福州地铁4 号线C35P8 耐久性混凝土优化分析

黄剑丰

（福建省永正工程质量检测有限公司， 福建福州 350012）

0 引言

近年来，福州地铁各条线路均在陆续建设中，因其工程结构混凝土长期处于地下水腐蚀性环境中，故对混凝土耐久性提出了更高的要求。

地铁工程的混凝土耐久性影响因素有很多，主要有以下几点：（1）地铁工程所处的环境CO2浓度高，混凝土的碳化影响较大，主要危害是会导致混凝土的碱性降低，使钢筋表面在高碱条件下形成的对钢筋起保护作用的致密氧化膜遭到了破坏，在一定条件下能使钢筋产生锈蚀，从而影响混凝土使用寿命[1]；（2）氯离子侵蚀，氯离子渗透到钢筋表面后会吸附于钝化膜上，达到临界浓度后，会对钝化膜产生破坏，从而引起钢筋锈蚀，会使钢筋与混凝土的粘结力下降，严重时会产生膨胀使保护层开裂，最终破坏整体结构[2]；（3）混凝土早期抗裂，混凝土本会产生自由收缩，而早期抗裂试验是为了确定混凝土收缩对混凝土开裂趋势的影响[3]；（4）混凝土发生碱集料反应，会在混凝土内部产生膨胀应力，致使混凝土开裂。

基于以上，结合福州地铁4 号线C35P8 耐久性混凝土的设计对耐久性混凝土对材料的要求，现就福州地铁4 号线工程C35P8 耐久性混凝土的配合比设计进行探讨，福州地铁工程环境作用等级为I-B 级，确定设计配合比时应对混凝土原材料的选用与混凝土的水胶比等主要参数提出具体要求，确保混凝土具有良好的耐久性。

1 原材料选择

1.1 水泥

本文水泥选用福建水泥有限公司生产的炼石牌P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其化学指标、物理性能如表1、表2 所示。

表1 P·O42.5 化学性能指标%

表2 P·O42.5 物理性能指标

1.2 集料

本文集料选用由永泰县宏源砂石加工有限公司生产的集料，粗、细骨料碎石质量检测结果分别如表3、表4 所示。

表3 粗集料性能指标

表4 细集料性能指标

1.3 粉煤灰

本文选用福州开发区华能实业有限公司生产的F 类Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰理化性能检测结果如表5 所示。

1.4 矿渣粉

本文选用由福建罗源闽光钢铁有限公司生产的S95 级粒化高炉矿渣粉，其各项性能指标如表6 所示。

表5 粉煤灰理化性能指标

表6 粒化高炉矿渣粉性能指标

1.5 外加剂

本文选用聚羧酸高效减水剂的性能指标如表7 所示，本文选用武汉三源特种建材有限责任公司生产的镁质膨胀剂性能指标如表8 所示。

表7 聚羧酸高效减水剂检测结果

表8 膨胀剂检测结果

2 配合比设计

为了使C35P8 混凝土耐久性能满足设计图纸要求，即：碳化试验[3]≤2.0cm；早期抗裂性[3]C＜400mm2/m2；电通量[3]≤1200C，氯离子扩散系数[3]RCM≤3.0×10-12m2/s，抗渗性[3]能符合P8 要求，通过考虑掺入膨胀剂、粉煤灰、矿渣粉对混凝土配合比影响，试验用混凝土配合比见表9。

表9 混凝土配合比材料用量

3 试验结果

通过混凝土相关试验，抗渗性均能满足P8 要求，试验结果如表10 所示。

3.1 数据分析

（1）由A1、B1、C1 试验可知，水胶比越低，28d 抗压强度越高，抗氯离子渗透越小，碳化深度越小，混凝土耐久性能越好；

（2）由B2、B3、B1 试验可知，同比例下，膨胀剂的加入能有效降低早期裂缝，提高早期抗裂性能；

（3）由B1、B2、B3、D1、D2、D3、D4、D5 试验可知，单掺或双掺粉煤灰和矿渣粉，均可降低混凝土氯离子扩散系数及电通量，且双掺优于单掺；

（4）由D1、D2、D3、D4、D5 试验数据可知，随着粉煤灰掺量的不断增加，混凝土拌合料流动度也随之增加，砼抗压强度逐步降低，混凝土抗氯离子渗透系数降低，但粉煤灰掺量在20%～30%时，混凝土抗氯离子渗透系数降低效果就不是很明显了，有上升的趋势，混凝土抗压强度的损失较为明显。随着粉煤灰掺量的增加，能有效改善混凝土抗渗性能，但混凝土碳化深度也随之增加。早期抗裂性能掺量在15%～20%，下降较为明显[4]，随着粉煤灰掺量增加，下降趋势越不明显。

表10 混凝土配合比试验结果

3.2 粉煤灰的影响

D1、D2、D3、D4、D5 相关检测结果如图1～5 所示。

图1 粉煤灰掺量与坍落度关系

由图1 可知，粉煤灰掺量在0～30%范围内，掺量越大，混凝土坍落度[5]越高。

图2 粉煤灰掺量与抗压强度关系

由图2 可知，粉煤灰掺量由0%增加至30%时，混凝土抗压强度变小，在20%～30%时，28d 抗压强度下降越加缓慢，7d 抗压强度在15%～20%之间下降最明显；粉煤灰掺量越大时，抗压强度后期增长越加明显。粉煤灰掺量越高对早期抗压强度影响越大，对28d 抗压强度影响程度相对较小，掺量为20%～30%时影响程度比10%～15%掺量大得多。因此，如果要保证早期强度时，建议掺量在10%～15%之间进行选择。

图3 粉煤灰掺量与碳化关系

由图3 可知，碳化速度随着粉煤灰掺量增加而加快，掺量在10%～20%时，碳化加快速度相对较小。

图4 粉煤灰掺量与电通量关系

图5 粉煤灰掺量与RCM 关系

由图4、图5 可知，掺入粉煤灰能有效地降低混凝土氯离子的渗透，且粉煤灰掺量在10%～15%下降最为明显，在20%～30%时，混凝土氯离子渗透有增加的趋势，因此，建议粉煤灰掺量在10%～15%之间。

5 结束语

本文通过对不同参考配合比下C35P8 混凝土性能进行研究，得出以下结论：

（1）水胶比越低，强度越高，抗氯离子渗透越小，碳化深度越小，混凝土耐久性能越好，且混凝土加入膨胀剂能有效抑制混凝土早期裂缝产生，提高早期抗裂性能。

（2）混凝土加入粉煤灰和粒化高炉矿渣粉均能有效抑制氯离子的渗透，且双掺优于单掺；在单掺粉煤灰时，粉煤灰掺量越高，氯离子渗透会先降低后增加，当粉煤灰掺量在20%～30%时，混凝土抗氯离子渗透系数下降的效果不明显，且掺加粉煤灰能有效提高混凝土抗渗性，混凝土加入掺合料能有效地降低混凝土总碱量，建议粉煤灰掺量在10%～15%之间。

（3）粉煤灰掺量在0～30%范围内，粉煤灰掺量的增加，混凝土拌合料流动度也有所增加，对早期抗压强度影响越大，对28d 抗压强度影响程度相对较小，当粉煤灰掺量在10%～15%范围时，对早期抗压强度影响程度较小；粉煤灰掺量在15%～20%时能有效地抑制混凝土早期裂缝的产生，随着掺量增加，效果越不明显；混凝土渗透高度越来越小，随着粉煤灰掺量增加，下降趋势越不明显，但粉煤灰掺量越大，混凝土碳化深度也越大，会对混凝土耐久性产生不利影响。

（4）综合考虑掺合料对混凝土力学性能、耐久性能的影响，针对C35P8混凝土用于地铁工程，根据设计图纸要求，在配制混凝土时，宜选用双掺，即加入粉煤灰和高炉粒化矿渣粉，粉煤灰掺量10%～15%，总掺量选用25%～30%，序号B1 各性能均能符合设计要求，选用序号B1 为最终配合比。