混凝土材料耐久性能的影响因素及评价指标研究

冯仲伟，李化建，李林香

(1.中国铁道科学研究院 科研处，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

混凝土耐久性设计已成为确保混凝土结构达到设计使用年限的前提，合理确定混凝土耐久性指标是混凝土耐久性设计的重要内容。现阶段混凝土耐久性评价的主流仍然沿用传统的试验方法进行，而由于混凝土耐久性传统评价方法的试验过程过于缓慢，为不同环境下混凝土耐久性的评价带来极大的不便。为此，《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中提出采用电通量作为混凝土耐久性指标，用来评价混凝土的密实性或抗侵入性，从而间接评价混凝土的耐久性。于是，有必要研究电通量评价混凝土耐久性的有效性和适用性，提出评价不同环境下混凝土耐久性能的评价指标。本文以《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》中划分的环境类别为依据，以整体论为指导，从侵蚀介质作用途径和混凝土抵抗破坏的能力出发，通过开展大量试验，研究了氯盐环境、碳化环境、冻融环境以及硫酸盐结晶侵蚀环境下混凝土的耐久性能影响因素，初步提出不同环境下混凝土耐久性能的评价指标体系。

1 氯盐环境下混凝土耐久性研究

氯盐环境下，采用电通量法和RCM法，比较研究了不同条件下混凝土电通量和氯离子扩散系数的变化规律，如图1—图4所示。

图1 水灰比对混凝土电通量和氯离子扩散系数的影响

图2 水泥用量对混凝土电通量和氯离子扩散系数的影响

图3 粉煤灰掺量对混凝土(0.40水胶比)电通量和氯离子扩散系数的影响

图4 矿渣粉掺量对混凝土电通量和氯离子扩散系数的影响

实验结果表明，混凝土电通量和氯离子扩散系数随混凝土中水灰比和单方水泥用量的变化具有相同的变化规律，具体为当水灰比≤0.55时，28 d和56 d龄期混凝土电通量和氯离子扩散系数随水灰比的增大(0.35～0.55)均增大，当水灰比从0.55增大到0.60时，28 d龄期混凝土电通量和氯离子扩散系数均增大，56 d龄期时二者均减小;混凝土电通量和氯离子扩散系数随混凝土中单方水泥用量的增加(360～480 kg/m3)均增大。混凝土中掺入粉煤灰后，28 d龄期混凝土电通量随粉煤灰的掺入降低，而氯离子扩散系数却有所增加，56 d龄期混凝土电通量和氯离子扩散系数随粉煤灰的掺入均降低。对于矿渣粉混凝土，28 d、56 d两个龄期的混凝土电通量和氯离子扩散系数均随矿渣粉掺量的增加(0～60%)而减小。

对电通量和氯离子扩散系数进行相关性分析，如图5所示，图中A点为掺加30%粉煤灰的0.60水胶比混凝土，B点为用C3A含量4.58%的抚顺中抗硫酸盐水泥拌制的混凝土，C点为0.60水灰比的混凝土，D点同C点，E点为掺加30%粉煤灰的0.60水胶比混凝土。

图5 混凝土电通量和氯离子扩散系数的相关性

结果表明，除水胶比为0.60的混凝土和28 d龄期使用低C3A含量抗硫酸盐水泥拌制的混凝土外，28 d和56 d两个龄期的混凝土电通量和氯离子扩散系数均具有较好的相关性，且56 d龄期时二者的相关系数高于28 d龄期的相关系数。另从图5中(c)、(d)可以看出，掺入粉煤灰后，氯离子扩散系数与电通量的线性系数由0.039 1增大到0.052 5，说明粉煤灰对于降低混凝土电通量的影响高于对氯离子扩散系数的影响，当用电通量评价粉煤灰混凝土的氯离子渗透性时，如采用与其它类型混凝土相同的评价指标数值，则会夸大粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性。

2 碳化环境下混凝土耐久性研究

碳化环境下，通过开展不同条件下混凝土快速碳化试验及相关性能试验，研究了混凝土碳化性能的影响因素，如图6—图9所示。

研究表明，混凝土碳化深度随水灰比、含气量的增大而增大，当含气量＞7%时，混凝土碳化深度急剧增大，混凝土碳化深度还随粉煤灰掺量(当粉煤灰掺量≤20%时)、矿渣粉掺量的增加而减小;但当粉煤灰掺量＞20%时，由于混凝土吸收CO2气体的能力减弱，混凝土抗碳化的能力亦减弱。

图6 水灰比对混凝土碳化的影响

图7 含气量对混凝土碳化的影响

影响混凝土碳化性能的宏观性能因素主要为强度和渗透性，进一步分析强度和混凝土电通量与混凝土碳化深度的关系，如图10、图11所示。

随着强度的增加，混凝土碳化深度有减小的趋势，当强度＜50 MPa时，混凝土碳化深度随强度的增长显著下降;当强度＞50 MPa时，混凝土碳化缓慢。混凝土碳化深度和电通量的相关性分析表明，二者也具有较好的相关性。

图8 粉煤灰对混凝土碳化的影响

图9 矿渣粉对混凝土碳化的影响

图10 抗压强度与混凝土碳化深度的关系

图11 混凝土电通量与碳化深度的关系

3 冻融环境下混凝土耐久性研究

冻融环境下，以耐久性系数为混凝土抗冻性的评价依据，通过开展不同条件下的混凝土快速冻融试验，研究了不同因素对混凝土抗冻性的影响，如图12—图16所示。

实验结果表明，影响混凝土抗冻性的因素有水灰比、单方水泥用量、含气量和粉煤灰掺量，矿渣粉掺量对混凝土抗冻性影响不大。混凝土抗冻性随水灰比的增大、单方水泥用量的增加以及粉煤灰掺量的增加而变差。当混凝土含气量介于4.0% ～9.0%之间时，实验混凝土均具有良好的抗冻性能，表明含气量是影响混凝土抗冻性的最重要因素。实验结果还表明，当混凝土中掺入粉煤灰或矿渣粉后，混凝土电通量减小，而混凝土抗冻性变差或无明显变化，说明电通量所表征的混凝土渗透性和抗冻性之间没有明显的相关关系。

图12 水灰比对混凝土抗冻性的影响

图13 水泥用量对混凝土抗冻性的影响

图14 含气量对混凝土抗冻性的影响

图15 粉煤灰对混凝土抗冻性的影响

图16 矿渣粉对混凝土抗冻性的影响

4 硫酸盐结晶侵蚀环境下混凝土耐久性研究

硫酸盐结晶侵蚀环境下，以砂浆为研究对象，将砂浆试件在10%浓度下的Na2SO4溶液中干湿循环180次后的重量损失率作为砂浆抗硫酸盐结晶侵蚀性能的评价依据;研究了不同变化条件下砂浆的抗硫酸盐结晶侵蚀性能，并对其影响因素进行了分析，见图17—图22。

图17 水灰比对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

图18 胶砂比对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

图19 粉煤灰掺量对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

图20 矿渣粉掺量对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

图21 掺合料双掺对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

图22 掺合料双掺对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

实验结果表明，硫酸盐结晶侵蚀环境下，砂浆试件的重量损失率随水灰比的增大(0.35～0.55)而增大;随胶砂比的减小(1∶1.5～1∶3.5)先增大再减小，当胶砂比为1∶2.5时，重量损失率为最大值;砂浆中掺入粉煤灰后，砂浆试件的重量损失率随粉煤灰掺量的增加(0～40%)先减小再增大，当粉煤灰掺量为10%时，砂浆的重量损失率最小;矿渣粉掺量对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响规律与粉煤灰掺量的影响相似，即随着矿渣粉掺量的增加(0～60%)，砂浆试件的重量损失率先减小再增加，当矿渣粉掺量为15%时，重量损失率为最小值。

从图17—图22强度与砂浆试件的重量损失率的变化规律以及图23砂浆试验重量损失率与强度相关性分析可以看出，强度与砂浆试件的抗硫酸盐结晶侵蚀性能具有良好的相关性，即强度越高，砂浆的抗硫酸盐结晶侵蚀性能越好。

图23 强度对砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的影响

5 混凝土耐久性评价指标的提出

根据以上研究成果，初步提出不同环境下混凝土耐久性能的评价指标体系。氯盐环境下，可选择氯离子扩散系数来评价混凝土耐久性;当混凝土水胶比≤0.55时，也可选用56 d电通量来评价混凝土耐久性，但对于掺加粉煤灰的混凝土，应降低电通量评价指标数值。碳化环境下，选用强度和电通量作为混凝土耐久性能评价指标，适用范围为粉煤灰掺量≤20%的混凝土，但当混凝土强度大于50 MPa时，可不考虑碳化对混凝土耐久性的影响。冻融环境下，混凝土耐久性能评价指标选用含气量和气泡间距系数，盐冻环境下增加混凝土的抗氯离子渗透性能指标。硫酸盐结晶侵蚀环境下，混凝土耐久性能评价指标选用强度和电通量。

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