热带沙漠沿海气候区大体积混凝土耐久性评价方法及指标研究

陈文波，银晓鹏，张彪（内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，呼和浩特 010020）

热带沙漠沿海气候区大体积混凝土耐久性评价方法及指标研究

陈文波，银晓鹏，张彪
（内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，呼和浩特 010020）

以热带沙漠沿海气候区多哈新港为工程背景，调研了国内外混凝土抗氯离子性能、抗硫酸盐侵蚀性能,以及碳化试验方法评价标准及相关文献，对比了每一种耐久性试验方法的优缺点、适用范围以及评价指标等，为热带沙漠沿海气候区大体积混凝土耐久性评价提供参考。

大体积混凝土;沙漠气候;耐久性;指标调研

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.044

1 引言

多哈新港地处卡塔尔MASAEED工业城内，离多哈市市区40km，处于典型热带沙漠地区，具有气温高、温差大、日照强以及相对湿度较小的突出特点。多哈新港是内挖式港口，码头的岸线共长7845m，包括集装箱码头、散货码头、汽车码头、牲畜码头、海事码头等共11个码头。首先，多哈市为热带沙漠沿海气候，该区域的土壤中富含氯离子，为了保证建筑物的使用寿命，要减少氯离子对混凝土的影响。其次，热带沙漠沿海气候区域的土壤在含有大量氯离子的同时，硫酸盐的含量也很高。与此同时，由于海水中也含有大量的硫酸盐，我们要考虑到硫酸盐对建筑物的侵蚀作用，研究混凝土受硫酸盐的影响。另外，对于热带沙漠气候区，由于其气候条件恶劣，一旦混凝土构件发生了碳化，钢筋锈蚀开始发生，建筑物很容易受到侵蚀破坏，所以，热带沙漠气候区混凝土的碳化预防和控制更加重要。鉴于此，本文分别查找、调研了国内外混凝土抗氯离子性能、抗硫酸盐侵蚀性能、碳化试验方法评价标准以及相关文献[1～7]。对比了每一种耐久性试验方法的优缺点、适用范围以及评价指标等，为热带沙漠沿海气候区大体积混凝土耐久性评价提供参考。

2 混凝土抗氯离子性能试验方法

2.1 电通量法

依据美国ASTMC1202标准和国标GB/T50082，试验前准备直径100mm，厚度50mm混凝土圆饼试块和真空饱水设备。试验时间为6h，首先将混凝土试样处于真空饱水状态，将其侧面密封，放置并紧固于3.0%NaCl溶液和0.3MNaOH溶液盐池中，通过对实验过程中各个时刻相应的电流值积分得到总电量值便可以用于评估混凝土的抗渗透性。

2.2 快速电迁移方法（RCM法）

依据欧洲NTBuild492标准和国标GB/T50082以及土木学会标准CCES01—2004，试验前准备混凝土圆柱试块（直径100mm、厚度50mm）和真空饱水设备或者Ca(OH)2溶液。试验时间可以为6～69h，通常我们做24h的试验。首先，制备10%NaCl溶液和0.3MNaOH溶液或5%NaCl溶液和0.2M NaOH溶液，将混凝土端部置于混合溶液中，测试一定时间后氯离子的侵入深度，并且通过计算混凝土的非稳态氯离子扩散系数得到混凝土的抗氯离子性能。

2.3 浸泡试验方法

依据欧洲NTBuild443标准，试验前准备直径＞75mm，厚度60mm的混凝土圆柱体试块和饱和Ca(OH)2溶液。试验时间为35～40d。将混凝土试件侧面和非测试面密封，放置于浓度为165g/L的NaCl浓溶液中，静置规定的时间后将试件取出，并进行不同深度的磨粉取样，根据测定的氯离子浓度回归得到氯离子在混凝土中的稳态扩散系数。

2.4 电阻率方法

依据欧洲标准推荐方法CHLORIEST—2005标准，试验前准备厚度50mm的混凝土试块和真空饱水设备。试验时间为10s。混凝土试件两端置于交流电极中，交流电的频率为50～100kHz，施加的交流电流达到40mA，测量交流电压，计算电阻率。

表1 混凝土抗氯离子性能试验方法可靠性比较

上述几种方法的相对精度如表1所示。鉴于上述结果和各种方法在工程中的应用成熟程度，对于质量控制的混凝土抗氯离子性能试验方法比较如下：

1）电通量法比较成熟，操作简单，试验时间较能为工程接受，但是电通量法在评价含有大掺量矿物掺合料混凝土时有偏差，而热带沙漠混凝土中含有较大掺量的矿物掺合料，因此电通量法不能作为主要质量控制方法。

2）RCM法工程应用广泛，其本身的可靠性能够为工程接受，且试验设备较为简单，试验时间6～69h（一般取24h）较为适中，可以作为质量检测的标准方法。

3）浸泡试验方法较为成熟，其测量值作为混凝土氯离子扩散系数的真值广为工程界接受，但其测试时间较长，使用的分析、测试设备比较复杂，该方法可以作为混凝土氯离子渗透性的基准试验方法，用以校准快速试验方法和其他试验方法的测量值。

4）电阻率方法试验设备简单，测试效果稳定，测试时间短，且能对同一试件反复测试，是理想的质量控制标准试验方法，只是目前相关研究较少，尚无标准测试设备。

3 混凝土抗硫酸盐侵蚀试验标准

3.1 国内混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法标准

我国现行的混凝土抗硫酸盐侵蚀试验标准主要有GB/T 50082—2009。根据查阅和总结我国以往混凝土抗硫酸盐腐蚀试验标准，对几种试验标准进行对比发现，国内混凝土抗硫酸盐侵蚀试验在以下方面存在一些差异。

1）试件尺寸的选择

对比国内的一些混凝土抗硫酸盐侵蚀试验，发现混凝土试件的尺寸差别很大。经过统计主要有以下几种：10mm×10mm× 30mm，10mm×10mm×60mm，25mm×25mm×280mm，25mm× 25mm×285mm，40mm×40mm×160mm，100mm×100mm× 100mm。不同尺寸的混凝土试件的试验结果表明，当混凝土尺寸较小时，试验结果的离散度越高，也就是说大尺寸的混凝土试件的实验结果可靠度更高。同时，高礼雄等[5]进行的混凝土抗硫酸盐侵蚀试验结果表明，尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体混凝土被硫酸盐侵蚀的速度小于40mm×40mm× 160mm的细长混凝土试件。

试件尺寸选择主要是根据国内的混凝土抗硫酸盐侵蚀试验标准（GB/T749—1965、GB/T2420—1981、GB/T749—2001）以及美国材料与测试协会的标准ASTM。而我国的普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T50082—2009）已经明确规定，在进行混凝土抗硫酸侵蚀试验时，需采用100mm×100mm×100mm的立方体混凝土试块。

2）养护制度

养护制度不仅会影响混凝土强度，还会影响混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。在进行混凝土抗硫酸盐侵蚀试验时，除了采用28d和7d龄期的标准方法进行养护，还可以采用1d龄期的标准养护，1d之后再将混凝土试块置于淡水中继续养护。考虑到混凝土的性能受养护条件的影响，要想获得实用的实验结果，必须根据实际情况规范混凝土的养护制度，以此来提高试验结果的对比性。

3）侵蚀溶液的种类

混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力还受到溶液中其他离子浓度的影响，比如Cl-可以抑制硫酸盐腐蚀混凝土，所以同时含有SO42-和Cl-的溶液要比只含有SO42-溶液对混凝土的侵蚀性要弱。所以，混凝土在不同侵蚀溶液中抗硫酸盐侵蚀的能力不同。现在一般采用的是不同浓度的Na2SO4溶液，但是在实际的工程中，混凝土在受到硫酸盐侵蚀的同时，混凝土所处环境中的Mg2+、Cl-和NH4+会对硫酸盐的侵蚀作用产生影响。所以，试验工况和实际工况之间会有一定的误差，这就使得我们的试验结果不能完全适用于实际情况。为了提高试验结果的可靠性，侵蚀溶液应该根据实际工况做出调整。

4）加速试验方法

目前，研究混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的试验方法主要有两种。一是现场试验方法，现场试验可以还原现场的实际工况，试验结果可靠性高，缺点是试验周期长且非常不经济，所以大多数的研究是采用实验室加速试验法。实验室加速法通常有以下几种：

（1）增加试件反应面积。化学反应中相同量的固体参加反应，固体表面积越大反应速率越快，所以通过增加混凝土试件的表面积可以加快混凝土被硫酸盐侵蚀的速度。但是在混凝土试块的尺寸较小时，试验结果的离散程度比较高。采用增加试件反应面积加快反应速率时，需计算试件的最优尺寸，以此来提高实验结果的准确性。

（2）提高侵蚀溶液的浓度。同样，提高侵蚀溶液的浓度可以提高反应速率。但是在进行混凝土抗硫酸盐侵蚀的机理研究，不宜采用浓度过高的侵蚀溶液。并且，侵蚀溶液浓度的增加需要在一个合理的范围内，否则试验的结果将不具备任何实用价值。

（3）增大结晶压力，即采用干湿循环交替法来提高硫酸盐侵蚀混凝土的速度。虽然干湿循环交替法已经取得一定的社会效益，且可以研究混凝土各项强度指标的敏感度，但是在现实工况中，毕竟不存在干湿循环破坏，并且这种破坏方式还有可能改变混凝土抗硫酸盐侵蚀的机理，所以采用干湿循环交替法加速反应得到的实验结果仍需要加以验证。

（4）增大水灰比。水泥的渗透性跟水灰比密切相关，提高水灰比可以加速硫酸盐的渗透。但是从目前的研究可以发现，当水灰比大于0.6时，同样的试验条件和方法得到的结果并不一致，所以通过增大水灰比来加快硫酸盐侵蚀速度还具有一定的局限性。

5）评价指标

目前研究在评价混凝土抗硫酸盐侵蚀性能时主要有3种方法：一是试件的膨胀率。硫酸盐侵蚀混凝土的产物有石膏和硫铝酸钙，生成物的体积比消耗掉的反应物大得多，体积的变化导致混凝土膨胀开裂。因硫酸盐侵蚀混凝土使得混凝土膨胀开裂导致破坏，所以一些学者认为可以采用膨胀率作为评价混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的指标。但是在现实工况中，混凝土在受到硫酸盐侵蚀的同时还受到外力约束作用，所以实际工程中混凝土的膨胀率并不单单受硫酸盐侵蚀的影响，单纯地采用膨胀率来评价混凝土抗硫酸盐侵蚀性能并不具有合理性。二是质量耐蚀系数。GB/T50082—2009明确规定了质量耐蚀系数（Kw），该指标适用于干湿交替环境作用下的混凝土抗硫酸盐侵蚀试验，缺点是不能确定被硫酸盐侵蚀后的混凝土试件的质量。并且，试验的结果很容易被制作方法及养护过程所影响。三是强度耐蚀系数。强度耐蚀系数分为抗压强度耐蚀系数和抗折强度耐蚀系数，GB/T50082—2009中明确规定了以抗压强度耐蚀系数作为评价指标。原因是由于硫酸在侵蚀混凝土过程中会生成钙矾石，钙矾石可以提高混凝土的抗折强度，所以，在确定抗折强度比时结果会受到钙矾石的影响。

3.2 美国现行混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法标准

1）ASTMC452在硅酸盐水泥中加入石膏，以此来加快水泥砂浆时间的膨胀。该法采用的是25mm×25mm×285mm的砂浆试件，试件养护大约24h后拆模，并测量尺寸。再将试件放于水中养护，14d后再次确认试件长度，算出试件的膨胀量。ASTMC452测试标准的试验时间短，且实验结果对C3A含量非常敏感。但是该方法不适用于混合水泥，因为混合水泥中的矿物添加物会在石膏与硅酸盐水泥发生化学反应之前产生水化反应，该水化反应会影响试件的膨胀量。ASTMC452只可以用于研究混凝土抗硫酸盐侵蚀时的膨胀效应，不能用于评估混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。

2）ASTMC1012采用固定水胶比的水泥浆，且测试前试件的平均强度必须达到20MPa，因此在该测试中可以忽略试件的强度性能与水泥组分的关系。首先制备50g/L的硫酸钠溶液或者硫酸镁溶液，将胶砂试件置于制备好的溶液中，试验时间共6个月，定期测量试件尺寸确定膨胀量。当所测试的试件膨胀速度过快时，试验时间可以少于6个月。通过试验可以知道，试件的极限膨胀率受预期暴露条件的影响，对于中等暴露条件的硫酸盐侵蚀试件，6个月后最大的膨胀率为0.1%；对于严重程度侵蚀暴露条件的试件，6个月的膨胀率应小于0.05%。

ASTMC1012严格规定在试验的过程中，硫酸钠溶液的pH值应该介于6～8。在每一个具体的膨胀测试阶段都要更换试验溶液。ASTMC1012试验中的pH值和硫酸盐的质量分数都不稳定，没有接近暴露试验条件，导致试件的劣化机制不同。

比较ASTMC1012和ASTMC452两种硫酸盐侵蚀试验标准可知，ASTMC1012的模拟条件比ASTMC452更加接近实际暴露环境，因为与氢氧化钙及水化C3A反应的硫酸盐是通过渗透进入混凝土的，在ASTMC1012标准试验中可认为水泥已养护至绝大部分C3A完成水化。

3.3 混凝土碳化试验标准

中国标准GB/T50082—2009适用于测定在一定浓度的二氧化碳气体介质中混凝土试件的碳化程度。欧洲标准EN 13295—2004适用于混凝土、砂浆、水泥浆体的抗碳化试验。两个标准详细对比见表2。

表2 混凝土碳化标准GB/T50082—2009和EN13295—2004对比

4 结论

本文主要介绍了混凝土抗氯离子渗透、混凝土抗硫酸盐侵蚀和混凝土碳化的国内外不同的试验标准，比较了不同标准方法的差异性，得到以下结论：

1）电通量法比较成熟，操作简单，试验时间较能为工程接受，其测量参数为电通量（库伦），工程中作为混凝土抗氯离子渗透性能的标准试验方法；浸泡方法较为成熟，其测量参数为氯离子扩散系数Dc（m2/s），是重要工程必需进行的标准试验；电阻率法试验设备简单，测试效果稳定，测试时间短，其测量参数为电阻率ρ（Ω·m）；RCM法的测量参数为氯离子扩散系数Dc（m2/s），与浸泡法的相关性较好，可靠性（可重复性和可重现性）能够为工程接受。

2）国内外混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法的差异主要有以下几个方面：（1）试件的尺寸；（2）养护制度；（3）侵蚀溶液的种类和浓度；（4）试验周期；（5）评价指标。评价指标是不同试验方法的最大区别，评价指标主要包括了试件的膨胀率、质量耐蚀系数和强度耐蚀系数。

3）混凝土碳化试验方法中国标准和欧洲标准的主要差异有以下方面：（1）适用范围；（2）试件规格和处理方法；（3）碳化箱环境（主要是温度、湿度和二氧化碳浓度的差别）；（4）酚酞溶液的配制和浓度；（5）碳化深度测量方法。

【1】ASTMC1202—2012,StandardTestMethodforElectricalIndicationof Concrete'sAbilitytoResistChlorideIonPenetration[S].

【2】GB/T50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准[S].

【3】亢景富.混凝土硫酸盐侵蚀研究中的几个基本问题 [J].混凝土, 1995(3):9-18.

【4】高礼雄,姚燕,玲,等.水泥混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法的探讨[J].混凝土，2004（10）：12-13,17.

【5】曹征良,袁雄洲,邢锋,等.美国混凝土硫酸盐侵蚀试验方法评析[J].深圳大学学报(理工版),2006（3）：201-210.

【6】NevilleA.Theconfusedworldofsulfateattackonconcrete[J]. CementandConcreteResearch,2004,34(8):1275-1296.

【7】TixierR,MobasherB.ModelingofDamageincementbased materialssubjectedtoexternalsulphateattackⅡ:Comparison withexperiments[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering MaterialsinCivilEngineering,2003,15(4):314-322.

Index Study and Durability Evaluation Method of Mass Concrete in CoastalTropical Desert Climate Zone

CHENWen-bo，YINXiao-peng，ZHANGBiao
（InnerMongoliaElectricPowerSurvey&DesignInstituteCo.Ltd.,Huhehaote010020，China)

According to the actual project Doha port of the tropical coastal desert climate, the evaluation criteria and the relevantliterature of concrete resistance to chloride ions, sulphate resistance, and performance test method for carbonation is investigated athome and abroad. The advantages and disadvantages and scope of application and evaluation index of each durability testmethod arecomparedtoprovide the referenceofmass concretedurabilityof tropical desert climate zonesalongthe coast.

massconcrete;desertclimate;durability;indexinvestigation

TU528.01

A

1007-9467（2016）12-0151-04

2016-06-03

陈文波（1982～），男，内蒙古呼和浩特人，工程师，从事岩土工程设计与研究。