層的重要性，相關(guān)學(xué)者對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性及其對保護(hù)層厚度的要求進(jìn)行了研究。徐善華和牛荻濤[1]等通過研究混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋生銹條件，以及導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂的銹漲條件，探尋了碳化腐蝕環(huán)境下混凝土最小保護(hù)層厚度的確定方法；許多學(xué)者[2-11]針對海港工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易受海水侵蝕，混凝土內(nèi)部鋼筋易被侵入的氯離子銹蝕的現(xiàn)象，進(jìn)行了鋼筋混凝土保護(hù)層抗氯離子滲透性的試驗(yàn)研究。現(xiàn)通過對不同摻合料配合比的混凝土進(jìn)行氯離子滲透試驗(yàn)，確定不同礦物摻合料配合比下墩柱保護(hù)層厚度影響系數(shù)的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用蘭州祁連山水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥，水泥的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所列；粉煤灰為蘭州鑫合源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅱ粉煤灰，粉煤灰各項(xiàng)指標(biāo)如表2所列；礦粉采用蘭州榆中鴻源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的S95級礦粉，礦粉各項(xiàng)指標(biāo)如表3所列；減水劑采用南京蘇博特聚羧酸系高性能減水劑；細(xì)骨料選用細(xì)度為2.45，堆積密度為1.506g/cm3，表觀密度為2.65g/cm3的天然河砂和細(xì)度為2.5，堆積密度為1.611g/cm3，表觀密度為2.63g/cm3的機(jī)制砂；粗骨料選用10mm-20mm碎石，表觀密度為2.663g/cm3，堆積密度0.95g/cm3，振實(shí)密度1.07g/cm3，含泥量0.80%。

表1 P·O42.5水泥各項(xiàng)指標(biāo)一覽表

表2 Ⅱ級粉煤灰各項(xiàng)指標(biāo)一覽表 單位：%

表3 S95礦粉各項(xiàng)指標(biāo)一覽表

1.2 試驗(yàn)方法

將養(yǎng)護(hù)到相應(yīng)齡期的試件取出擦干表面，將融化的石蠟涂刷試件密封其側(cè)面，然后放入真空飽水機(jī)中飽水，待真空飽水結(jié)束后，擦掉試件表面水分，將試件安裝于試驗(yàn)槽內(nèi)，檢查密封性能。在電源負(fù)極注入3%NaCl溶液、在電源正極注入0.3molNaOH溶液；保持試驗(yàn)槽內(nèi)充滿溶液的情況下接通電源，對上述兩正負(fù)極施加60V直流恒電壓，待通電6h時后結(jié)束試驗(yàn)，記錄此時機(jī)器打印的電通量測量值。表4為混凝土氯離子滲透試驗(yàn)方案表。

表4 混凝土氯離子滲透試驗(yàn)方案表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗氯離子性能分析

養(yǎng)護(hù)至28d及56d齡期時，混凝土氯離子電通量與粉煤灰摻配比例的關(guān)系如圖1所示。

圖1 粉煤灰摻配比例與電通量的關(guān)系曲線圖

從圖1可看出，養(yǎng)護(hù)28d時，混凝土電通量值隨其膠凝材料中粉煤灰摻配比例的增大而增大。原因是在水膠比恒定的情況下，粉煤灰摻量的增加導(dǎo)致膠凝材料中水泥含量減小，在該齡期水泥水化產(chǎn)生的水化產(chǎn)物也相應(yīng)減少，部分粉煤灰的“火山灰效應(yīng)”未完全表現(xiàn)出來。并且隨著粉煤灰摻量的繼續(xù)增大，沒有參與反應(yīng)的粉煤灰含量增加，降低了混凝土的抗氯離子性能。養(yǎng)護(hù)56d時，各粉煤灰摻配比例下的混凝土電通量均小于28d的值，且電通量的值先減小后增大，當(dāng)粉煤灰摻量為20%時，混凝土抗氯離子滲透性能最好。這是因?yàn)閾饺敕勖夯业幕炷猎谠缙趶?qiáng)度低，孔結(jié)構(gòu)差，當(dāng)混凝土處于56d齡期時粉煤灰的“火山灰效應(yīng)”已充分發(fā)揮，二次水化填充效應(yīng)的進(jìn)一步作用，使得混凝土在28d齡期殘存的大量孔得到了填充，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。同時當(dāng)粉煤灰摻配比例低于20%時，粉煤灰基本全部參與了對混凝土的增強(qiáng)和堵塞混凝土中的毛細(xì)組織的作用，有利于混凝土密實(shí)，進(jìn)一步增大粉煤灰摻量，可以提高抗氯離子滲透性能；當(dāng)粉煤灰摻配比例大于20%時，粉煤灰反應(yīng)完后，仍有殘存，不利于混凝土的密實(shí)，故隨粉煤灰摻量的增大，混凝土抗氯離子滲透性能減弱。

養(yǎng)護(hù)至28d及56d齡期時，混凝土氯離子電通量與礦粉摻配比例的關(guān)系如圖2所示。

圖2 礦粉摻配比例與電通量的關(guān)系曲線圖

從圖2可以看出，在28d、56d兩個齡期，混凝土電通量的值隨礦粉摻配比例的增大呈現(xiàn)先減小后增大的結(jié)果；并且在礦粉摻量為25%時，混凝土抗氯離子滲透性能最佳；并且56d時的抗氯離子滲透性能優(yōu)于28d。原因是在礦粉摻配比例小于25%時，在28d齡期時礦粉替代水泥，對水泥水化的削弱程度小于它在提高混凝土密實(shí)性及氯離子吸附方面的影響，故而抗氯離子滲透能力提高；在礦粉摻配比例大于25%時，水泥水化產(chǎn)物被礦粉消耗殆盡，且礦粉仍有殘留，殘留礦粉對氯離子的吸附作用小于取代水泥對水化程度乃至混凝土密實(shí)性的影響，所以隨著礦粉摻配比例的增大，混凝土抗氯離子滲透能力降低；同時礦粉的活性低于水泥，使得礦粉活性效應(yīng)對試驗(yàn)齡期有一定的相關(guān)性，所以56d齡期時的試件抗氯離子滲透性能優(yōu)于28d齡期。

粉煤灰、礦粉雙摻試驗(yàn)方案中粉煤灰摻配比例與電通量的關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，在28d、56d兩個齡期，電通量的大小都隨礦粉摻配比例的增大呈現(xiàn)先減小后增大的結(jié)果；56d時的抗氯離子滲透性能優(yōu)于28d；當(dāng)試驗(yàn)方案為FK10，即粉煤灰摻量10%，礦粉摻量為25%時，氯離子電通量值最小，且小于單摻粉煤灰或礦粉的最小電通量值。這是因?yàn)樵谒z比恒定情況下，將一定量的水泥用粉煤灰和礦粉取代，改善了膠凝材料的級配，使之在水化之前具有良好的連續(xù)微級配，從而提高硬化后的水泥漿體的密實(shí)度。同時，粉煤灰和礦粉的活性效應(yīng)及氯離子吸附作用相互補(bǔ)充，對混凝土的抗氯離子滲透性能也有極大促進(jìn)作用。

圖3 雙摻體系中粉煤灰摻配比例與電通量的關(guān)系曲線圖

2.2 保護(hù)層厚度影響系數(shù)分析

為研究礦物摻合料混凝土保護(hù)層厚度，與純硅酸鹽水泥混凝土保護(hù)層厚度在考慮氯離子侵蝕的條件下的關(guān)系，提出保護(hù)層厚度影響系數(shù)的概念，通過分析考慮氯離子侵蝕時的保護(hù)層厚度影響系數(shù)，來揭示混凝土中礦物摻合料摻量對保護(hù)層厚度的影響規(guī)律。其計(jì)算公式如下：

礦物摻合料混凝土電通量/普通硅酸鹽水泥混凝土電通量=保護(hù)層厚度影響系數(shù)

粉煤灰摻配比例與保護(hù)層厚度影響系數(shù)的關(guān)系見圖4所示。

圖4 粉煤灰摻配比例與保護(hù)層厚度影響系數(shù)的關(guān)系曲線圖

從圖4可以看出，在28d齡期時保護(hù)層厚度影響系數(shù)隨粉煤灰摻配比例的增大而增大。56d齡期時，各粉煤灰摻配比例下的厚度系數(shù)均小于28d值，且系數(shù)的大小隨粉煤灰摻配比例的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，粉煤灰摻配比例為20%時，28d齡期保護(hù)層厚度系數(shù)為1.169，56d齡期保護(hù)層厚度系數(shù)為0.604。摻配比例為35%時，28d齡期保護(hù)層厚度系數(shù)為1.546，56d齡期保護(hù)層厚度系數(shù)為0.804。

礦粉摻配比例與保護(hù)層厚度影響系數(shù)的關(guān)系見圖5所示。

圖5 礦粉摻配比例與保護(hù)層厚度影響系數(shù)的關(guān)系曲線圖

由5圖可知，在28d、56d兩個齡期，厚度影響系數(shù)隨礦粉摻配比例的增大而先減小后增大；并且在礦粉摻配比例為25%時，28d齡期的保護(hù)層厚度影響系數(shù)為0.712，56d齡期的保護(hù)層厚度影響系數(shù)為0.68。礦粉摻配比例為35%時，28d齡期的保護(hù)層厚度影響系數(shù)為0.785，56d齡期的保護(hù)層厚度影響系數(shù)為0.695。

雙摻體系中粉煤灰摻配比例與保護(hù)層厚度影響系數(shù)的關(guān)系見圖6所示。

圖6 雙摻體系中粉煤灰摻配比例與保護(hù)層厚度影響系數(shù)的關(guān)系曲線圖

由圖6可以看出，在28d、56d兩個齡期，厚度影響系數(shù)都隨礦粉摻配比例的增大呈現(xiàn)先減小后增大的結(jié)果；56d齡期時的厚度影響系數(shù)小于28d齡期；當(dāng)試驗(yàn)方案為FK10，即粉煤灰摻配比例為10%，礦粉摻配比例為25%時，28d齡期保護(hù)層厚度影響系數(shù)為0.808，56d齡期保護(hù)層厚度影響系數(shù)為0.798，且厚度系數(shù)小于單摻粉煤灰或礦粉的最小厚度系數(shù)。

3 結(jié) 論

在單摻粉煤灰的條件下，粉煤灰摻量為20%時，混凝土56d齡期的抗氯離子滲透能力最佳，保護(hù)層厚度影響系數(shù)最小。在單摻礦粉的條件下，礦粉摻量為25%時，混凝抗氯離子滲透能力最佳，保護(hù)層厚度影響系數(shù)最小。在雙摻粉煤灰、礦粉的條件下，粉煤灰摻配比例為10%，礦粉摻配比例為25%時，混凝土抗氯離子滲透性能最佳，保護(hù)層厚度影響系數(shù)最小。