原材料质量控制及配合比优化对混凝土结构耐久性影响的试验研究

张举鹏

（甘肃路桥公路投资有限公司 中川机场 T3 航站楼连接线建设项目管理办公室，甘肃 兰州 710010）

0 引言

混凝土的耐久性是土木工程一个重要的课题。由于混凝土组分及使用环境等原因，其耐久性已成为制约混凝土发展的一个重要因素，特别是经常暴露于室外环境的混凝土结构，耐久性问题更为突出。混凝土自身耐久性的提高一般依赖原材料和现场施工两方面，只有通过原材料的严格选择，配合比的优化等措施的使用［1，2］，才能达到保证混凝土耐久性的目的。

受混凝土原材料材质的劣化和环境侵蚀作用的影响，长期耐久性能失效是导致混凝土结构在正常使用环境状态下失效的最主要原因之一。因此从原材料的质量控制及配合比的优化方面来提高混凝土自身的性能研究越来越引起人们的重视［3］。国外学者T.E.Stanton 在研究混凝土耐久性过程中，发现混凝土内部的骨料可以与其他添加剂进行反应，导致混凝土结构发生改变，从而影响到其耐久性和稳定性，并提出碱骨料反应［4，5］。国内对混凝土的研究较晚，并且研究具有典型性，多数是集中在混凝土中钢筋腐蚀以及混凝土碳化问题，对更加细致的研究如原材料性能指标、配合比比例等较少。近几年来，国内在混凝土细致化研究方面日益增多，如杭州湾跨海大桥，根据该地地质特点，测试混凝土耐久性时重点关注了氯离子的控制，并设置相应的保护措施，研究得出的混凝土结构具有良好的耐久性能［6，7］。

本文以原材料指标控制及配合比优化为基础作为研究对象，选取不同原材料质量指标、矿物掺合料掺配等方面进行配合比优化，对混凝土的耐久性指标进行试验测试，研究影响混凝土结构耐久性指标的因素，得出混凝土耐久性对原材料指标及配合比的要求。

1 试验设计

1.1 试验原材料

1）水泥：设计为硅酸盐水泥（P·II 42.5）和普通硅酸盐水泥（P·O 42.5），基本性能指标如表 1 所示。

表1 水泥基本性能指标

2）粉煤灰：F 类 II 级粉煤灰，基本性能指标如表 2 所示。

表2 F 类 Ⅱ 级粉煤灰基本性能指标

3）矿粉：S95 级高炉矿渣铁矿粉，基本性能指标如表 3 所示。

表3 S95 级粒化高炉矿渣基本性能指标

4） 细集料：水洗砂，基本性能指标如表 4 所示。

表4 细集料基本性能指标

5）粗集料：碎石选用三级配和五级配两种，其中三级配为 4.75～9.5 mm，9.5～19 mm，19～31.5 mm，五级配为 4.75～9.5 mm，9.5～16 mm，16～19 mm，19～26.5 mm，26.5～31.5 mm。粗骨料的基本性能指标如表 5 所示。

表5 粗集料基本性能指标

6）水：饮用水。

7）减水剂：TJXC-B 聚羧酸高性能减水剂，减水率为 29 %，掺量为 1.0 %。

8）阻锈剂：HJ-ZX 阻锈剂，掺量为 4.0 %。

1.2 混凝土配合比设计及优化

混凝土配合比试配阶段，通过对碎石级配、矿物掺合料“单掺”及“双掺”比例等方面进行配合比试配，限制每立方米混凝土中胶凝材料的最多和最高用量，在保证强度的前提下，降低胶凝材料中水泥用量；在保证满足混凝土施工性能前提下，降低混凝土的坍落度；在掺合料粉煤灰和磨细矿渣不同比例的多次试验下选择最优性能、强度最高的混凝土配合比。最终确定的配合比如表 6 所示。

表6 对比试验所用配比信息

1.3 试验方法及数据分析

1.3.1 试验方法

1）混凝土抗冻性试验方法。试验依据标准 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》，采用 KDR-V3 混凝土快速冻融试验机对试件进行冻融试验，并利用 DT-W18 动弹性模量测定仪测定其动弹性模量。

2）混凝土抗渗性试验方法。试验依据标准 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中有关混凝土抗渗性试验方法，利用 HP-4.0 混凝土渗透仪对混凝土抗渗性进行测试。试件标准养护期 28 d，随后进行抗渗性试验，试件以 4 个未渗水时的最大压力为抗渗等级。

3）混凝土抗氯离子渗透性试验方法。试验依据标准 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》的电通量法，采用 BSJ-A 全自动真空饱盐饱水机进行混凝土氯离子抗渗性试验，并采用 DTL-6T 混凝土氯离子电通量测定仪对混凝土抗氯离子渗透性进行测试。

4）混凝土抗压弹性模量试验方法。试验采用 TM-3 混凝土弹性模量测定仪、CXYAW-3 000H 微机控制电液伺服压力机。采用试验标准 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》。试验是测定材料形变时与相应应变之比，即为混凝土在静力作用下的受压弹性模量。

5）混凝土碱含量试验方法。试验采用 NELDAL491 碱含量快速测定仪对混凝土试件碱含量进行试验测试。本仪器采用离子选择电极法，在室温下测定水溶液中碱含量，为使溶液 pH 值为 10 以上，在待测溶液中加入离子稳定剂，以保证测试结果的准确性。

6）混凝土氯离子含量试验方法。试验采用 NELD -CL420 氯离子含量快速测定仪。试验前应先将氯离子选择电极浸入活化液中活化 1 h；应将按规定获得的两份悬浊液分别摇匀后，以快速定量滤纸过滤，获取两份滤液，每份滤液均不少于100 mL；分别测量两份滤液的电位值，将氯离子选择电极和参比电极插入滤液中，经 2 min 后测定滤液的电位值；测量每份滤液前应采用蒸馏水对氯离子选择电极和参比电极进行充分清洗，并用滤纸擦干；应分别测量两份滤液的温度，并对建立的电位-氯离子浓度关系曲线进行温度校正；应根据测定的电位值分别从E-lgC关系曲线上推算两份滤液的氯离子浓度，并应将两份滤液的氯离子浓度的平均值作为滤液的氯离子浓度的测定结果。

7）混凝土抗压强度试压方法。试验利用 CXYAW-3 000 H 微机控制电液伺服压力机，采用试验标准 JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》规定的混凝土抗压强度试压方法，进行混凝土立方体试件抗压强度测试，试验加载速度为 0.5 MPa/s。3 个试件为一组按规定计算结果。

1.3.2 不同碎石含泥量对耐久性影响

1）选用含泥量不同的碎石，分别为含泥量 0.9 %、含泥量 0.2 %，分别配置表 6 中所列配合比，共制作试件 445 组，对其进行抗压强度、弹性模量、抗冻指数、电通量、抗渗性能、碱含量、氯离子含量指标开展试验，具体结果如表 7 所示。

表7 碎石不同含泥量混凝土耐久性检测结果

2）数据分析。从试验数据可看出含泥量小的碎石，混凝土抗压强度提高 8 %～11 %，弹性模量提高 5 %～8 %，抗冻指数提高 4 % 左右，碱含量降低 22 %左右，氯离子含量降低 27 % 左右。含泥量对混凝土耐久性具有较大影响，充分说明碎石清洗的必要性。

1.3.3 不同种类水泥对耐久性影响

1）选用硅酸盐水泥（P·II）42.5 和普通硅酸盐水泥（P·O）42.5，水泥中所含的熟料组分（质量分数）有所区别，即（P·II）42.5 水泥中熟料与石膏含量为 95 %；（P·O）42.5 泥中熟料与石膏含量为 80 %，共制作试件 42 组，针对水泥种类不同对混凝土耐久性指标开展试验，试验数据具体结果如表 8 所示。

表8 水泥不同品种相同强度等级混凝土耐久性检测结果

2）数据分析。从试验数据（见表9）可得出，利用 P·II 42.5 水泥与 P·O 42.5 水泥分别进行混凝土配置，P·Ⅱ 42.5 水泥制得的混凝土抗压强度、弹性模量、碱含量、氯离子含量均优于 P·O 42.5 水泥制得的混凝土。其中混凝土抗压强度提高 7 %～11 %，弹性模量提高 5 %～7 %，抗冻指数提高 8 %～9 % 左右，碱含量降低 15 % 左右，氯离子含量降低 32 % 左右。

表9 不同级配试验数据一览表

1.3.4 不同级配对耐久性影响

1）选用三级级配与五级级配碎石分别进行混凝土配置，共制作试件 105 组，针对骨料级配不同对混凝土耐久性指标开始试验，试验数据具体结果如表 9 所示。

2）数据分析。相比于粗集料采用三级配混凝土，五级配混凝土抗压强度提高了 8%～11 %，弹性模量提高了 5 %～8 %，抗冻指数提高了约 4 %，电通量降低约 10 %，显著提高了混凝土的密实性。

2 结论

1）降低骨料含泥量，可有效提高混凝土抗压强度和弹性模量，改善抗冻指数、碱含量、氯离子含量等耐久性指标。

2）相比于普通硅酸盐水泥，硅酸盐水泥可以有效降低水泥用量，降低了混凝土的碱含量、氯离子含量等有害物质，防止水泥的过量使用引起混凝土收缩和水化热过大而产生裂缝，提高混凝土耐久性。

3）通过“不掺-单掺-双掺”及最佳掺配比例进行配合比优化，改善混凝土中胶凝材料物质组成，使掺合料颗粒填充到水泥颗粒中间的空隙中，提高混凝土的抗渗性能、抗冻性能及抗氯离子渗透性能，提高混凝土的耐久性。

4）骨料采用五级配配置的混凝土与三级配配置的混凝土相比，可有效降低混凝土用水量、孔隙率，提高混凝土耐久性。Q