混凝土成熟度和氯离子扩散系数的相关性及在某工程中的应用

，3

（1.中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510230；2.水工构造物耐久性技术交通部重点实验室，广东广州 510230；3.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640）

混凝土成熟度和氯离子扩散系数的相关性及在某工程中的应用

吕卫清1，黎鹏平2，熊建波2，3，王胜年2

（1.中交第四航务工程局有限公司，广东 广州 510230；2.水工构造物耐久性技术交通部重点实验室，广东广州 510230；3.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640）

采用化学结合水法、氯离子快速测定法（RCM法）和混凝土成熟度测定法研究了56 d龄期内混凝土氯离子扩散系数和混凝土成熟度的关系。结果表明：混凝土氯离子扩散系数不仅随养护龄期的延长而降低，还随养护温度的升高而降低，延长养护龄期或提高养护温度均可提高胶凝材料的水化程度；室内养护混凝土试件的氯离子扩散系数与混凝土成熟度值之间呈幂函数关系，二者具有很好的相关性（R2=0.976），利用室外养护混凝土试件的数据进行验证计算，其理论计算值与实测值具有较好的吻合性，可根据混凝土成熟度实测值预测出混凝土的氯离子扩散系数；在本工程中，沉管隧道接触海水时混凝土成熟度的推荐值为21 064℃·h，控制边界值为13 926℃·h，考虑外部养护温度和水化热对混凝土成熟度产生影响时，可对混凝土接触海水的龄期通过后计算进行适当的调整。

混凝土成熟度；氯离子扩散系数；相关性；沉管隧道

0 引言

海洋环境下氯盐引起的混凝土内钢筋锈蚀膨胀是钢筋混凝土结构遭受破坏的主要原因，合理有效地降低混凝土的氯离子扩散系数可延长钢筋混凝土结构的耐久性使用寿命[1-2]。在海工高性能混凝土工程施工中，混凝土构件暴露于海水腐蚀环境时的抗氯离子渗透性必须满足设计控制指标的要求，否则混凝土构件难以满足耐久性设计使用年限。混凝土的抗氯离子渗透性除了与水胶比、材料组成等因素有关外，还与养护温度和龄期等因素相关[3]。

20世纪50年代英国学者Saul提出了成熟度的概念，其计算公式见式（1）所示。利用成熟度-强度曲线推算混凝土早期强度逐渐成为共识，被应用于指导混凝土工程的施工中[4]，而有关成熟度和混凝土抗氯离子渗透性能的相关性研究鲜见报道。

针对某些特殊的工程结构，无法采用取芯法对混凝土的耐久性开展评定工作，因此本文开展短龄期混凝土成熟度和混凝土氯离子扩散规律关系的研究，并利用混凝土成熟度与氯离子扩散系数间的相关性结果，以确定沉管隧道合理接触海水的时间，为某沉管隧道工程的施工提供指导依据。

1 试验原材料和方法

1.1 试验原材料

水泥为华润水泥厂生产的华润牌P·Ⅱ42.5型硅酸盐水泥；粉煤灰为江苏镇江谏壁电厂的原状粉煤灰，密度为2 230 kg/m3；矿渣粉为广东韶钢嘉羊矿渣粉S95，密度为2 930 kg/m3，胶凝材料的化学成分见表1所示。广州产河沙，表观密度为2650kg/m3，细度模数为2.9，Ⅱ区级配。粗骨料为最大粒径20 mm的复合级配碎石，5~10 mm和10~20mm的比例为3∶7，表观密度2690kg/m3。拌和用水为自来水。外加剂为江苏博特生产的PCAI缓凝型聚羧酸高效减水剂。

表1 原材料的化学成分Table 1 The chemical composition of raw materials %

1.2 试验方法

1.2.1 试验测试

1）XRD测试所用仪器为日本理学公司的D/max-ⅢA型X射线衍射仪，测试电压为40 kV，电流30 mA，扫描范围为5°～70°，Cu靶。

2）混凝土氯离子扩散系数按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性和耐久性试验方法标准》[5]中的规定进行，试验龄期分别为3 d、7 d、14 d、21 d、28 d和56 d。

3）成熟度测试采用美国Nomadics结构实验室研发的IntelliRock成熟度测定仪直接测定，测试龄期分别为3 d、7 d、14 d、21 d、28 d和56 d。

4）胶凝材料的水化程度采用测定浆体的化学结合水方法和选择性溶解法进行表征，具体的测试方法和测试过程可参考文献[6-7]，试验温度为10～30℃。

1.2.2 混凝土配制及养护

试验所用混凝土配合比采用沉管混凝土配合比，见表2。试件成型24 h后拆模，再将试件置于相应的环境中进行养护，至相应的龄期时开展测试。不同的季节施工可能会对沉管混凝土的抗氯离子渗透性能产生影响，所以本部分试验也分别在夏季（第1次试验）和冬季（第2次试验）两个时间段内开展。两次试验时间段的室外温度有一定的差异，第1次试验时室外平均温度约为25℃，第2次试验时室外平均温度约为18℃。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete

2 试验结果及分析

2.1 室内标准养护时混凝土氯离子扩散系数变化

标准养护条件下混凝土氯离子扩散系数随龄期的变化见图1所示。

由图1可见，混凝土氯离子扩散系数随养护龄期增加而降低，当养护龄期由3 d增加至14 d时，氯离子扩散系数迅速降低，如第2次试验时，3 d龄期的氯离子扩散系数为27.5×10-12m2/s，而14 d龄期的氯离子扩散系数降低为6.6×10-12m2/s，进一步延长混凝土龄期氯离子扩散系数降低的幅值并不显著。同时由该图可见，2次成型的混凝土试件的氯离子扩散系数非常接近，表明原材料的品质较为稳定，试验方法测试数据的重现性较好。

图1 养护龄期对混凝土氯离子扩散系数的影响Fig.1 Effect of curing ages on chloride diffusion coefficient of concretes

2.2 室外养护时混凝土氯离子扩散系数变化

室外养护条件下混凝土氯离子扩散系数随龄期的变化见图2所示。

图2 室外养护龄期对混凝土氯离子扩散系数的影响Fig.2 Effect of outdoor curing ages on chloride diffusion coefficient of concretes

由图2可见，混凝土氯离子扩散系数随养护龄期的延长而降低；第1次试验时，28 d龄期的混凝土试件的氯离子扩散系数为3.3×10-12m2/s，第2次试验时，28 d龄期的混凝土试件的氯离子扩散系数为3.1×10-12m2/s，均满足港珠澳大桥沉管隧道混凝土氯离子扩散系数的控制指标。

2.3 养护温度对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

将不同养护条件下混凝土试件的氯离子扩散系数进行比较，见表3所示。

由表3可见，第1个试验时，同龄期下室外养护混凝土试件的氯离子扩散系数略低于标准养护的混凝土试件，而2次试验，同龄期下室外养护混凝土试件的氯离子扩散系数略高于室内养护试件的混凝土试件，原因可能是第1次试验时，沉管预制现场的日平均气温约为25℃，高于标准养护温度，而第2次试验时沉管预制现场的日平均气温约为18℃，低于室内试件的标准养护温度。

表3 不同养护条件下混凝土试件的氯离子扩散系数Table 3 Chloride diffusion coefficients of concretes under different curing conditions

通常，胶凝材料的水化程度可以用硬化浆体的化学结合水量来表征，在正常施工的自然气温范围内养护温度对不同龄期净浆化学结合水的影响见图3所示。

图3 养护温度对不同龄期浆体化学结合水的影响Fig.3 Effect of curing temperature on chemically combined water of cementious in different ages

由图3可见，在正常施工的自然气温范围内，提高养护温度可以提高胶凝材料的化学结合水含量，表明提高养护温度可以促进胶凝材料的水化进程，提高胶凝材料的水化程度，从而使相同养护时间内的混凝土具有更好的抗氯离子渗透性能。

2.4 混凝土成熟度与氯离子扩散系数关系

以标准养护的混凝土试件为对象，建立混凝土成熟度与混凝土氯离子扩散系数之间的关系，标准养护混凝土试件的成熟度与氯离子扩散系数的关系见图4所示。

图4 标准养护混凝土试件成熟度与氯离子扩散系数之间的关系Fig.4 Relations of concrete maturity value and chloride diffusion coefficient by normal curing

由图4可见，混凝土氯离子扩散系数随混凝土成熟度的增加而降低，在试验龄期内混凝土成熟度与混凝土氯离子扩散系数之间呈近似幂函数关系，可用式（2）进行表述，二者相关性达到了0.97。

利用不同龄期室外养护试件的氯离子扩散系数，通过式（2）计算可得相应龄期混凝土的成熟度，并与该龄期通过成熟度测试仪测得的成熟度值进行比较，结果见表4所示。

表4 室外养护试件的成熟度实测值与理论计算值Table 4 Measured value and theoretical calculating value of maturity for outdoor specimens

由表4可见，混凝土成熟度的实测值与理论值较为接近，当混凝土龄期超过7 d后，理论计算值与实测值的差异性小于15%，表明该计算式具有较好的准确度。

从上述结果分析可知，对于本工程的特定混凝土配合比，可以通过测定混凝土的成熟度值来计算出混凝土的氯离子扩散系数是否满足耐久性设计要求。

28 d龄期混凝土试件的氯离子扩散系数为3.3×10-12m2/s，符合沉管隧道耐久性设计中规定的28 d龄期混凝土氯离子扩散系数不高于6.5×10-12m2/s的要求，因此混凝土氯离子扩散系数的推荐指标为3.3×10-12m2/s，控制指标为6.5×10-12m2/s，相对应的混凝土成熟度推荐值为21 064℃·h，理论计算控制值为11 606℃·h，由于混凝土成熟度的实测值与理论计算值存在一定的差异性，所以考虑20%富余度的混凝土成熟度的控制值为13 926℃·h，而13 926℃·h也作为沉管隧道施工混凝土成熟度的控制边界值。

2.5 利用混凝土成熟度控制沉管隧道混凝土接触海水的时间

2.5.1 不考虑水化热时沉管接触海水时间

由于混凝土的成熟度可用温度和时间的乘积来衡量，所以在不同的环境温度和养护温度下，混凝土达到某成熟度所经历的时间也不相同。根据沉管预制场的月平均温度，利用混凝土温度与混凝土成熟度之间关系，计算可得沉管隧道在不同月份浇筑时，达到混凝土成熟度推荐值和控制值所需养护的龄期，见表5。

表5 不同月份浇筑的混凝土构件的接触海水时间Table 5 The days in seawater of the concrete members pouring in different month

2.5.2 考虑水化热时混凝土接触海水时间

由于预制沉管属于大体积混凝土结构，混凝土中的胶凝材料在水化过程中产生的水化热无法在短时间与周围的环境介质进行充分的热交换，水化热在混凝土内部积聚导致混凝土的内部温度升高，并促进胶凝材料早龄期的水化进程。

氯离子在混凝土中的

渗透是由外至内的一个过程，所以混凝土靠近模板的浅表层（即钢筋的混凝土保护层范围）的成熟度是影响混凝土结构耐久性的关键部位。沉管混凝土浇筑后，对距混凝土表层5 cm处的温度进行了监控，结果见图5所示。

由图5可见，距混凝土表面5 cm处的混凝土浅表层的温度在浇筑后约10 d龄期后才与环境温度相当。显然预制沉管结构浅表层的混凝土成熟度要高于不考虑水化热作用的混凝土试块的成熟度。

图5 混凝土构件浅表层温度及环境温度Fig.5 The superficial layer temperature and environment temperature of concrete members

由于混凝土在不同季节施工，混凝土的入模温度和环境温度都不尽相同，导致胶凝材料水化热对混凝土成熟度的影响也不尽相同，但在高温季节（环境温度高于28℃）施工时混凝土的入模温度都控制为不高于28℃，所以认为高温季节施工时胶凝材料水化热对混凝土成熟度的影响大致相同；同时由图5可见，当混凝土浇筑时间达到10 d后，混凝土浅表层的温度与环境温度较为接近，可以认为混凝土浇筑10 d后混凝土浅表层的温度即为外部环境温度。以上述分析为基础，对混凝土浅表层的温度进行积分计算，计算所采用的是温度最低的底板外侧墙倒角处的温度（最不利状况），可知考虑胶凝材料水化热时，沉管接触海水的推荐龄期和控制龄期见表6所示。

表6 考虑胶凝材料水化热时沉管接触海水的龄期Table 6 The ages of the tunnels placed in seawater by considering the heat of hydration of cementious

3 结语

1） 在正常施工的自然气温范围内，混凝土氯离子扩散系数不仅随养护龄期的延长而降低，还随养护温度的升高而降低。延长养护龄期或提高养护温度均可提高胶凝材料的水化程度，从而使混凝土具有更好的抗氯离子渗透性能。

2）在室内养护试件研究基础上得出的混凝土氯离子扩散系数与成熟度之间呈幂函数关系，二者具有很好的相关性，利用室外养护试件的数据进行验证计算，其理论计算值与实测值具有较好的吻合性，可根据混凝土成熟度实测值预测混凝土的氯离子扩散系数。

3）混凝土接触海水时，混凝土成熟度的推荐值为21 064℃·h，控制边界值为13 926℃·h，考虑外部养护温度和水化热对混凝土成熟度产生影响时，可对混凝土接触海水的龄期通过后计算进行适当的调整。

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[5]GB/T 50082—2009，普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S]. GB/T 50082—2009，Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete[S].

[6]石明霞，谢友均，刘宝举.水泥-粉煤灰复合胶凝材料的水化性能研究[J].建筑材料学报，2002，5（2）：114-119. SHI Ming-xia，XIE You-jun，LIU Bao-ju.Study of hydration characteristics of cement pastes containing fly ash[J].Journal of Building Materials，2002，5（2）：114-119.

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Correlation of chloride diffusion coefficient and concrete maturity value and its application in marine engineering

LV Wei-qing1，LI Peng-ping2，XIONG Jian-bo2，3，WANG Sheng-nian2
（1.CCCC Fourth Harbor Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510230，China；2.Key Laboratory of Harbor& MarineStructureDurabilityTechnologyoftheMinistryofCommunications，Guangzhou，Guangdong 510230，China；3.Schoolof MaterialsScienceandEngineering，SouthChinaUniversityof Technology，Guangzhou，Guangdong 510640，China）

The correlation of chloride diffusion coefficient and concrete maturity value within 56 days of curing was investigated by the chemically combined water contentmethod，rapid chloride migration（RCM）test and concrete maturity test，respectively. The experimental results showed the chloride diffusion coefficient of concretes decreased with increasing curing ages and curing temperature，which can promote the hydration degree of cementious.There was a significant correlation between the chloride diffusion coefficient of indoor curing specimens and the concrete maturity value when expressed as a power function（R2= 0.976），and the calculated values of concrete maturity for outdoor specimens which obtained by using the power function agrees well with the measured values，then it can use the measured concrete maturity value to predict the chloride diffusion coefficient of concrete.The recommended value and the control value of concrete maturity was 21 064℃·h and 13 926℃·h，when the immersed tube tunnels were placed in seawater.Furthermore，the ages of the tunnels placed in seawater can be appropriately adjusted by calculation when considering the external curing temperature and heat of hydration of cementious.

concrete maturity value；chloride diffusion coefficient；correlation；immersed tube tunnel

TU528.33

：A

：1003-3688（2014）03-0026-05

10.7640/zggwjs201403005

2013-10-30

2013-12-27

国家科技支撑计划项目（2011BAG07B01）；交通运输部交通运输建设科技项目（201132849A1140）

吕卫清（1966— ），男，湖北新洲人，硕士，教授级高级工程师，总工程师，港口工程专业。E-mail：lweiqing@gzpcc.com