高性能混凝土氯离子、碱含量控制及抗裂技术措施研究

张晶元

（中交三航局第三工程有限公司,江苏 南京 210011）

0 引言

混凝土结构在服役过程中常常因氯离子和碱集料反应的发生而对混凝土的耐久性产生重要影响。氯离子渗透会导致钢筋锈蚀，而碱集料反应则可能引起混凝土的开裂和体积变化。因此，在进行混凝土配合比设计时应控制氯离子和碱含量，在混凝土的施工过程中应采取相应的抗裂技术措施以提高混凝土的抗裂性能。

1 混凝土腐蚀机理与改善措施

混凝土耐久性的影响因素较多，该文在研究以往文献的基础上，结合混凝土耐久性的特点，总结出材料、结构和构件三个方面。由于目前对混凝土耐久性的研究都是基于无荷载的前提下进行的，因此，所得出来的结论与实际工程中的情况有较大的差别。针对混凝土耐久性的影响因素，该文重点分析和探讨混凝土碳化、钢筋锈蚀和碱骨料反应。

1.1 腐蚀机理

（1）碳化：混凝土中水泥水化的产物主要包括氢氧化钙和C-S-H凝胶等。混凝土强度形成之后，在混凝土结构后续服役过程中，空气中的二氧化碳，尤其在高温、高湿的环境下，会进入混凝土内部，与混凝土中氢氧化钙反应生成碳酸盐，使得混凝土中游离钙离子含量减少，并且形成了新的固体产物——碳酸钙（CaCO3）。碳酸钙的形成会导致混凝土表面和内部的pH值降低，从而破坏了混凝土的碱性环境，改变了混凝土的原有物质结构，导致混凝土强度的下降。

（2）钢筋锈蚀：在钢筋混凝土结构中，由于各种原因（如荷载、温度变化等），混凝土会发生收缩和膨胀，从而导致裂缝的形成，这些裂缝使得氧气和水进入混凝土内部，导致钢筋暴露在潮湿的环境中，并发生氧化反应，引起钢筋的锈蚀。当钢筋锈蚀时，锈层会不断向里扩展并剥落，导致钢筋抗拉强度的下降，在外部荷载下，混凝土结构容易发生脆性破坏[1]。从钢筋锈蚀机理来看，钢筋锈蚀通常是由于氯离子的侵入导致。在混凝土中，当含有盐类或氯化物的水渗透到混凝土中时，氯离子可以通过渗透作用累积在钢筋周围。当氯离子浓度超过了钢筋表面钝化膜所能承受的临界浓度时，电化学腐蚀就会发生。正常情况下，钢筋表面会形成一层薄而致密的钝化膜，该膜能够防止钢筋与周围环境发生电化学反应。然而，氯离子的存在破坏了这层钝化膜，从而使钢筋暴露在电化学腐蚀的环境中。

（3）碱集料反应：碱集料反应主要有硅酸盐反应和碳酸盐反应两种形式。硅酸盐反应主要包括三个反应阶段。一是液相反应阶段，碱性物质溶解在混凝土中的孔隙水中，并与硅酸盐矿物表面的氢氧根离子（OH-）反应生成阳离子交换产物（如Na+、K+）[2]；二是凝胶阶段，交换产物会与硅酸盐骨料中的硅酸铝钙骨架发生反应，形成胶凝物质（主要是碳酸钙胶凝物和碱金属硅酸盐胶凝物）；三是膨胀阶段，胶凝物质在水的作用下膨胀，导致混凝土内部产生应力，最终引起开裂、变形和性能下降。

碳酸盐反应：碳酸盐反应是一种相对较慢的反应，涉及混凝土中的碳酸盐矿物（如方解石、菱镁矿等）与碱性物质之间的反应。碱性物质溶解在孔隙水中，钠离子（Na+）和钾离子（K+）会与碳酸盐矿物表面的钙离子（Ca2+）发生阳离子交换，交换后的钠离子和钾离子与碳酸盐矿物中的CO32-等离子反应，产生新的化合物如碳酸钠和碳酸钾。新生成的化合物会吸湿并扩大体积，导致微观孔隙的扩大和混凝土结构的破坏，最终影响混凝土的强度和耐久性[3]。

1.2 混凝土耐久性改善措施

（1）采用低碱水泥、骨料等原材料和通过控制水胶比的方法配制高性能混凝土，提高混凝土的密实性，增强混凝土的抗裂性能。

（2）优化施工工艺，在混凝土浇筑后及时进行养护，并提供适宜的湿度、温度等养护条件[4]。养护期间，通过覆盖保湿、喷雾养护或使用养护剂等方式，保持混凝土表面的湿润状态，促进水泥水化反应和强度发展，减少早期裂缝的产生。

2 高性能混凝土试验配合比

2.1 碱集料反应的预防措施

（1）通过限制原材料中碱含量来降低碱集料反应发生的概率。首先选用低碱度水泥，使水泥中碱含量控制在0.6%以下[5]。然后，选用低碱含量的外加剂。其次，选择自然骨料或经过处理去除氯盐的骨料，对于水源，可以使用清洁的淡水。最后，掺加粉煤灰、矿渣粉等活性掺和料。这些掺和料中的硅酸盐和铝酸盐化合物能与自由氢氧化钙发生反应，形成水化产物，从而消耗掉自由氢氧化钙，降低其碱性，进而抑制碱集料反应的发生。

（2）混凝土中的碱（通常来自水泥中的碱性成分，如氢氧化钠、氢氧化钾等）与活性SiO2（存在于某些骨料中，如含水化硅岩的骨料）发生反应，形成碱－硅酸胶凝物质。碱－硅酸反应会导致胶凝物体积膨胀，使得混凝土的开裂和损坏。因此，为避免碱—硅酸反应，一种常用的方法是限制使用膨胀值ε≥0.10%的活性骨料。

2.2 原材料检测

原材料中Cl-和碱含量的检测结果见表1，粗细骨料碱活性检测结果见表2。

表1 原材料中氯离子和碱含量检测结果

表2 粗细骨料碱活性检测结果

2.3 配合比选定情况

根据规范计算和配合比试拌调整，初步选定配合比见表3。

表3 高性能混凝土C50配合比

2.4 高性能混凝土性能评价

2.4.1 初选配合比拌和物性能

初选混凝土配合比后，从高性能混凝土技术特点出发，结合混凝土抗压强度、坍落度、含气量、凝结时间的检测结果，初步选定配合比拌和物性能见表4。

表4 高性能混凝土C50拌和物性能结果

2.4.2 抗氯离子渗透性能研究

该文采用欧盟的快速氯离子迁移法（RCM）对三个初选配合比中混凝土的氯离子扩散系数进行了测试，如图1所示对混凝土的抗氯离子渗透性能进行评价。

图1 不同基准配合比下的抗氯离子渗透性

从试验结果可以看出，氯离子扩散系数的大小顺序为A3＞A2＞A1，表明水泥用量增大到一定程度后，氯离子的抗渗透性能会有所降低。此外，粉煤灰掺入混凝土时，能与水泥中的水化产物反应，生成更多的胶凝材料以填充混凝土内部的孔隙，增加混凝土的致密性，从而降低了氯离子的渗透性能。从试验结果可以看出，编号A1配置的混凝土的抗氯离子渗透性能更好。

2.4.3 抗水渗透性能

根据初选的3个配合比中各材料的比例成型混凝土试件，每组制作6个试件，根据GB /T 50082—2009中的逐级加压法进行加压，检测结果见表5所示。

表5 混凝土的抗渗性能检测结果

根据表5可知，编号A1和A3的抗渗强度都达到了1.4 MPa，A2的抗渗强度达到了1.3 MPa，均能满足P12的设计要求。

2.5 混凝土配合比的确定

综合初选配合比中拌和物工作性能、抗氯离子渗透性和抗水渗透性能检测结果，本着经济、优选的原则，将A1确定为理论配合比，即水泥∶粉煤灰∶河沙∶5~10 mm碎石∶10~25 mm碎石∶减水剂∶水=465∶35∶680∶222∶888∶6∶160。

2.6 混凝土中氯离子与碱含量控制结果

（1）混凝土总碱含量计算。对理论配合比中混凝土总碱含量进行计算，计算结果见表6。

表6 混凝土总碱含量计算结果

（2）混凝土氯离子总含量计算。配合比混凝土中氯离子总含量见表7。

表7 混凝土中氯离子总含量计算

3 工程应用

该文依托于京秦高速项目遵秦段，最终确定将C50高性能混凝土配合比应用于预制箱梁、现浇梁和护栏等工程部位，按照选定的配合比进行拌和、摊铺、振捣以及抹平工作。

3.1 裂缝的特点

在护栏浇筑完成后的一段时间内，表面出现了部分裂缝，经现场调查发现，裂缝具有如下特点：①去年施工的护栏裂纹有增多的趋势（有的浇筑期已超半年）；②尚未有通车扰动的桥梁护栏也有裂纹增多现象；③裂纹大多是先从顶部倒角位置开裂，再逐渐向下延伸；④裂纹密度较高，部分地方每隔40~50 cm出现一道裂缝。

3.2 裂缝产生的原因

混凝土施工工艺不规范，如振捣不规范、养护不及时等，此外护栏上真缝间距较长，导致混凝土产生的温度应力无法得到有效释放。

3.3 抗裂技术措施

（1）选择洁净且弹性模量大的骨料，同时控制好混凝土中骨料的最大粒径，对于浇筑墙式护栏的混凝土，骨料最大粒径不宜超过2.5 cm。

（2）集料的级配也决定了混凝土的强度和施工和易性，在进行集料级配设计时，应以骨料堆积密度达到最大值为前提，尽可能减小混凝土的内部孔隙，从而使得水泥水化时产生的收缩应力分布较均匀。

（3）施工过程中应采用高频振捣器进行振捣，初凝前1~2 h刮去表面浮浆，及时用木抹收面，临近终凝时，再用铁抹抹面收光处理，封闭混凝土表层微缩裂缝。

3.4 抗裂效果评价

为了检测抗裂效果，在后续浇筑混凝土的过程中，现场布置了4个测温点，通过“内散外蓄”养护方式使混凝土内外温差ΔT(n)＜20 ℃。

（1）实测温升对比分析。通过对表层温度与中心温度的实测对比分析，对比曲线见图2所示，从图中可以看出，刚开始时混凝土水泥水化热导致表层与中心实测温度相差较大，随着养护时间的延长，实测温度与理论温度相差小于20 ℃，表明养护措施有效。

图2 温升曲线

（2）抗裂效果评价。通过对后续混凝土表观质量的检查与验收，混凝土表面裂缝数量减少，证明通过控制施工过程中的振捣和养护可以较好地控制混凝土的裂缝产生。

4 结论

（1）通过优化配合比、加大对原材料氯离子和碱含量的检测等措施，可以有效控制氯离子的渗透，降低钢筋锈蚀风险。同时，采用低碱度水泥、优化骨料选择和添加抑制剂等措施，可以降低碱—骨料反应发生的概率。

（2）混凝土配置过程中应控制好骨料的最大粒径，施工过程中应加强振捣和养护，提高混凝土的抗开裂性能。