北方沿海环境抗海水腐蚀混凝土的试验研究

田海军，张余涛

（河北省南运河河务管理处，河北 沧州 061001）

自20世纪70年代，国内外陆续出现了大量海工混凝土工程耐久性失效的报道。由于结构耐久性失效，不得不进行加固维修，甚至终止使用，因此造成了惊人的经济损失。在我国北方沿海地区兴建了海堤、防潮闸、发电厂、海水淡化工程等各种工程，其中绝大多数为混凝土结构。随着服役时间的增加，由于受海水环境的影响，大量混凝土建（构）筑物在远达不到设计使用寿命时发生提前损伤，甚至引发工程事故。为此，如何提高沿海环境中的已建和拟建混凝土结构的抗腐蚀性和耐久性，确保混凝土结构安全运营已经成为土木工程师面临的一个亟待解决的问题。

为解决北方沿海地区混凝土结构的抗腐蚀性和耐久性的问题，在充分考察、调研我国北方海洋环境下水工建筑物服役现状的基础上，结合北方沿海地区的气候特点，对矿渣微粉、粉煤灰、高效减水剂等对于混凝土性能的改善进行了试验研究和理论分析，提出矿物掺合料的合理掺量。

1 试验目的

试验的目的主要包括3个方面：①在充分调研的基础上，根据地区特点，确定用于改善混凝土性能的产量大、价格低廉的掺和料，以便大量推广；②在试验研究和理论分析的基础上，提出适用于我国北方海洋环境水工混凝土的最佳配比方案；③对试验结果进行分析，提出抗海水侵蚀混凝土寿命评价方法，并进行经济性评价，提出抗海水侵蚀混凝土结构设计建议。

2 混凝土的主要性能

2.1 力学性能

混凝土的力学性能是评价混凝土耐久性的重要指标。混凝土材料的力学性能包括强度、刚度等。

试验中考虑的影响因素主要有矿渣的掺量、水胶比、养护时间等，研究了纳米粘土对水泥基材料抗折强度、抗压强度的改善作用。试件在标准条件下养护到规定试验龄期后，根据我国规范《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》测定其抗折强度，具体公式为

式中：Rf是试件抗折强度；Ff是破坏荷载；L是支撑圆柱中心距；b是试件断面边长。

根据我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T 50081－2002）的试验方法测试其抗压强度：

2.2 抗渗性

为了研究矿渣微粉对混凝土材料抗氯离子渗透性能的影响，本次试验研究了矿渣对水泥胶砂和混凝土抗氯离子渗透性的改善作用，试验中考虑的影响因素主要有矿渣的掺量、养护时间等。氯离子扩散系数表征氯离子的渗透性，其公式为

式中：Dnssm为非稳态迁移系数，m2／s；R为气体常数，8.314J／（K·mol）；T为阳极溶液中初始温度和最终温度的平均值，K；F为法拉第常数，9.648×104／（V·mol）；xd为氯离子平均渗透深度，用喷洒硝酸银溶液的方法测量，m；U为应用电压的绝对值，V；L为试件厚度，m；t为试验时间，s；z为离子价绝对值，对于氯化物z＝1；Cd为砂浆颜色改变边界的氯离子浓度，取0.07 mol／L；C0是表面氯离子浓度。

2.3 抗冻性

为综合评价混凝土的抗冻性－抗氯离子渗透性能，一般引入冻渗比：

式中：R为冻渗比；N为试件相对动弹性模量低于75%或质量损失大于5%时的冻融循环次数；DF为混凝土抗冻耐久性指数，按《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES 01－2004）确定；DNEL为氯离子扩散系数（c m2·s－1），按《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES 01－2004）确定。冻渗比R值越大，一定程度上反映混凝土抗冻性和抗氯离子渗透的综合性能越好。当300次快速冻融循环后，若DF≥75%时按式（5）计算R值。当300次快速冻融循环前相对动弹模量降到初始值的75%或质量损失已超过5%时（按《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 27098）），即DF＜75%，则以300次冻融循环的规定次数作基准，取相对动弹模量值为0.75和此时冻融循环次数N，按式（6）计算R值。

3 试验研究内容

3.1 矿渣微粉改性水泥基材料力学性能研究

①对不同水胶比的单掺矿渣微粉水泥基材料在不同养护龄期时抗折、抗压强度进行试验分析。

②研究复掺矿渣微粉与粉煤灰对水泥基材料抗折、抗压强度的影响规律。

③结合已有的研究成果，探讨矿渣微粉及粉煤灰对水泥基材料力学性能的作用机理。

3.2 矿渣微粉改性水泥基材料抗氯离子渗透性能研究

①利用RCM法研究单掺矿渣微粉及复掺矿渣微粉与粉煤灰改性水泥胶砂在不同养护龄期时，其氯离子扩散系数的变化规律，得到矿渣微粉及粉煤灰对水泥胶砂抗氯离子渗透性能的影响规律。

②对矿渣微粉及粉煤灰改性水泥基材料抗渗性能的作用机理进行分析研究。

3.3 矿渣微粉改性水泥基材料抗冻性能研究

①利用快速冻融循环试验，对单掺矿渣微粉及复掺矿渣微粉与粉煤灰水泥混凝土的抗冻性能进行试验研究，通过对比分析水泥混凝土的质量损失率及相对动弹模量的变化规律，得到矿渣微粉及粉煤灰对水泥混凝土抗冻性的影响规律。

②对水泥混凝土的冻融破坏机理进行分析，并探讨矿渣微粉及粉煤灰改性水泥基材料抗冻性能的作用机理。

③研究高效减水剂对水泥混凝土的抗压强度及抗氯离子渗透性能的影响规律，得到高效减水剂的最佳掺量；并结合已有的研究成果对高效减水剂的作用机理进行分析。

4 试验成果分析

（1）矿渣微粉能对水泥的力学性能有较好的改善作用，对抗折强度的改善作用较抗压强度显著；在水胶比为0.4，矿渣微粉掺量为50%时，水泥的56 d，90 d龄期的抗折强度得到有效提高，分别较普通水泥试件的抗折强度提高26.90%和23.71%；在水胶比为0.4，矿渣微粉掺量为30%时，水泥的56 d，90 d龄期的抗压强度较普通混凝土提高幅度较小，分别提高10.91%和7.97%。

（2）在矿渣微粉掺量为50%的水泥中复掺10%的粉煤灰时，对水泥的抗折抗压强度改善效果最好；水泥的14 d，28d龄期的抗折强度和抗压强度分别提高14.26%，21.83%和13.44%，2.9%。

（3）掺入矿渣微粉后，能显著提高水泥胶砂的抗渗性能，矿渣微粉掺量为50%时，改善效果最为明显，矿渣微粉水泥胶砂的14 d，28 d抗渗性能提高45.70%，72.47%。

（4）矿渣微粉掺量50%、粉煤灰掺量20%的水泥胶砂的7 d，14 d，28 d抗氯离子渗透性分别提高84.59%，38.44%，54.66%；矿渣微粉掺量50%、粉煤灰掺量30%水泥胶砂的28 d抗氯离子渗透性能提高最为显著，较普通水泥胶砂提高62.84%。

（5）矿渣微粉与粉煤灰能有效提高水泥混凝土的抗冻性能，在125次循环时，单掺50%矿渣微粉水泥混凝土质量损失率较普通混凝土降低63.54%，相对动弹模量较普通混凝土提高23.72%；复掺50%矿渣微粉和10%粉煤灰水泥混凝土质量损失率较普通混凝土降低69.06%，相对动弹模量较普通混凝土提高28.69%。

（6）矿物掺合料水泥混凝土电阻率显著提高，混凝土导电性降低，阻碍了钢筋的锈蚀破坏，改善钢筋混凝土抗电腐蚀特性。单掺50%矿渣微粉混凝土电阻率较普通混凝土提高2.04倍；复掺50%矿渣微粉和20%粉煤灰混凝土电阻率较普通混凝土提高5.5倍。

（7）冻融作用下，混凝土电阻率随冻融循环次数增加逐渐减小，单掺50%矿渣微粉水泥混凝土减小趋势较为平缓，冻融循环150次后电阻率最大，阻碍钢筋锈蚀性能最为显著；在125次循环时，单掺50%矿渣微粉混凝土电阻率较普通混凝土提高3.5倍，复掺50%矿渣微粉和10%粉煤灰的混凝土电阻率较普通混凝土提高3.9倍。

（8）掺加适量高效减水剂能够有效改善水泥混凝土的抗压强度及抗氯离子渗透性能，最佳掺量为2%左右，添加高效减水剂的水泥混凝土28 d抗压强度和抗氯离子渗透性能较普通混凝土分别提高9.96%和10.11%。

综上所述，按优化配比制备的矿渣微粉混凝土和矿渣粉煤灰混凝土，能在寒冷、腐蚀性强的北方沿海地区全面提高混凝土性能：抗氯离子渗透性提高50%～60%；抗冻性提高30%以上；电阻率提高3～6倍，可有效抵抗混凝土内部锈蚀破坏。

5 结论

在试验研究内容中，建立了冻融循环作用下矿渣微粉混凝土和矿渣粉煤灰混凝土电阻率与混凝土质量损失、相对动弹模量等损伤指标之间的定量关系，为定量评价冻融循环作用下混凝土材料的损伤提供了一条新途径，揭示了大掺量矿渣微粉及粉煤灰改性水泥基材料性能的发展变化规律，提出了适用于北方沿海环境下抗海水腐蚀混凝土配合比设计意见，为科学的进行工程结构设计和养护提供了依据。

大掺量矿渣微粉高性能水泥混凝土，能够有效地改善水泥混凝土的抗海水腐蚀性能，提高了其耐久性，最大限度的延长了水泥混凝土结构的使用寿命，具有巨大的社会、经济和生态效益。大掺量矿渣微粉高性能水泥混凝土不仅可以在北方沿海环境下水泥混凝土结构的建设、加固维修中推广使用，同时还可推广至全国沿海环境下水泥混凝土结构建设和维修加固。

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