七都大桥混凝土工作性能试验分析及防腐措施研究

马 骏

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

硫酸盐对混凝土的破坏国内外研究成果较多，其侵蚀破坏是一个非常复杂的物理化学过程。从侵蚀作用来看，混凝土的硫酸盐侵蚀可分为物理侵蚀和化学侵蚀：化学侵蚀的本质是指硫酸根离子与水泥水化产物或未水化的水泥颗粒在孔隙或者界面过渡区内生成膨胀性产物，对孔壁产生拉应力，当拉应力大于孔壁的极限压力时混凝土产生裂缝；物理侵蚀是指硫酸根进入混凝土内部发生反复溶解、再结晶使混凝土体积产生膨胀，引发混凝土强度下降，最终导致结构劣化[1-6]。部分学者给出了硫酸盐侵蚀下混凝土的防护措施[7-9]，但应用于实际工程中效果差异较大，部分措施应用效果还存在相互矛盾，可能是防护材料性能与服役工程环境特点差异较大所致。

本研究立足于国道G104国道改建项目的实际服役环境，分析既有七都大桥混凝土结构构筑物服役的环境土质、水质的组成，明晰硫酸盐为主的侵蚀介质的浓度范围，从混凝土组成上优化其结构，并选用适宜的防护材料保障七都大桥的耐久性。

1 工程概况

1.1 大桥基本情况

2018年开工的国道G104改扩建项目中的七都大桥，左桥全长536.5 m，右桥全长534.5 m。桥梁跨越河流(七都溪)，河宽约80～100 m，河流两岸无护坡，两岸阶地分布厂房、旱地或堆积沙堆。根据现场的情况和水位，对其所处的地理位置进行了考察，七都大桥4#～7#墩桩基位于七都溪中，其余墩位于陆地。桥址区地表水主要为七都溪的溪水和河流阶地上养殖区的池塘水，地下水类型主要为冲海积卵石层中的潜水、基岩风化层中的孔隙裂隙水。潮汐类型属正规半日潮，在一个太阴日内发生两次高潮和两次低潮，高潮水位6～8 m，低潮水位1～3 m，潮差3～8 m。

1.2 腐蚀环境分析

七都大桥整治前，混凝土结构构筑物均存在不同程度的剥蚀情况，且历经剥蚀的混凝土内部结构较为疏松，剥蚀严重部位出现骨料外露现象(见图1所示)。鉴于混凝土结构服役过程中受剥蚀的情况，对服役环境中现存的潜在危害(土和水)进行成分分析，其XRD谱图、离子浓度结果分别如图2和图3所示。

图1 七都大桥附近混凝土结构构筑物腐蚀状态

通过图2可知，服役环境中主要面临硫酸盐、氯盐侵蚀；进一步分析服役环境中土和水的离子浓度(如图3所示)，也反映出混凝土结构构筑物的破坏来源于硫酸盐和氯盐；此外从现场可知破损主要出现于与土接触的部位，呈现起皮、脱落，由此判断七都大桥混凝土结构的破坏主要以硫酸盐为主。

图2 服役环境中土和水的XRD谱图

图3 服役环境中土和水离子浓度

2 混凝土配合比设计

根据七都大桥的服役环境，墩柱、系梁、盖板用混凝土设计要求强度等级为C40，坍落度140～180 mm，结合结构海工混凝土耐久性设计规范要求，确定抗硫酸盐侵蚀混凝土最大水胶比为0.4。

2.1 主要原材料

水泥：采用芜湖海螺水泥有限公司生产的P.O 42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成分见表1。矿物掺合料：FⅡ型粉煤灰由福建鼎旺再生有限公司提供，其化学成分见表1。细骨料：福建欣旭建筑提供的中砂，细度模数2.8；粗骨料：福建欣旭建筑提供的5～25 mm碎石(10～25 mm掺60%，5～10 mm掺40%)，各项性能指标满足水泥混凝土配合比要求。减水剂：采用武汉辰龙科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，减水率27%，掺量1.186%。

表1 水泥、粉煤灰化学组成%

2.2 性能测试方法

新拌混凝土工作性能和含气量测试依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/50080-2016)；抗压强度测试依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/50081-2019)；渗透性(电通量法)和抗冻融性测试依据《普通混凝土长期性和耐久性试验方法标准》(GB/50082-2009)。

2.3 混凝土配比

既有的七都大桥混凝土结构主要面临硫酸盐的侵蚀，因此配合比设计在满足强度的前提下增加矿粉掺量，同时考虑施工时混凝土和易性掺加粉煤灰，降低混凝土内部孔隙掺加有机高性能改性剂，五种配合比设计如表2所示。

表2 五种混凝土配合比kg/m3

3 结果分析与讨论

3.1 新拌混凝土的工作性和保坍性

兼顾施工和耐久性，七都大桥的墩柱、系梁、盖板混凝土坍落度设计要求为140～180 mm，拌合物自出机到现场施工时间不得超过2 h。

五种配合比坍落度2 h 内发展趋势如表3所示。由表3知：①五种配合比中C1配合比2 h内坍落度损失量最大；新拌混凝土的坍落度值随着水胶比增大而增大，相同重度的配合比随水胶比的降低拌合物中胶凝材料增多，使得拌合物的粘聚性增大，因此低水胶比的C1配合比坍落度损失最大。②对比C2、C3配合比，水胶比为0.37和0.39时2 h内的坍落度损失量相等，因此在保证强度最佳的条件下优选C2配合比。③对比C2、C4、C5配合比2 h内坍落度损失量相同，C4、C5配合比新拌混凝土坍落度均大于C2，究其主要原因，C2、C4、C5为同重度、同水胶比、同水泥掺量配合比，差异在于粉煤灰、矿粉掺量的占比，C4、C5配合比中粉煤灰掺加量均高于C2，粉煤灰微结构的球形颗粒状态使得混凝土的坍落度增大。

国道G104改建项目地处宁德蕉城区属中亚热带海洋性季风气候，全年平均气温为17.5 ℃，配合比设计时不考虑掺加引气剂，同时为降低混凝土结构内部的孔隙率，采用低引气型高性能减水剂，从而提高混凝土结构密实性。五种配合比2 h内含气量的发展趋势如表3所示，由表3知：①五种配合比中C1配合比2 h内含气量损失最大。②对比C1、C2、C3，随着水胶比的增大含气量随之增大，C1、C2、C3配合比重度等同，胶凝材料的掺加量随着水胶比的增大而减少，即水泥的用量随之降低，水泥对微小气泡具有吸附作用，其掺量越大，混凝土的含气量越低，因此C1配合比新拌混凝土的含气量和2 h内含气量的损失最大；C2配合比2 h含气量的损失小于C3，即C2配合比稳定、新拌混凝土内部的含气量较佳。③C2、C4、C5配合比中随着矿物掺合料中粉煤灰掺入量的增加，新拌混凝土的含气量随之增大，即C4=C5>C2，2 h内含气量的变化趋势为C2=C4>C5，C5配合比稳定、新拌混凝土内部含气量优于C2、C4，粉煤灰以其自身球形颗粒状的微结构，使得混凝土拌制过程中引入气体，从而提高混凝土整体的含气量。

表3 五种配合比混凝土拌合物性能指标

施工过程中，新拌混凝土坍落度和含气量2 h以内的损失率是确保后期混凝土结构强度发展、微结构断面是否致密、抵抗硫酸盐进入结构内部腐蚀的关键，坍落度、含气量损失率小可确保施工过程中混凝土结构整体的匀质性，减少蜂窝、麻面、裂纹等缺陷带来的强度下降、结构表层疏松多孔等问题。综合上述五种配合比坍落度、含气量2 h内的变化趋势，C2配合比的坍落度、含气量为最佳选择。

3.2 混凝土的强度

五种配合比抗压强度随养护龄期的变化如图4所示，由图4知：①同龄期下抗压强度发展趋势为C1>C2>C4>C5>C3，90 d时抗压强度C1(56.8 MPa)>C2(56.2 MPa)>C4(53.0 MPa)>C5(52.2 MPa)>C3(50.9 MPa)，C1、C2配合比龄期90 d时抗压强度值较为接近。②7 d至90 d，五种配合比的增长率规律为C2(19.07%)>C4(17.66%)>C5(16.10%)>C3(15.60%)>C1(15.21%)，即水胶比为0.37的配合比抗压强度增长趋势较为明显，其增长率分别高于水胶比0.39和0.35配合比，因此水胶比为0.37时抗压强度的发展趋势最佳。③相同胶凝材料、水胶比为0.37的C2、C4、C5配合比因胶凝材料中矿物掺合料的差异抗压强度呈差异化发展，即C2>C4>C5。

图4 五种配合比抗压强度趋势

抗压强度呈上述发展趋势的主要原因为：①不同水胶比下强度的发展趋势为C1>C2>C3，抗压强度随着水胶比增大而减小，水胶比增大势必减弱胶凝材料颗粒间的粘结性，继而造成凝结硬化后混凝土断面的孔隙率较大，致使强度的下降。②龄期由7 d至90 d时水胶比为0.37时抗压强度的增长趋势较为明显，究其原因，水胶比较低时固然可以增加凝结硬化浆体的强度，但低水胶比带来的颗粒间团聚、粘连不可避免的降低胶凝材料颗粒的水化速率，过高的水胶比会削弱胶凝材料颗粒水化过程中生成的“水化结晶网”降低抗压强度，水胶比0.37时胶凝材料颗粒团聚的解离和水化过程中结晶网生成达到相对平衡的状态，因此0.37的水胶比增长率最佳。③水胶比为0.37的C2、C4、C5抗压强度呈C2>C4>C5趋势发展，究其原因，随着配合比中粉煤灰掺量的增加抗压强度呈递减趋势发展，粉煤灰的微结构球形固然可以提高浆体的流动性，但其水化作用能力较弱，因此相同胶凝材料掺量的混凝土随粉煤灰掺量的增大势必引起强度的下降。

综合现有工程实例可知，混凝土结构强度越高，其微结构水化结晶相数量越多，随着混凝土内部水化进程的发展，水化结晶相相互交错、搭接形成致密的网络状结构，致密的网络状结构可有效解决氯离子、硫酸根离子向混凝土内部迁徙过程中导致混凝土结构服役性能下降的问题，因此混凝土结构的耐腐性能随着强度的增大而提高。对比五种配合比强度发展，其中C1配合比的强度最佳，但其2 h内坍落度和含气量的损失率最大，混凝土浇筑过程中易引起浇筑不均匀导致的结构性能下降等问题；龄期90 d时，C2、C1配合比的强度差距较小，结合混凝土坍落度和含气量发展趋势可得C2配合比优于C1。

3.3 混凝土的耐久性

混凝土电通量值、抗氯离子渗透系数是混凝土耐久性的关键衡量指标。五种配合比电通量值、抗氯离子渗透系数发展规律如图5所示，56 d电通量发展规律为C3(801 C)>C5(783 C)>C4(766 C)>C2(702 C)>C1(637 C)，56 d抗氯离子渗透系数发展趋势为C3>C5>C4>C2>C1，硬化浆体微结构断面致密程度越低渗透能力越强，与56 d抗压强度C1>C2>C4>C5>C3呈反向发展趋势，抗压强度增大其抗渗透能力随之增大，表现出凝结硬化后混凝土的电通量值和抗氯离子渗透系数降低。综合比选，C2为选定的最佳配合比。

图5 五种配合比56 d电通量、抗氯离子系数扩散

3.4 长期硫酸盐侵蚀环境下强度保证率分析

利用上述五种配比成型150 mm立方体试块，标准养护至龄期28 d，利用石蜡密封试块四周。硫酸盐侵蚀溶液由待服役的水环境中取得，采用控制电压为60 V的电脉冲手段对五种配合比龄期为28 d时混凝土试件进行侵蚀破坏。

历时28 d、56 d电脉冲作用下五种配合比强度发展趋势如图6所示：①电脉冲时间为28 d时，五种配合比强度剩余率发展趋势为C1(91.1%)=C2(91.1%)>C4(89.7%)>C5(88.2%)>C3(85.7%)，即C1、C2配合比强度剩余率相近，C3、C4、C5配合比强度剩余率变化趋势与抗压强度发展趋势相同。②电脉冲时间为56 d时，五种配合比强度剩余率发展趋势为C2(86.2%)>C1(82.6%)>C4(79.8%)>C5(77.9%)>C3(75.6%)，此时C2配合比强度剩余率大于C1，C3、C4、C5配合比强度剩余率，变化趋势与电脉冲时间为28 d时C3、C4、C5配合比强度剩余率、抗压强度发展趋势等同。究其主要原因，C1配合比中水泥的掺入量大于C2，即水化生成的水化铝酸钙含量较高，水化铝酸钙与电脉冲作用下硫酸盐发生反应生成对强度贡献较小且处于介稳状态的AFt，因此C2配合比强度剩余率高于C1；而C3配合比强度剩余率较低的主要原因归结于自身强度较低，断面水化微结构水化产物形成的网络状致密程度较低，随着硫酸盐的冲刷侵蚀进一步削弱水化网络状结构，致使C3配合比强度剩余率强度下降。综合比较，C2配比表现最优。

图6 电脉冲侵蚀环境下强度发展趋势

3.5 混凝土结构表面涂刷FSD104有机硅防水、防腐剂

4 工程应用

国道G104改扩建项目完成后七都大桥墩身混凝土结构服役情况如图7所示，对比调研七都大桥附近的混凝土结构构筑物，采用C2配合比和表面涂刷FSD104有机硅的墩身混凝土结构表面光滑且未发现剥蚀现象。

图7 七都大桥墩身混凝土整治效果

5 结论

(1) 通过国道G104改扩建项目中七都大桥周边土质、水质分析，得出既有混凝土结构面临硫酸盐侵蚀环境。

(2) 综合新拌混凝土的工作性、力学性以及抗氯离子侵蚀性能、长期硫酸盐侵蚀环境下强度保证率等指标得出C2配合比为最佳配合比。