碳化-硫酸盐-干湿循环下的项目混凝土耐久性实验研究

邓芳

摘      要：针对当前工程项目管理中混凝土质量控制的必要性，通过试验的方式，探讨了提高混凝土耐久性的问题。对此，在以往研究的基础上，综合考虑硫酸根离子腐蚀、碳化和干濕循环作用下，提高混凝土耐久性的最优用量。试验结果表明，在水胶比为0.5，粉煤灰掺量在30%，引气剂掺量在20%的情况下，得到的混凝土抗压强度，耐蚀系数和弹性模量最稳定。通过以上的研究，为当前工程项目施工和管理提供了科学性的参考路径。

关  键  词：碳化;硫酸盐腐蚀;耐久性;混凝土;项目管理

中图分类号：TU528       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2019）10-2265-04

Abstract： In view of the necessity of concrete quality control in current project management， the problem of improving the durability of concrete was discussed by means of test. On the basis of previous studies， the effect of sulfate corrosion， carbonization and dry-wet cycle on the durability of concrete was investigated. The test results showed that the compressive strength， corrosion resistance coefficient and elastic modulus of concrete were the most stable when the water-cement ratio was 0.5， the content of fly ash was 30%， and the content of air entraining agent was 20%. The research can provide a scientific reference path for the current project construction and management.

Key words： Carbonization; Sulfate corrosion; Durability; Concrete; Project management

自混凝土发明以来，混凝土凭借低成本、结实耐用等特点，被广泛应用在工程领域。伴随着混凝土在工程领域的大量应用，提高混凝土的耐久性，成为当前学术领域研究的重要方向。所谓的混凝土耐久性，其本质就是混凝土的使用寿命。耐久性越好，混凝土的使用寿命越长，相反则越短。因此，为保证工程质量，在化工领域和工程建设领域，都对混凝土的耐久性问题进行了大量的研究。如高歌（2018）[1]则研究了混凝土性能的影响因素，结果表明在硫酸盐和冻融环境下，水胶比和硫酸盐的浓度对混凝土的耐久性有很大的影响;董方园（2018）[2]等则对高性能混凝土的耐久性文献进行了全面梳理，认为高性能混凝土的耐久性受材料、掺量等的影响;张恺（2018）[3]等则研究了聚羧酸减水剂对混凝土耐久性的影响，结果表明在掺入部分聚羧酸减水剂后，混凝土的弹性模量下降;姚燕（2018）[4]等则探讨了在荷载和比较复杂的环境下，对混凝土耐久性的影响。综合以上研究看出，目前针对混凝土耐久性的研究中，多因素作用下对混凝土耐久性的影响成为当前研究的趋势。但目前来讲，针对混凝土耐久性的影响，多数文献集中在氯盐、硫酸盐、氯盐-硫酸盐等方面，在考虑上述环境的情况下，还存在其他离子对混凝土的影响，如环境碳化影响，干湿循环影响等[5]。本文则综合考虑混凝土碳化、硫酸盐腐蚀和干湿循环等多种环境因素对混凝土耐久性的影响，并通过试验的方式，找到其中的变化规律，以此为混凝土施工提供参考，提高项目管理水平。

1  实验部分

1.1  主要原材料

本实验用原材料主要包括普通硅酸盐水泥（标号P.O42.5）、粉煤灰、粗细骨料、硫酸钠和SJ-3皂甙类高效引气剂。

1.1.1  水泥

普通硅酸盐水泥产自四川省星船城水泥股份有限公司，具体成分指标见表1所示。

1.1.2  粉煤灰

粉煤灰作为混凝土制备的主要原材料，由氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2 ）、三氧化二铝（Al2O3）、三氧化二铁（Fe2O3）等组成。这些成分能和Ca（OH）2反应，进而生成胶凝性物质和水硬材料，以提高混凝土强度和抗渗透性。本文采用的粉煤灰主要成分见表2所示。

1.1.3  引气剂

引气剂选择上海枫杨化工有限公司产的SJ-3皂甙类高效引气剂，该引气剂的特点在于为一种非离子型表面活性剂，可有效降低溶液张力，便于混凝土成形和稳定。

1.1.4  硫酸钠

本实验用无水硫酸钠采用上海研生实业产的，其主要指标见表3所示。

1.2  混凝土配比方案

在工程项目中，为提高工程质量，特别是作为基础的混凝土施工来讲，一般会在混凝土中加入适量的粉煤灰和引气剂。这样的目的是防止混凝土开裂，同时提高混凝土的抗渗透性。同时，引气剂的加入，使得混凝土中出现气泡，黄蓉因冻融导致混凝土出现的膨胀应力，提高混凝土的抗冻性。另外结合不同工程项目地点的气候特点，本文将该试验方案的混凝土配合比设计为如表4所示。

1.3  试验方法

本实验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009）开展混凝土试件的碳化、侵蚀和干湿循环试验[6]。主要的试验要點包括以下几点：

（1）试件制备

考虑到试验要求，按照 GB/T 50082-2009的相关标准对试件进行制作，大小为100 mm×100 mm×100 mm，在标准室养护28 d后，开始进行试验。

（2）碳化实验

在经过28 d养护后，放入碳化试验箱内碳化28 d（相当于自然碳化50 a），在试验前的2 d，从标准养护室取出试件，测定标准试件的各项指标，包括基准抗压强度、基准动弹性模量等。然后，在烘干箱中烘干48 h。在碳化箱内，保持碳化箱中的温湿度和二氧化碳的浓度。

（3）硫酸盐侵蚀实验

将经过碳化后的试件取出，置于硫酸盐干湿循环环境中。同时在该实验中，硫酸盐浓度取5%。在接通电源后，设定相关的参数，然后进行风干和加热等，知道设定的循环次数完成。在每进行10次干湿循环，则测量一次混凝土试件的抗压强度、动弹性模量、质量损失率等指标的数值。当动弹性模量达到60%，或者质量损失达到5%，或者整个循环次数达到130次，则试验结束。

2  实验结果

通过上述的实验方法，分别得到在不同水胶比、引气剂和粉煤灰掺量的情况下的混凝土耐久性劣化规律。

2.1  不同粉煤灰用量下的混凝土耐久性影响

2.1.1  不同粉煤灰掺量下的动弹性模量变化

在不同粉煤灰掺量下，得到经碳化和硫酸盐侵蚀等综合作用下的混凝土试件相对动弹性模量，具体见图1所示。

通过以上结果看出，整体的动弹模量变化趋势基本为先增加，然后快速下降的趋势。其中，不掺粉煤灰的混凝土试件相对动弹性模型在干湿循环一定时间后，其值迅速下降。而当粉煤灰的掺量在20%的时候，动弹性模量的下降趋势交其他掺量下的下降趋势要慢。

由此，根据上述的结果看出，在实际工程应用中，应适当加入粉煤灰，但不是越多越好，其掺量在20%～30%之间较好。之所以加入粉煤灰可提高混凝土的耐久性，其主要的原因：一是粉煤灰细度小于水泥，可填充混凝土中的空隙，提高混凝土的密实性;二是粉煤灰中的活性成分可与水泥生成凝胶，进而在填充后减少硫酸盐与混凝土的接触，以提高混凝土的耐久性。

2.1.2  不同粉煤灰掺量下的抗压强度耐蚀变化

通过实验测的在不同强度下的混凝土抗压强度变化如图2所示。根据图看出，在不同掺量下，混凝土试件的抗压强度变化趋势基本一致，都是先上升，而后下降，其中不掺粉煤灰的抗压强度耐蚀系数下降最快，而掺量为20%的情况下，试件抗压强度下降较慢。

2.2  不同引气剂用量下的混凝土耐久性影响

2.2.1  不同引气剂用量下的动弹性模量变化

分别考察在不同引气剂掺量下的混凝土试件动弹性模量，得到图3所示的结果。

通过上述结果看出，在不同引气剂用量下，混凝土试件的动弹性模量先增加，此后不断下降。也就是说，引起剂的适当加入，在一定程度上可以提高混凝土的动弹性模量。之所以引气剂可以提高混凝土的耐久性，主要原因是引气剂可在混凝土内产生气泡，从而阻断毛细孔通道，以此提高混凝土的抗侵蚀能力。但是随着引气剂的增加，其内部会产生孔隙，进而使得硫酸盐和二氧化碳等进入，组中造成化学侵蚀和碳化，以此降低了混凝土的耐久性。

2.2.2  不同引气剂用量下的混凝土抗压强度

在不同用量下，试件的抗压强度如图4所示。

根据图4看出，在侵蚀作用下，用量在20%和30%下的混凝土试件抗压强度要明显高于不用或用量在10%的混凝土试件。说明在相同的干湿循环下，用量在20%～30%之间，其抗压强度要高。

2.3  不同水胶比的混凝土变化影响

2.3.1  不同水胶比下的动弹性模量变化

测定在不同水胶比下，经碳化-腐蚀和干湿循环的混凝土试件，进而得到图5所示的动弹性模量变化结果。

根据图5看出，在综合侵蚀作用下，混凝土的动弹性模量先上升，而后保持稳定，最后快速下降。而比较不同水胶比下的动弹性模量看出，水胶比为0.45和0.5的混凝土试件，其动弹性模量分别下降至0.77和0.69，而水胶比为0.55的混凝土试件，其动弹性模量下降到0.6以下。由此可以看出，水胶比控制在0.5左右可提高相对动弹性模量。

2.3.2  不同水胶比混凝土抗压强度耐蚀系数变化

在不同水胶比下，分别在上述环境下对混凝土试件进行处理，得到图6所示的抗压强度耐蚀系数变化结果。

根据图6看出，水胶比为0.45的情况下，在经过120次干湿循环后，其耐蚀系数变化最小，而当水胶比在0.55的情况下，其抗压强度耐蚀系数变化最大。说明在经过一定时间后，混凝土试件受到新的腐蚀。

3  讨 论

通过上述的结果可以看出，在不同水胶比、粉煤灰和引气剂用量下，对混凝土的抗压强度耐蚀系数、动弹性模量的影响不同。如在上述的结果中看到，在经过一定时间碳化、硫酸盐腐蚀和干湿循环等实际环境模拟后，在不同的掺量下，混凝土试件劣化都表现为先上升，然后保持稳定，最后快速下降的趋势。由此可以看出，合适的引气剂、粉煤灰用量和水胶比，对提高混凝土试件的强度和抗渗透性等，都有着一定的借鉴。而在实际的项目工程中，碳化是由于空气中的二氧化碳与混凝土中的液相碱性物质反应，从而生成了CaCO3，或者是其他的物质，由此使得混凝土的碱性降低。在实际中，混凝土的碳化是非常复杂的过程，包含一系列的化学反应。部分反应如下：

透过上述的反应看出，在实际的情况下，碳化是一个非常复杂的过程。同时除碳化以外，还有这硫酸盐的腐蚀和干湿循环。其中，硫酸盐腐蚀主要与混凝土中的钙离子结合，从而形成钙矾石晶体，进而体积膨胀。因此，针对综合因素下的混凝土耐久性问题，通常会采取以下几方面的措施：一是充分结合工程项目的气候条件和地质情况进行混凝土耐久性试验，在试验后根据试验数据对混凝土的相关参数进行调整，以此提高混凝土耐久性;二是加强工程质量控制和监督，从而为项目的质量管理提供基础;三是针对基础性的基桩工程等，增加混凝土的厚度，从而提高其抗腐蚀的的厚度，最终延长混凝土的使用寿命。

4  结束语

总之，要提高工程项目管理的质量，提高混凝土的耐久性是重点。本文则通过研究得出，在水灰比为0.5，引气剂掺量为20%，粉煤灰掺量在30%的配比下，在碳化、硫酸盐腐蚀和干湿循环综合作用下，测量得到的混凝土試件抗压强度和动弹性模量最优。由此得出，只有在合理的比例下，可提高混凝土的耐久性。而本文的创新和研究成果则在于，综合考虑了三种不同的因素对混凝土耐久性的影响，这也是当前工程质量管理中提高混凝土耐久性的研究趋势。

参考文献：

[1]高歌，肖旻. 影响混凝土结构耐久性的相关因素和控制对策[J]. 当代化工，2018，47（03）：539-543.

[2]董方园，郑山锁，宋明辰，张艺欣，郑捷，秦卿. 高性能混凝土研究进展Ⅱ：耐久性能及寿命预测模型[J]. 材料导报，2018，32（03）：496-502+509.

[3]张恺，尹志刚，程国敏，周晶. 聚羧酸减水剂及不同掺合料对混凝土耐久性的试验研究[J]. 硅酸盐通报，2018，37（09）：2974-2978+2984.

[4]姚燕，王玲，王振地，曹银，唐官保，杜鹏，黄鹏飞. 荷载与服役环境作用下混凝土耐久性的研究和进展[J/OL]. 中国材料进展， 2018 （11）： 855-865

[5]李燕，武彦生，程永伟. 无机盐类外加剂对混凝土碳化性能的影响机理[J]. 当代化工，2018，47（04）：719-722.

[6]GB50010 2010，混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.