盐湖地区高性能混凝土耐久性与使用寿命预测方法研究

刘宏伟 孙彦广 李威翰 杨华

【摘要】混凝土是建筑行业广泛使用的材料，但在其使用过程中发现环境优劣对其结构也会产生不同影响。本文以盐湖为例，盐湖地区气候环境恶劣，会严重影响混凝土的耐久性，提出盐湖地区高性能混凝土耐久性与使用寿命预测方法研究。在相关原材料的准备下，设计混凝土配合比，完善试件加载装置后，进行加载碳化实验和混凝土寿命预测实验与计算方法，结果表明高强度的高性能混凝土具备抗压、抗腐蚀和长寿命的特性。

【关键词】城盐湖;混凝土;耐久性;使用寿命

混凝土具有价格低、可塑性较强的优势，是现今应用最为广泛的原材料。21世纪以后出现各式新型材料，但可以肯定的是混凝土在未来很长一段时间依然会是最广泛的应用结构之一。混凝土的广泛使用，随之产生的问题也需要我们解决，其中其耐久性问题就尤为突出[1]。盐湖地区特殊的地理环境对混凝土的耐久性提出了挑战，盐类腐蚀、湿度侵蚀等都会对混凝土耐久性造成威胁，缩短混凝土的使用寿命。因此对于盐湖地区的混凝土来说，研究其耐久性和使用寿命是极其有必要的。

1.盐湖地区高性能混凝土耐久性与使用寿命预测方法

1.1使用原材料

水泥，以 48.5 级 P.III 型硅酸盐水泥为最佳。粉煤灰，以细度为 0.029mm方孔为最佳。矿渣，要求是S98级产品[2]。铝酸盐混凝土膨胀剂，要求膨胀剂必须是由3%的高铝熟料、2%的天然明矾和1%硬石膏组合碾压而成。砂，以表观密度 2915kg/m3，堆积密度1061kg/m3，紧密密度 1910kg/m3，空隙率 45%，含泥量0.9%，细度模数3.74，IIII区级配的中砂为最优。石，要求最大粒径 18mm，表观密度2711kg/m3，堆积密度1200 kg/m3，空隙率 30%，含泥量为0，片状颗粒的含量不得超过7.6%，压碎指标需要高于 3.05%，属于 5-18 连续区级配。高效减水剂，要求硫酸钠含量小于1.8%，氯离子含量始终保持在0.01%以下[3]。

1.2混凝土配合比设计

由于中国盐湖地区土质中蕴含高浓度腐蚀离子，所以需要提高混凝土强度以提高其耐久性，进而延长其使用寿命。利用盐湖地区丰富的粉煤灰与硅灰资源，本文提出了不同含气量、强度等级、粉煤灰掺和量以及硅灰掺和量的混凝土。具体配合比如表1所示。

1.3试件加载装置

试件主要由三分点负责实验加载，利用螺栓的加固对混凝土试件加压，在每一个钢筋拉杆的上端均设置一个同样规格的压力环，以保证荷载固定。荷载的大小具体是借助和静态电阻应变仪相接的压力环，压力环属于全铺线路，在启动之前需要先行固定，这样一来每个压力环的荷载一应变就可以通过计算获取。在加压荷载时需要按照试件可承受最大荷载值进行调整，以确保每一个压力环的应变值大小，最后如实读取静态电阻应变仪的读数即可。

2.加载-碳化实验方法

混凝土以 50×50×180mm3试件为标准，养护2d、4d、6d、28d或 90d。按照混凝土试件在不同养护期内具备的抗折强度，来明确混凝土弯曲荷载率分别为 1%、25%、50%、80%。根据GBJ91-02 规范《高效能混凝土耐久性检测试验办法》對混凝土试件进行-碳化[4]。养护期较短，粉煤灰掺和量较大、荷载较大情况下高效能混凝土的碳化较为显著。对于荷载、养护期对混凝土碳化的影响其实在研究领域也是一个空白。所以，本文提出对养护期、荷载率以及粉煤灰掺和量、温度对混凝土碳化进行探究，同时也需考虑到扩散系数依赖性、温度高低以及施工变异性对碳化的次要影响。

2.1结构混凝土寿命预测实验与计算方法

前期准备完毕后，可以根据参数，设计一个简单的计算程序对混凝土中氯离子的浓度和使用寿命进行预测。以下具体过程：

第一步，浸烘循环，使配置好的混凝土在 80℃环境下烘烤1d，待冷却至室温后，放入腐蚀性（如硫酸钾、高锰酸钾）溶液中浸泡2d;

第二步，建立对应的混凝土动弹性模量变化规律。按照混凝土性能和环境作用表的指示，一旦混凝土不属于国家规定内容，那么就需要借助 5%的硫酸钠液进行浸烘循环，待检测出相对动弹性模量，根据 进行回归计算，求取混凝土的性能变化，之后对其它因素一一进行复合。假设属于其他气候条件，即可相应作出调整;

第三步，按照盐湖当地的气候环境，明确浸烘循环的加速指数。本文设定加速指数;

第四步，混凝土最初氯离子的扩散指数：将混凝土放入强腐蚀性溶液中浸泡24h，如果腐蚀溶液内的氯离子浓度偏低，那么需要另行添加 3.9%的Na Cl溶液中并延长浸泡时间，或者选择浸烘循环45d，利用水溶法对混凝土中氯离子的浓度进行检测，以初始 FICK 第二定律为准;

第五步，利用压汞法检测出和混凝土与水泥净浆的孔径分布和孔隙率（>12nm），本文选取最小孔径代表混凝土的平均孔径;

第六步，混凝土结合能力：选择在强腐蚀性溶液中浸泡 80d，以第二步方法检测混凝土的氯离子结合能力;

第七步，混凝土表面氯离子浓度：按公式（1）计算：

（1）

其中，代表混凝土表层氯离子浓度，代表强腐蚀性溶液中的最低浓度;

第八步，对于混凝土保护层需要着重进行调查，当保护层，其有效保护层厚度设为：;当 混 凝 土 保 护 层， 取变 异 系 数取值为，其有效保护层厚度为：;可一旦混凝土保护层发生裂纹等质量问题，就必须加大变异系数;

第九步，钢筋锈蚀临界值：本文选择以混凝土重量的 0.08%为准;

第十步，按照上述环节，根据本文编制的计算机程序就可以求取混凝土中氯离子浓度分布及其使用寿命。

2.2实验结果分析

2.2.1荷载+青海盐湖卤水复合作用下混凝土的损伤失效规律

我国盐湖地区土质中含有的高浓度腐蚀离子是造成当地混凝土性能出现下降的主要原因，混凝土在盐湖的环境作用下，主要表现为镁离子造成的混凝土结构剥落性损伤[5]。混凝土在较大的荷载作用下，其的演变并没有发生明显变化，可荷载增加明显加速混凝土的损伤老化速度。伴随弯曲荷载率的提高，混凝土的耐久性降低，损伤过重。

2.2.2粉煤灰掺量对混凝土抗复合盐损伤的影响

高性能混凝土的发展使得粉煤灰在其应用过程中被大量投入。在我国的盐湖地区蕴含着较为丰富的粉煤灰资源，考虑到当地对混凝土耐久性，尤其是抗冻方面的要求，需要以不同粉煤灰掺和量和引气相混合配制出高性能混凝土。本文以C50混凝土为准，粉煤灰以18%取代水泥用量分别为 15%、38%和 48%来研究粉煤灰的加入对混凝土的抗腐蚀能力的影响。显然，FA=50%的混凝土表现最差，盐湖中浸烘循环了500d，其重量降低到原本的76%;而FA=20%混凝土抗剥落性能最优。粉煤灰掺量 48%的混凝土，其损失最大，最好为FA=20%的混凝土。

2.2.3氯离子的非线性结合问题对使用寿命的影响

本文研究得出一个结论，即混凝土对氯离子的结合是存在线性与非线性之分的，当混凝土表层保护层厚度分别为 3cm 和 8cm 时，线性和非线性结合能力对高性能钢筋混凝土结构的使用寿命会产生不同影响。混凝土类别有 OPC、APC、HSC 和 HPC。结果证明，当混凝土对氯离子的结合表现出非线性时，其使用寿命相比于线性结合就会出现减少。正是因为氯离子结合能力存在线性与非线性的差别，混凝土的使用寿命也随之出现较大差别，考虑到非线性结合时，OPC、APC、HSC 和 HPC 的使用寿命分别是线性结合时使用寿命的 80%、18%、10%和 90%。所以，氯离子结合能力与非线性挂钩时对 HPC使用寿命的影响是最小的。

3.结束语

本文对盐湖地区高性能混凝土耐久性与使用寿命预测方法进行分析，依托盐湖地区环境作用机制，根据混凝土结构的性能与发挥，对其耐久性和使用寿命进行研究预测。结果表明，高强度的高性能混凝土同时具备抗压、抗腐蚀和长寿命的特性。

参考文献

[1] 姚燕，王玲，王振地等. 荷载与服役环境作用下混凝土耐久性的研究和进展[J]. 中国材料进展，2018，37（11）：855-865+879.

[2] 王萧萧，奇雨欣，刘曙光等. 盐渍环境干湿循环下天然浮石混凝土的损伤[J]. 中国科技论文，2019，14（2）：188-192.

[3] 马新伟，薛欢，祁锦明等. 基于氯离子渗透机制的超高性能混凝土生命周期预测[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2018，34（1）：22-30.

[4] 董方园，郑山锁，宋明辰等. 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（3）：496-502+509.

[5] 冯忠居，陈思晓，徐浩等. 基于灰色系统理论的高寒盐沼泽区混凝土耐久性评估[J]. 交通運输工程学报，2018，18（6）：18-26.

（作者单位：青海民族大学 土木与交通学院）

【中图分类号】U442.59

【文献标识码】A

【文章编号】1671-3362（2020）06-0063-03