混凝土耐久性试验研究与应用

1 概述

混凝土耐久性是困扰当今世界混凝土行业的普遍问题，我国是世界上最大的水泥生产国，混凝土工程量也居世界之首，近年来对于混凝土技术研究虽然发展较快，但经调查，混凝土耐久性的研究却存在下降的趋势。

我国地域辽阔，有相当大的部分处于严寒地带，致使不少水工建筑物出现了冻融破坏现象，根据全国水工建筑物耐久性调查资料，在32座大型混凝土坝工程，40座中小型工程中，22%的大坝和21%的中小型水工建筑物存在冻融破坏问题，因此，混凝土的冻融破坏是我国建筑物老化病害的主要问题之一，严重影响了建筑物的长期使用和安全运行，为使这些工程继续发挥作用和效益，各部门每年都耗资巨额的维修费用，而这些维修费用为建设费用的1倍～3倍。

随着经济社会的快速发展，城市建设和建筑规模迅速扩大，地处欧亚大陆中心，远离海洋的伊犁也在发生着日新月异的变化，水利水电等建筑工程也日益增多，对工程质量要求也越来越高，因此，混凝土抗冻的试验与研究是本地区亟待解决的问题，该项试验将提高水利水电等建筑工程的质量，从而提高使用寿命，以解决混凝土抗冻在伊犁地区存在的问题和缺点，促进地区经济发展，为伊犁工程建设作出贡献。

2 试验研究

2．1 原材料

1)水泥:新疆南岗黄鸭42．5普通硅酸盐水泥，实测28 d抗压强度48．6 MPa，其他各项指标均满足GB 175-1999规范要求。

2)水洗砂:察县苏阿苏砂场，细度模数2．7，属Ⅱ区中砂级配，含泥量2．1%，泥块含量0．0%，饱和面干视密度为2．67 g/cm3，饱和面干吸水率0．82%，其碱活性属B类。

3)卵石(5 mm ～20 mm):含泥量 0．3%，泥块含量 0．0%，针片状颗粒含量0．1%，压碎指标0．3%，其碱活性属B类。

4)卵石(20 mm ～40 mm):含泥量0．2%，泥块含量0．0%，针片状颗粒含量0．1%，石子平均饱和面干视密度为2．68 g/cm3，饱和面干吸水率0．80%。

5)外加剂。该工程新采用的外加剂为JC-1引气减水剂，由新疆玉鑫蕊科技开发有限责任公司生产，其各项性能指标均达到GB 8076-1997技术要求。

2．2 混凝土配合比设计与试验

2．2．1 配合比设计

混凝土配合比设计采用绝对体积法计算单位体积混凝土各项材料用量，粗、细骨料均以饱和面干状态为准，在进行混凝土配合比设计时充分体现了安全可靠、经济合理的原则，即在满足抗压强度、抗冻、抗渗三大指标的前提下，还要考虑混凝土的工作性，以方便施工。

2．2．2 混凝土配合比试验

1)试验方案。本试验采用JC-1引气型减水剂，分别配制水胶比为0．35，0．40，0．45 的二级配混凝土，混凝土的配合比如表 1 所示，在试验中混凝土的坍落度控制在3．5 cm～5 cm，引气减水剂掺量根据要求的含气量进行调整，出机含气量控制在4．5%～5．5%，在拌合完成后测试混凝土的初始含气量和容重，然后将混凝土装入器皿中，在混凝土振动台上对混凝土进行振动。振动完毕后，测试含气量和容重，成型100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体进行冻融试验，混凝土冻融试验采用SL 352-2006中规定的快速冻融法进行，φ175 mm×180 mm×150 mm的圆柱体进行抗渗试验，150 mm×150 mm×150 mm立方体进行抗压试验。

2)混凝土抗压强度试验。混凝土主要有C20二级配(F200 W6)，为提高混凝土性能，在混凝土中均掺入了较高的优质粉煤灰，以改善混凝土的和易性，增强混凝土密实性，提高混凝土的抗冻、抗渗性能，通过大量试验初选后和易性好，抗压强度满足配制混凝土强度要求的配合比见表1。

表1 混凝土初选配合比与抗压强度试验结果

3)混凝土抗冻试验。混凝土抗冻性能的好坏，是判定混凝土耐久性的重要指标之一，要使混凝土满足抗冻要求，在混凝土中必须掺加引气剂或引气减水剂，SL/T 191-96水工混凝土结构设计规范4．4．7“抗冻混凝土必须掺加引气剂”，SL 22-98水工建筑物抗冻设计规范4．14“抗冻混凝土必须使用有引气作用的外加剂”，此混凝土配合比掺入适量的引气减水剂，以保证混凝土的抗冻要求，混凝土抗冻试验采用快冻法进行。

4)抗渗试验。抗渗试验采用逐级加压进行，经0．8 MPa压力，6个试件均无渗水现象，说明抗渗性良好，试验结果见表2。

表2 混凝土抗冻、抗渗试验结果

2．3 试验结果分析

高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，目前国际上已广泛认识到高性能混凝土由于具有高耐久性、高工作性能和高强度等特性，用它代替传统的混凝土结构能大幅度地增加混凝土结构的安全使用寿命，同时具有显著的社会效益与经济效益。目前国内外专家对高性能混凝土与高强混凝土的认识尚不统一，但对高性能混凝土突出耐久性的认识是一致的。大量工程实践表明，因混凝土强度设计不足导致工程破坏的实例甚为少见，而因混凝土处于严酷环境中由于耐久性不足致使混凝土结构遭受破坏的实例颇为多见。因此，混凝土耐久性日益倍受关注。将来有可能不再是以强度而是以耐久性作为设计的控制性指标。

2．3．1 水胶比对混凝土的影响

水胶比是决定混凝土组织结构致密性与孔结构特征的基本因素，随着水胶比的减小，胶凝材料用量增加，单位胶凝材料所附着的引气剂数量减少，混凝土粉度随之增大，也造成包裹空气的能力相应减小。因此，混凝土随着水灰比的减小而提高，对C20非泵送混凝土为0．35～0．45三个水灰比进行对比试验，并对混凝土拌合物性能与抗压强度等试验资料进行综合分析，最后优选出合理的水胶比。

2．3．2 水泥对混凝土抗冻性能的影响

试验所采用的南岗生产的普通硅酸盐水泥42．5符合GB 175-1999的技术要求，且熟料中的C3A较低，＜1%，早期强度较高，与外加剂的适应性较好，对水泥适应性好的外加剂，能显著改善混凝土的毛细孔结构，提高混凝土的密实度，这对混凝土的抗冻和抗渗非常有利。

2．3．3 引气剂对混凝土抗冻性能的影响

长期的工程实践与室内研究资料表明，提高混凝土抗冻耐久性的一个十分重要而有效的措施是在混凝土拌合物中掺入一定量的引气剂，引气剂是具有憎水作用的表面活性物质，它可以明显的降低混凝土拌合水的表面张力，使混凝土内部产生大量的微小稳定的封闭气泡，这些气泡切断了部分毛细管路，能使混凝土结冰时产生的膨胀压力得到缓解，不使混凝土遭到破坏，这些气泡可以阻断混凝土内部毛细管与外界的通路，使外界水分不易浸入，减少了混凝土的渗透性，从而可提高混凝土的力学强度和抗渗等耐久性。

试验中所掺入引气减水剂，试验结果说明所推荐的混凝土配合比其力学性能及抗冻、抗渗等耐久性均满足设计要求。

2．3．4 粉煤灰对混凝土抗冻性能的影响

优质粉煤灰具有物理减水作用，能够在一定程度上降低氯离子扩散系数，提高混凝土的电阻率，掺入一定量的粉煤灰能有效改善混凝土的工作及混凝土的孔结构，使孔径得以细化和均化，提高混凝土的密实度，从而提高混凝土的抗渗与抗冻性能。

2．3．5 骨料对混凝土抗冻性的影响

骨料内部孔隙过多过大，吸水率偏大，坚固性差，冻融时骨料内存在的胀压力就大，对骨料自身的破坏性也越大。破坏时，骨料与水化硅酸之间出现裂缝，严重时骨料自身破裂，表面砂浆严重剥离，因而，吸水率较大的骨料对混凝土抗冻性能的影响同样不可忽视。

综上试验研究，影响混凝土强度及耐久性的因素很多，选择优质的引气剂及其他原材料，在合理水胶比、砂率、粉煤灰掺量的前提下，按照严格的生产工序，结合施工现场工作条件，我们才能生产出符合设计要求的抗冻混凝土。

3 工程应用

1)工程概况。察县绰霍尔乡安全饮水工程，位于察县绰霍尔乡，主要着眼于农村生产生活用水工程，包括新建防渗渠道、维修灌溉系统、高效节水工程、改造中低产田等项目，逐步解决农业用水体系。

2)实际所用原材料与试验研究用的原材料一致，如前所述。

3)设计配合比。

通过试验，得出试验室配合比见表1。

4)试配结果。试验结果说明所推荐的混凝土配合比其分别生成其抗冻、抗渗等设计要求。

4 结语

混凝土冻融破坏是水工混凝土建筑物在运行过程中产生的主要病害之一，而提高混凝土抗冻性的重要途径是增加混凝土的密实性，阻断混凝土中的开口连通孔隙。因此，该项目的研究，只要适当减小水灰比，掺入适量的引气减水剂和选择吸水率较小的坚固骨料，就能满足混凝土的抗冻要求。

［1］李丽慧，李肇新．普通混凝土配合比设计浅议［J］．山西建筑，2009，35(14):147-148．