基于水利工程高性能混凝土的耐久性试验研究

唐付磊

(辽宁省白石水库管理局有限责任公司，辽宁 朝阳 122000)

实践表明，暴露于腐蚀环境中是引起混凝土材料性能劣化的重要原因，而硫酸根离子和氯离子是腐蚀环境中的主要化学腐蚀介质，对混凝土耐久性的影响最为显著。化学介质环境中混凝土的强度残余和损伤机理逐渐引起结构、材料等领域内专家的高度重视，如汤志杰等[1]从概率特征的角度探究了结构耐久性寿命，并对某电站安全构筑物利用可靠性指标预测其服役年限；刘宗民等[2]运用COMSOL数值模拟软件分析了混凝土内部氯离子的输移过程；姜慧等[3]提出混凝土渗透性越好、结构应力水平越高则氯离子侵入难度越大；赵蕊等[4]利用COMSOL模拟分析氯离子传输受外界环境、混凝土材料的影响特征，并以试验加以验证；邹斌等[5]提出长期剪应力作用下混凝土结构耐久性加载方式；曹鹏飞等[6]归纳总结了混凝土耐久性提升有关对策，旨在推动水利事业可持续建设发展；刘世等[7]认为自燃煤矸石混凝土水分传输能力受酸性腐蚀环境的影响显著，pH值越小则混凝土吸水指标的增加幅度越大；孟春阳等[8]提出RWGC的抗碳化性能会随石灰粉替代水泥量的增加而减小；於德美等[9]将氯离子对流-扩散、水分扩散方程利用高分辨率Crank-Nicolson格式进行了差分；孙小巍等[10]认为约束状态下不同部位的统一配合比混凝土，其抗氯离子渗透性存在明显差异。

以上研究学者大多采用理论计算、仿真模拟等方式分析混凝土中氯离子的输移规律，为提高混凝土耐久性有学者研究了材料的配合比设计，如刘金华等[11]借助DOE混料设计方法和骨料最紧密堆积原理，设计了高性能混凝土最优配合比；天留宝等[12]经试验研究提出水胶比0.42、单位用水量170kg/m3为混凝土最佳配合比；乔宏霞等[13]以石灰石粉掺量及3种不同水胶比为变量，室内试验模拟了3种侵蚀环境下的混凝土耐久性；焦运攀等[14]全面分析了凝胶材料的组成及其用量、水胶比，并提出最优配合比。鉴于此，文章以矿物掺合料和水胶比为变量，从抗水渗透性、抗碳化性和抗氯离子侵蚀的角度探讨了水利工程高性能混凝土的耐久性。

1 试验配合比

选用X组石灰石粉单掺、Y组矿渣与石灰石粉复掺两组胶凝材料体系，固定水胶比0.33改变Z组石灰石粉掺量，从抗水渗透性、抗碳化性和抗氯离子侵蚀的角度探讨对混凝土性能的影响，混凝土试验配合比，见表1。

表1 混凝土试验配合比

2 高性能混凝土的耐久性

2.1 氯离子扩散性

采用试验配合比配制直径10cm×高5cm的混凝土试件，向氯离子扩散系数测定仪槽内注入蒸馏水配制的NaCl溶液。试验过程中考虑到初始电流I0不超过10mA，故将试验时间全部设定为96h，连接装置并通电加速氯离子侵蚀，试验后取出试件用预先配置的AgNO3溶液滴定，然后用游标卡尺测定氯离子的侵蚀深度(即白色沉淀厚度)，混凝土非稳态氯离子迁移系数按照规范推荐的公式计算确定。混凝土氯离子扩散系数，见表2。

表2 混凝土氯离子扩散系数

试验表明，混凝土试件的水胶比为0.33时，其28d氯离子扩散系数均符合《防腐规范》规定的不超过4×10-12m2/s要求。各试件28d强度与氯离子扩散系数存在一定关联，如双掺8%矿渣+20%石灰石粉、水胶比0.33的Y2组扩散系数最小为1.0，其28d强度也最高。

2.2 抗碳化性

混凝土碳化是指水工构筑物长期与大气接触，其内部孔隙渗入大气中的CO2，溶解于水分后与凝胶材料发生物理、化学反应产生钙矾石等物质，并使得混凝土强度明显下降。此外，混凝土内部孔隙溶液pH值不断减小，钢筋表面的钝化膜逐渐腐蚀，并进一步导致钢筋锈蚀膨胀，混凝土逐渐剥离开裂，结构耐久性受到严重影响[15]。抗碳化试验所用试件为立方体，其尺寸大小10cm×10cm×10cm，按照标准规范开展抗碳化试验，混凝土碳化深度，见图1。从图1可以看出，混凝土碳化深度随碳化试件的增长逐渐增加，各试件28d后碳化深度均≤10mm，由此表明该试验配合比具有较好的抗碳化性能。

图1 混凝土碳化深度

2.3 抗水渗透性

一般地，硫酸根离子、氯离子等侵蚀介质渗入混凝土内部都需要以水作为载体，各试件抗水渗透性测试按照标准规范开展抗水渗透性试验。此外，为进一步对比不同配合比的混凝土抗渗性能，借鉴渗水高度法逐级加压至设定值，加压结束后劈开试件并测量平均渗水深度。混凝土抗渗性能，见表3。

表3 混凝土抗渗性能

从表3可以看出，混凝土试件良好养护时材料的抗水渗透能力较好，各试件符合P12的设计要求，混凝土渗水高度随强度的提高而略有降低。

3 结 论

1)混凝土试件的水胶比为0.33时，其28d氯离子扩散系数均符合《防腐规范》规定的≤4×10-12m2/s要求。混凝土试件28d强度与氯离子扩散系数存在一定关联，如双掺8%矿渣+20%石灰石粉、水胶比0.33的扩散系数最小为1.0，其28d强度也最高。

2)混凝土碳化深度随碳化试件的增长逐渐增加，各试件28d后碳化深度均≤10mm，该试验配合比具有较好的抗碳化性能，符合规范规定的抗碳化性能要求。

3)混凝土试件良好养护时材料的抗水渗透能力较好，各试件符合P12的设计要求，混凝土渗水高度随强度的提高而略有降低。