矿物掺和料对PC箱梁混凝土耐久性影响研究

刘 敬， 余 浩， 李北星

(1.湖北交投智能检测股份有限公司，湖北 武汉 430050；2.武汉理工大学 硅酸盐材料工程研究中心，湖北 武汉 430063)

混凝土耐久性作为桥梁结构设计及施工管控的一个重要组成部分，使得桥梁的安全性和使用性能成为一个具有时变性的概念。Metha[1]指出对现有混凝土结构持续的修复和维修过程造成的结构更新成本高达40%，这使得工程师越来越多关注混凝土的耐久性。在中国，有许多工程出现了较严重的耐久性问题，混凝土结构寿命也远低于设计标准[2]，骨料、矿物掺和料及外加剂等均对混凝土耐久性有较为明显的影响[3-8]。因此，作者拟依托嘉鱼长江公路大桥北边跨C55宽幅闭合PC箱梁，基于优化后的配合比，对混凝土的耐久性展开试验研究。

1 配合比的选取

为实现PC箱梁混凝土高工作性、抗裂性和低收缩徐变的配制目标，配合比优化设计遵循了低水泥用量、低用水量、骨料最大堆积密度、掺用缓凝型高性能减水剂与较大掺量矿物掺和料的原则，优选出基准配合比、粉煤灰单掺配合比及粉煤灰和矿粉复掺配合比3组C55 PC箱梁主体混凝土配合比，见表1。

表1 PC箱梁混凝土配合比Table 1 The mixing ratio of the PC box girder concrete

3种PC箱梁主体混凝土配合比的工作性良好，7 d抗压强度介于53.5～63.3 MPa，28 d抗压强度介于70.3～74.9 MPa，均大于其配制强度。

为验证和比较3种配合比混凝土耐久性优劣，作者拟对混凝土进行抗氯离子渗透试验、碳化试验、快速冻融试验及抗硫酸盐侵蚀性能试验。

2 抗氯离子渗透性能

依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T50082-2016)》[9]中的电通量法，测定混凝土试件的6 h通电量，用于评价混凝土密实性。依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T50082-2016)》中的RCM法，测定氯离子扩散系数，评价其抗氯盐侵蚀性。试件尺寸为φ100×50 mm，养护龄期分别为28和56 d。试验结果见表2。

从表2中可以看出，各试样氯离子扩散系数和电通量均随混凝土养护龄期的增加而降低。除基准外，其他2种试样的28 d电通量均小于1 000 C，符合耐久性设计要求，氯离子渗透性等级评价为“很低”。与基准相比，单掺(粉煤灰)和复掺(粉煤灰和矿粉)的混凝土氯离子扩散系数和电通量均明显降低。表明：矿物掺和料的掺入提高了混凝土的抗氯离子渗透性能，且粉煤灰的改善效果优于矿粉的。

表2 混凝土抗氯离子渗透性能试验结果Table 2 Test results of chloride ion permeation resistance of the concrete

3 抗碳化性能

混凝土配合比试样尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm，在CCB-70型碳化试验箱中养护7 d。经过28 d标准快速碳化试验后，其结果表明：试样碳化深度均极小，近似为0 mm，具有优良的抗碳化性能。表明：① 矿物掺和料与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次反应降低了混凝土中碱的储备量，会加速混凝土的碳化进程；② 矿物掺和料的掺入改善了混凝土内部孔隙结构和水泥浆体与集料的界面结构，阻隔了大部分CO2进入通道，改善了混凝土的抗碳化性能。

4 抗冻性能

混凝土抗冻等级(快速冻融法)的评判标准是：混凝土抗冻等级以相对动弹性模量下降至不低于60%或质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定。基于前期试验结果，粉煤灰对改善混凝土耐久性的影响略优于矿粉的。因此，本研究在单掺(粉煤灰)配比基础之上，保持胶材总量不变，对不同粉煤灰配比的混凝土进行了快速冻融试验，如图1所示。

图1 混凝土抗冻融试验的结果Fig. 1 The results of the freeze-thaw resistance test for the concrete

从图1中可以看出，快速冻融300次循环时，试件的相对弹性模量介于96%～98%，远大于60%；试件的质量损失率均在0.54%～0.86%之间，远小于5%。这些试件的抗冻等级均超过F300, 抗冻性能良好。随着粉煤灰掺量的增加，快速冻融300次循环后的相对动弹性模量逐渐降低，质量损失率逐渐增加，表明粉煤灰掺量并不是越大越好。

5 抗硫酸盐侵蚀性能

为进一步确定矿物掺和料掺量对混凝土耐久性的影响，采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T50082-2016)》中的干湿循环—硫酸盐侵蚀试验方法，对不同单掺(25%粉煤灰)配比和复掺(20%粉煤灰和10%矿粉)配比的混凝土进行了抗硫酸盐侵蚀试验，如图2所示。侵蚀条件为：5% Na2SO4溶液浸泡15 h+风干1 h+80 ℃烘干6 h+冷却2 h，每24 h为一次干湿循环。抗硫酸盐侵蚀等级以混凝土抗压强度耐蚀系数下降到不低于75%时的最大干湿循环次数来评定，计算公式为：

Kf=fcn/fc0。

(1)

式中：Kf为抗压强度耐蚀系数；fcn为经过n次干湿循环后受硫酸盐侵蚀的混凝土试件抗压强度；fc0为与受硫酸盐侵蚀试件同龄期的标准养护试件抗压强度。

从图2中可以看出，混凝土强度演变过程分为侵蚀前期的强度增长阶段和后期的强度劣化阶段。当侵蚀次数为60次时，各组混凝土的强度耐蚀系数达到峰值。当侵蚀次数大于90次后，其耐蚀系数逐步低于100%。相对动弹性模量的发展趋势也与混凝土的强度演变过程一致。表明：硫酸盐侵蚀对混凝土的损伤表现为先致密后损伤。

图2 混凝土抗压强度耐蚀系数和相对动弹性模量的变化Fig. 2 The change of corrosion resistance coefficient and relative dynamic elastic modulus of compressive strength of the concrete

对比150次侵蚀循环后，4种配比混凝土试件抗硫酸盐侵蚀性能由大到小的顺序为复掺(20%粉煤灰和10%矿粉)、单掺(25%粉煤灰)、单掺(15%粉煤灰)和单掺(35%粉煤灰)，其抗硫酸盐等级分别为：大于KS150级、等于KS150级、等于KS12级和等于KS120级。表明：① 25%粉煤灰混凝土比15%粉煤灰混凝土更利于改善其抗干湿循环-硫酸盐侵蚀性能。当粉煤灰掺量为35%时，其损伤速率明显加快，在一定程度上降低了混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，试验结果与分析相对应；② 粉煤灰和矿粉复掺更利于提升混凝土的耐久性。

6 结论

1) 矿物掺和料能够显著提升混凝土各项耐久性指标，且粉煤灰的改善效果略优于矿粉的。

2) 粉煤灰对混凝土耐久性的影响具有双面性：① 在一定范围内粉煤灰掺量的增加能够提升混凝土耐久性；② 当粉煤灰掺量超过一定范围后，混凝土性能损伤速率加快，降低了混凝土的耐久性。

3) 粉煤灰与矿粉复掺对提高混凝土的耐久性更为有利。

本研究在探究矿物掺和料对混凝土耐久性影响的同时，通过各项试验深入研究了粉煤灰掺量对混凝土耐久性的影响，探索出在一定胶材用量下PC箱梁混凝土中粉煤灰掺量的合理性。由于试验周期较长，矿粉的合理掺量及粉煤灰和矿粉复掺的合理组成比例对混凝土耐久性的影响仍需进一步研究。