高性能混凝土長期暴露下的耐久性研究

周 翔

（江西省水投建設集團有限公司,江西 南昌 330000）

1 引言

因為海水中離子成分復雜,具有一定的腐蝕性。這種腐蝕性對于混凝土而言尤其突出,所以研究混凝土在海洋環境中的耐久性具有十分重要的意義,其耐久性也是眾多大型跨海橋梁等工程所面臨的一個關鍵問題[1-2]。海工高性能混凝土的主要特征是在海水中仍有著很強的抗腐蝕能力,使用壽命較長。國內外很多學者通過用礦物外摻料替代水泥,減小氯離子在混凝土里的滲透能力,以此提高混凝土的耐久性,這也是當前提高混凝土耐久性的常用方法[3-5]。為了進一步研究在實際海水環境侵蝕下,高性能混凝土耐久性能的變化規律,本文將設置于沿海地區某暴露試驗點中經過長時間暴露的混凝土樣品作為研究對象,借助常用的磨粉滴定法來對混凝土中氯離子含量進行測試,分析不同外摻料（礦渣粉、粉煤灰）下的高性能混凝土和純水泥混凝土在長時間暴露下耐久性變化情況。

2 試驗站概況

某工程材料暴露試驗點具體包含了四個分區,分別是水下區（高程+0.1 m）、水位變化區（高程+2.14 m）、浪濺區（高程+4.2 m）和大氣區（高程+7.4 m）,各區的建筑面積分別為89 m2、89 m2、211 m2和10 m2。該試驗點投入使用的時間為1987年,在良好的維護下沿用至今,在這個過程中,共測試了暴露樣品24 批、6480 件,測試的種類包括防腐材料、高性能混凝土等試樣,表1為該站部分暴露試樣的開始時間、所屬于的種類和所研究的目的。

表1 部分暴露試樣的信息

3 暴露混凝土試樣測試

3.1 試樣配比

本文用于試驗的高性能混凝土樣品于2006年就送至暴露試驗站,取部分進行性能測試,表2 為具體配合比。選擇這三組試樣混凝土分別為A 組（礦渣粉占比60%）、B 組（粉煤灰占比30%）,C 組（純水泥）,這種選擇方式是為了比較不同類別混凝土之間耐久性的區別,三種混凝土有著相同的水膠比,都是0.35,選取的水泥類型品牌類型相同,26 mm 位碎石粒徑的最大值,測試樣品為邊長100 mm 的正方體。初步制作好試樣后,要將其置于標準條件下進行養護,持續28 天,之后取出樣品用環氧樹脂對試樣的5 個面進行密封處理,未密封的一個面當成暴露面。本次試驗所用的混凝土樣品均處于浪濺區。

表2 高性能混凝土配合比

3.2 測試試樣的方法

暴露混凝土試樣的設定不同的養護時間,按設定時間將樣品送去測試相關性能,測試的主要指標是氯離子在暴露混凝土中的分布情況。對氯離子在混凝土暴露面各處的濃度進行測試的時候,首先要清洗掉暴露樣品表面的雜物,接著借助打磨工具對暴露混凝土進行取樣處理,對試塊從外向里進行打磨,將磨下的粉末仔細收集起來。要注意打磨時是要分層進行的,每層打磨厚度為2 mm 左右,每一層磨完后要對磨面進行清理,之后再開始下一層打磨工作。所得混凝土粉樣中氯離子含量是通過滴定法測試出的,測試時遵行美國的相關測試標準。與國內測試標準不同的是,美國對氯離子的測試過程里加入熱溶液的方法,而且為避免氯離子滴定受到硫化物的影響,在過氧化氫加到熱溶液當中。

目前國內外學者測試氯離子在混凝土中濃度所采用的技術手段主要為射線光譜分析和磨粉滴定法,前者和后者相比有著更好的精準度[6]。借助菲克第二定律對混凝土不同部位氯離子濃度開展回歸分析,以此得出氯離子擴散系數在此齡期下的數值。同時為了更加深入地對暴露混凝土性質進行研究,也要對其微觀結構進行觀察和分析。觀察混凝土的微觀結構通常選取壓汞試驗法（MIP）。試驗前同樣要對混凝土做粉碎處理,并將碎石顆粒從試樣碎片中去除,取得砂漿碎片來開展壓汞試驗。而為了更加清晰地掌握暴露試樣里水化產物和凝材料的生成、變化情況,可以借助背散射電鏡試驗（BSE）來進行分析。此試驗要將混凝土樣品做切割磨平處理,在這個過程中也可以開展能譜分析試驗（EDX）來分析試驗區的化學元素成分。

4 耐久性結果分析

關于氯離子在高性能混凝土里的滲透性,如圖1 所示為三組混凝土持續暴露15年后氯離子在不同位置的分布狀況。圖1 結果表示,在經過長達15年的暴露后,對于暴露面內深度大于15 mm 時所取得的樣品,氯離子在純水泥混凝土不同深度的濃度要高于摻礦渣粉混凝土和摻粉煤灰混凝土。而暴露面內深度小于15 mm 時所取得的樣品發生的是對流反應,此部位混凝土也被視為對流層。即在長時間的暴露條件下,氯離子在此部位混凝土里出現了雙向傳輸,特別是在混凝土比較密實的情況下,離子在對流層里流動速度很低,離子流失較為困難,就導致離子濃度要高于密實度較低的普通混凝土。以氯離子在對流層濃度進行分析,能夠看出素混凝土的密實程度要低于有外摻料的高性能混凝土。以氯離子入滲距離進行分析,氯離子在純水泥混凝土樣品里的入滲距離大于50 mm,而氯離子在外摻料高性能混凝土里的入滲距離在30 mm 左右,又能夠得出外摻料（礦渣粉、粉煤灰）代替水泥,能夠大大減少氯離子在混凝土里存在的數目,還可以縮短氯離子的入滲距離,避免對混凝土的更深處造成損傷。

圖1 持續暴露15年后氯離子在不同位置的分布狀況

借助菲克第二定律對混凝土不同部位氯離子濃度開展回歸分析,以此得出氯離子在A、B、C 組混凝土（15年齡期）中的擴散系數分別是 0.93×10-12m2/s、0.22×10-12m2/s 和0.16×10-12m2/s。擴散系數表明,水泥用礦渣粉（含量60%）或粉煤灰（含量30%）進行替代,能夠使大齡期下氯離子表觀擴散系數在很大程度上被削弱,削弱程度高達75%,也證實了用礦渣粉與粉煤灰替代部分水泥能夠在很大程度上減小混凝土里氯離子的運動速度,有很好的改良效果。

上述結果是15年暴露時長條件下氯離子的擴散系數,其擴散系數隨著時間的增長不斷變化,總體呈現逐漸減小的趨勢。但從理論角度出發,隨時間的增長,氯離子在混凝土擴散系數的減弱遵循指數規律,規律模型見式（1）,衰減系數為n：

針對暴露試驗開始于2006年的高性能混凝土,不僅測試了齡期為15年的混凝土試樣,同樣對其他齡期試樣進行了測試,得到了氯離子在不同齡期混凝土中的擴散系數,圖2 為擴散系數隨齡期的變化規律。在圖中選用方程（1）來擬合了氯離子和不同種類混凝土暴露齡期的變化規律,得出了相關的衰減系數和衰減曲線。圖中結果表示,長期暴露條件下,0.43、0.32 和0.11 分別是氯離子在礦渣粉混凝土、粉煤灰混凝土和素混凝土中的衰減系數,能夠較為明顯地看出,在混凝土加入外摻料（礦渣粉和粉煤灰）能夠在很大程度上增大氯離子在混凝土中擴散的衰減速率。由上述能夠得出,用大量礦渣粉和粉煤灰代替水泥制作混凝土,能夠大大增加混凝土的氯離子抗滲能力,顯著提高混凝土的耐久性。這幾年,在設計大型工程的耐久性時常常也將長期暴露試驗結果作為參考和依據,根據此試驗得出混凝土氯離子擴散系數衰減規律,對設計和預測混凝土的結構壽命有很好的指導和借鑒。

圖2 氯離子擴散系數的減弱規律

5 結論

本文對某暴露站高性能混凝土和純混凝土開展了氯離子濃度測試試驗,分析了外摻料（礦渣粉、粉煤灰）對混凝土耐久性的影響,通過研究得出如下結論：

（1）經過長時間的暴露后,對于離暴露面深度大于15 mm部位處氯離子濃度,純水泥混凝土要高于摻礦渣粉混凝土和摻粉煤灰混凝土。而離暴露面深度小于15 mm 部位處氯離子發生的是對流反應,即在長時間的暴露條件下,氯離子在此部位混凝土里出現了雙向傳輸。

（2）以氯離子在對流層濃度為指標,能夠看出素混凝土的密實程度要低于有外摻料的高性能混凝土；氯離子在純水泥混凝土樣品里的入滲距離大于50 mm,而氯離子在外摻料高性能混凝土里的入滲距離在30 mm 左右,說明外摻料（礦渣粉、粉煤灰）代替水泥,能夠大大減少氯離子在混凝土里存在的數量,還可以縮短氯離子的入滲距離,避免對混凝土的更深處造成損傷。

（3）擴散系數表明,水泥用礦渣粉（含量60%）或粉煤灰（含量30%）進行替代,能夠使大齡期下氯離子表觀擴散系數在很大程度上被削弱,削弱程度高達75%,也證實了用礦渣粉與粉煤灰替代部分水泥能夠在很大程度上減小混凝土里氯離子的運動速度,有很好的改良效果。