原材料質量控制及配合比優化對混凝土結構耐久性影響的試驗研究

張舉鵬

（甘肅路橋公路投資有限公司 中川機場 T3 航站樓連接線建設項目管理辦公室，甘肅 蘭州 710010）

0 引言

混凝土的耐久性是土木工程一個重要的課題。由于混凝土組分及使用環境等原因，其耐久性已成為制約混凝土發展的一個重要因素，特別是經常暴露于室外環境的混凝土結構，耐久性問題更為突出。混凝土自身耐久性的提高一般依賴原材料和現場施工兩方面，只有通過原材料的嚴格選擇，配合比的優化等措施的使用［1，2］，才能達到保證混凝土耐久性的目的。

受混凝土原材料材質的劣化和環境侵蝕作用的影響，長期耐久性能失效是導致混凝土結構在正常使用環境狀態下失效的最主要原因之一。因此從原材料的質量控制及配合比的優化方面來提高混凝土自身的性能研究越來越引起人們的重視［3］。國外學者T.E.Stanton 在研究混凝土耐久性過程中，發現混凝土內部的骨料可以與其他添加劑進行反應，導致混凝土結構發生改變，從而影響到其耐久性和穩定性，并提出堿骨料反應［4，5］。國內對混凝土的研究較晚，并且研究具有典型性，多數是集中在混凝土中鋼筋腐蝕以及混凝土碳化問題，對更加細致的研究如原材料性能指標、配合比比例等較少。近幾年來，國內在混凝土細致化研究方面日益增多，如杭州灣跨海大橋，根據該地地質特點，測試混凝土耐久性時重點關注了氯離子的控制，并設置相應的保護措施，研究得出的混凝土結構具有良好的耐久性能［6，7］。

本文以原材料指標控制及配合比優化為基礎作為研究對象，選取不同原材料質量指標、礦物摻合料摻配等方面進行配合比優化，對混凝土的耐久性指標進行試驗測試，研究影響混凝土結構耐久性指標的因素，得出混凝土耐久性對原材料指標及配合比的要求。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料

1）水泥：設計為硅酸鹽水泥（P·II 42.5）和普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5），基本性能指標如表 1 所示。

表1 水泥基本性能指標

2）粉煤灰：F 類 II 級粉煤灰，基本性能指標如表 2 所示。

表2 F 類 Ⅱ 級粉煤灰基本性能指標

3）礦粉：S95 級高爐礦渣鐵礦粉，基本性能指標如表 3 所示。

表3 S95 級?；郀t礦渣基本性能指標

4） 細集料：水洗砂，基本性能指標如表 4 所示。

表4 細集料基本性能指標

5）粗集料：碎石選用三級配和五級配兩種，其中三級配為 4.75～9.5 mm，9.5～19 mm，19～31.5 mm，五級配為 4.75～9.5 mm，9.5～16 mm，16～19 mm，19～26.5 mm，26.5～31.5 mm。粗骨料的基本性能指標如表 5 所示。

表5 粗集料基本性能指標

6）水：飲用水。

7）減水劑：TJXC-B 聚羧酸高性能減水劑，減水率為 29 %，摻量為 1.0 %。

8）阻銹劑：HJ-ZX 阻銹劑，摻量為 4.0 %。

1.2 混凝土配合比設計及優化

混凝土配合比試配階段，通過對碎石級配、礦物摻合料“單摻”及“雙摻”比例等方面進行配合比試配，限制每立方米混凝土中膠凝材料的最多和最高用量，在保證強度的前提下，降低膠凝材料中水泥用量；在保證滿足混凝土施工性能前提下，降低混凝土的坍落度；在摻合料粉煤灰和磨細礦渣不同比例的多次試驗下選擇最優性能、強度最高的混凝土配合比。最終確定的配合比如表 6 所示。

表6 對比試驗所用配比信息

1.3 試驗方法及數據分析

1.3.1 試驗方法

1）混凝土抗凍性試驗方法。試驗依據標準 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》，采用 KDR-V3 混凝土快速凍融試驗機對試件進行凍融試驗，并利用 DT-W18 動彈性模量測定儀測定其動彈性模量。

2）混凝土抗滲性試驗方法。試驗依據標準 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中有關混凝土抗滲性試驗方法，利用 HP-4.0 混凝土滲透儀對混凝土抗滲性進行測試。試件標準養護期 28 d，隨后進行抗滲性試驗，試件以 4 個未滲水時的最大壓力為抗滲等級。

3）混凝土抗氯離子滲透性試驗方法。試驗依據標準 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》的電通量法，采用 BSJ-A 全自動真空飽鹽飽水機進行混凝土氯離子抗滲性試驗，并采用 DTL-6T 混凝土氯離子電通量測定儀對混凝土抗氯離子滲透性進行測試。

4）混凝土抗壓彈性模量試驗方法。試驗采用 TM-3 混凝土彈性模量測定儀、CXYAW-3 000H 微機控制電液伺服壓力機。采用試驗標準 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》。試驗是測定材料形變時與相應應變之比，即為混凝土在靜力作用下的受壓彈性模量。

5）混凝土堿含量試驗方法。試驗采用 NELDAL491 堿含量快速測定儀對混凝土試件堿含量進行試驗測試。本儀器采用離子選擇電極法，在室溫下測定水溶液中堿含量，為使溶液 pH 值為 10 以上，在待測溶液中加入離子穩定劑，以保證測試結果的準確性。

6）混凝土氯離子含量試驗方法。試驗采用 NELD -CL420 氯離子含量快速測定儀。試驗前應先將氯離子選擇電極浸入活化液中活化 1 h；應將按規定獲得的兩份懸濁液分別搖勻后，以快速定量濾紙過濾，獲取兩份濾液，每份濾液均不少于100 mL；分別測量兩份濾液的電位值，將氯離子選擇電極和參比電極插入濾液中，經 2 min 后測定濾液的電位值；測量每份濾液前應采用蒸餾水對氯離子選擇電極和參比電極進行充分清洗，并用濾紙擦干；應分別測量兩份濾液的溫度，并對建立的電位-氯離子濃度關系曲線進行溫度校正；應根據測定的電位值分別從E-lgC關系曲線上推算兩份濾液的氯離子濃度，并應將兩份濾液的氯離子濃度的平均值作為濾液的氯離子濃度的測定結果。

7）混凝土抗壓強度試壓方法。試驗利用 CXYAW-3 000 H 微機控制電液伺服壓力機，采用試驗標準 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》規定的混凝土抗壓強度試壓方法，進行混凝土立方體試件抗壓強度測試，試驗加載速度為 0.5 MPa/s。3 個試件為一組按規定計算結果。

1.3.2 不同碎石含泥量對耐久性影響

1）選用含泥量不同的碎石，分別為含泥量 0.9 %、含泥量 0.2 %，分別配置表 6 中所列配合比，共制作試件 445 組，對其進行抗壓強度、彈性模量、抗凍指數、電通量、抗滲性能、堿含量、氯離子含量指標開展試驗，具體結果如表 7 所示。

表7 碎石不同含泥量混凝土耐久性檢測結果

2）數據分析。從試驗數據可看出含泥量小的碎石，混凝土抗壓強度提高 8 %～11 %，彈性模量提高 5 %～8 %，抗凍指數提高 4 % 左右，堿含量降低 22 %左右，氯離子含量降低 27 % 左右。含泥量對混凝土耐久性具有較大影響，充分說明碎石清洗的必要性。

1.3.3 不同種類水泥對耐久性影響

1）選用硅酸鹽水泥（P·II）42.5 和普通硅酸鹽水泥（P·O）42.5，水泥中所含的熟料組分（質量分數）有所區別，即（P·II）42.5 水泥中熟料與石膏含量為 95 %；（P·O）42.5 泥中熟料與石膏含量為 80 %，共制作試件 42 組，針對水泥種類不同對混凝土耐久性指標開展試驗，試驗數據具體結果如表 8 所示。

表8 水泥不同品種相同強度等級混凝土耐久性檢測結果

2）數據分析。從試驗數據（見表9）可得出，利用 P·II 42.5 水泥與 P·O 42.5 水泥分別進行混凝土配置，P·Ⅱ 42.5 水泥制得的混凝土抗壓強度、彈性模量、堿含量、氯離子含量均優于 P·O 42.5 水泥制得的混凝土。其中混凝土抗壓強度提高 7 %～11 %，彈性模量提高 5 %～7 %，抗凍指數提高 8 %～9 % 左右，堿含量降低 15 % 左右，氯離子含量降低 32 % 左右。

表9 不同級配試驗數據一覽表

1.3.4 不同級配對耐久性影響

1）選用三級級配與五級級配碎石分別進行混凝土配置，共制作試件 105 組，針對骨料級配不同對混凝土耐久性指標開始試驗，試驗數據具體結果如表 9 所示。

2）數據分析。相比于粗集料采用三級配混凝土，五級配混凝土抗壓強度提高了 8%～11 %，彈性模量提高了 5 %～8 %，抗凍指數提高了約 4 %，電通量降低約 10 %，顯著提高了混凝土的密實性。

2 結論

1）降低骨料含泥量，可有效提高混凝土抗壓強度和彈性模量，改善抗凍指數、堿含量、氯離子含量等耐久性指標。

2）相比于普通硅酸鹽水泥，硅酸鹽水泥可以有效降低水泥用量，降低了混凝土的堿含量、氯離子含量等有害物質，防止水泥的過量使用引起混凝土收縮和水化熱過大而產生裂縫，提高混凝土耐久性。

3）通過“不摻-單摻-雙摻”及最佳摻配比例進行配合比優化，改善混凝土中膠凝材料物質組成，使摻合料顆粒填充到水泥顆粒中間的空隙中，提高混凝土的抗滲性能、抗凍性能及抗氯離子滲透性能，提高混凝土的耐久性。

4）骨料采用五級配配置的混凝土與三級配配置的混凝土相比，可有效降低混凝土用水量、孔隙率，提高混凝土耐久性。Q