廣州地鐵工程C30P8混凝土的耐久性試驗研究與評價

摘要：通過試驗系統(tǒng)研究了廣州地鐵工程C30P8混凝土的耐久性能，并參考國內(nèi)外有關(guān)標準或規(guī)范的評定指標，對各項耐久性能進行了評價。 結(jié)果表明，混凝土的抗?jié)B標號均不低于P10；電通量在650C～1360C之間，抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)在0.88～1.18之間，電通量大于1000C、抗蝕系數(shù)小于1.0對地鐵混凝土耐久性不利；28天碳化深度從10mm到25mm不等，碳化已造成鋼筋銹蝕，其失重率在0.06%～0.35%之間；超過一半的砂樣可能有潛在堿活性危害，絕大多數(shù)石樣無堿活性危害。由于原材料、配合比、生產(chǎn)工藝的不同，同等級的C30P8混凝土各項耐久性能有較大差異。

關(guān)鍵詞：廣州地鐵工程 C30P8混凝土 耐久性試驗 耐久性評價

0 前言

　　近年來混凝土耐久性問題越來越受到人們的重視，對混凝土耐久性的研究也眾多紛紜，主要集中在混凝土單一耐久性能研究、建立使用壽命預測模型及提出耐久性設(shè)計指南等方面。而對實際工程混凝土的耐久性能進行系統(tǒng)的試驗研究并予以評價，這方面的研究成果很少見諸報道，其原因之一在于我國已制訂了混凝土耐久性能試驗方法（GBJ82-85）還不完善，還缺少某些單項耐久性的試驗方法，更主要的原因在于缺少對試驗結(jié)果的評定指標，因此各級檢測單位對實際工程混凝土的耐久性能不能進行檢測及評定。本論文以廣州地鐵工程混凝土為研究對象，探索性地開展了此方面的工作。
地鐵工程對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求很高。本文依據(jù)及參考國家有關(guān)標準試驗方法對廣州地鐵工程的C30P8混凝土的耐久性能進行了系統(tǒng)試驗研究，包括抗?jié)B性、氯離子滲透性、硫酸鹽侵蝕、碳化、鋼筋銹蝕和集料堿活性，并參考國內(nèi)外有關(guān)標準或規(guī)范的評定指標，對各項耐久性能進行了評價。

1試驗材料及試驗方法

　　試驗原材料和混凝土配合比與各攪拌站供應廣州地鐵工程的混凝土相同，如表1和表2所示。混凝土設(shè)計強度為C30，抗?jié)B等級為P8。在送往工地的混凝土攪拌車中取樣成型試件。
　　　　　　　　　　　　表1 各攪拌站混凝土用原材料

　　

　　依據(jù)國家標準GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[1]對抗?jié)B性、碳化、鋼筋銹蝕、收縮進行試驗研究；依據(jù)行業(yè)標準JTJ275-2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》[2]和美國標準ASTM C1202－97[3]對抗氯離子滲透性能進行試驗研究；依據(jù)國家標準JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》[4]對骨料堿活性進行試驗研究。

　　參考有關(guān)文獻，設(shè)計了混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗方法：成型150mm×150mm×550mm的混凝土試件6個，養(yǎng)護24h后脫模，標準養(yǎng)護至28d，取出后用環(huán)氧樹脂涂覆部分表面，如圖1所示。將試件分成兩組，一組三個試件在20℃水中浸泡，一組三個試件在20℃、10％硫酸鈉溶液中浸泡。每天一次用1N H2SO4滴定以中和試件在溶液中放出的Ca(OH)2，使溶液的pH值保持在7.0左右。浸泡28d分別測定兩組試件的抗折強度，混凝土的抗蝕性能以抗蝕系數(shù)k來表示，按下式計算，精確到0.01。

　　　k=R液/R水
　　　式中：k——抗蝕系數(shù)；R液——試件在溶液中浸泡28d抗折強度，MPa；R水——試件在20℃水中養(yǎng)護同齡期抗折強度，MPa。

2.1 抗?jié)B性

　　由于1臺抗?jié)B儀需要連續(xù)進行11家攪拌站的混凝土試件抗?jié)B試驗，綜合考慮混凝土設(shè)計抗?jié)B等級（P8）、養(yǎng)護齡期和試驗排期情況，抗?jié)B試驗設(shè)計為加壓至1.0MPa結(jié)束，不再繼續(xù)加壓至試件滲水為止。試驗結(jié)果表明，加壓至1.0MPa時，11家攪拌站的混凝土試件均未觀察到滲水現(xiàn)象。依據(jù)GBJ82-85來評定，可知廣州地鐵的C30P8混凝土的抗?jié)B標號均不低于P10，超過P8的設(shè)計抗?jié)B等級，說明所有攪拌站提供的混凝土均有良好的抗?jié)B性?；炷恋目?jié)B性取決于其孔結(jié)構(gòu)，而孔結(jié)構(gòu)與水泥用量、水膠比、集料級配、密實性、養(yǎng)護的有效性等有關(guān)。從表2可以看出，廣州地鐵的C30P8混凝土膠材用量較大，在350～450 kg/m3，且通過摻加外加劑降低水膠比，水膠比在0.40～0.48，同時摻入了較多礦物摻合料，這些措施都有利于降低孔隙率和減小孔徑，提高混凝土結(jié)構(gòu)的致密性，使混凝土的抗?jié)B性能顯著改善。

2.2 氯離子滲透性

　　　　　　　各攪拌站混凝土氯離子滲透試驗結(jié)果見表3。

　　　　　　　表3 各攪拌站混凝土的的氯離子滲透試驗結(jié)果

　　美國標準ASTM C1202－97[3]按表4以同組3個試件6h通過的電量平均值來評定混凝土抗氯離子滲透性。我國標準JTJ275-2000 [2]的評定指標為：對海港工程浪濺區(qū)的普通混凝土，抗氯離子滲透性不應大于2000C；對高性能混凝土，不應大于1000C。我國《客運專線高性能混凝土暫行技術(shù)條件》中，按混凝土設(shè)計使用年限級別、環(huán)境作用等級規(guī)定了混凝土的抗氯離子滲透性，如設(shè)計使用年限為100年、環(huán)境作用等級為L1級時，要求抗氯離子滲透性小于1000C；對潮汐區(qū)的混凝土抗氯離子滲透性更加嚴格，不應大于800C。

　　地鐵工程混凝土的設(shè)計使用年限一般為100年，且地鐵混凝土長期處于地下水環(huán)境，廣州地鐵沿線地下水調(diào)查結(jié)果表明，有60％的水樣中Cl-含量超標（依據(jù)GB50021-2001[5]），參考上述評定指標，筆者建議規(guī)定廣州地鐵混凝土抗氯離子滲透性不應大于1000C。

　　　　　　　表4 ASTM C1202－97評價指標

　　　　
　　從表3可知，廣州地鐵的C30P8混凝土試件的電通量在650～1360C之間，表明各攪拌站混凝土的抗氯離子滲透性能均良好；但對于同為C30P8混凝土，相互之間的差異較大。按美國標準ASTM C1202－97的指標來評定：1、9、4、8、號混凝土電通量超過1000C，氯離子滲透性低；其余低于1000C，氯離子滲透性很低。按筆者的建議來評定， 1、9號混凝土的抗氯離子滲透性稍差，4、8號混凝土基本滿足，其余混凝土的抗氯離子滲透性好，均小于1000C。電通量大小順序為：3、5<10<6<7<2、11<8<4<9、1。

　　Cl-在混凝土中的遷移主要是通過孔洞溶液進行的，因而混凝土的抗氯離子滲透性與孔結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。從表2可知，9、1、4號混凝土的水膠比較大且膠材用量較少，可能導致混凝土結(jié)構(gòu)致密性稍差，孔隙稍多，電通量大。8號混凝土的水膠比低，膠材用量也多，但庫侖量也超過1000C，這可能是由混凝土的不均勻性引起。3、5、10號混凝土采用廣州越秀水泥集團的水泥，水泥顆粒級配較其它廠家的水泥要好，有利于形成緊密堆積，提高水泥漿體的密實度，因而電通量小。

2.3硫酸鹽侵蝕性

　　　　　各攪拌站混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性試驗結(jié)果見表5。

　　　　　表5 各攪拌站混凝土的抗蝕系數(shù)

　　較多文獻資料[6] 均以水泥膠砂或混凝土試件浸泡在硫酸鈉溶液中（5％或10％）至一定齡期（28d或180d），抗蝕系數(shù)大于0.8判為合格。CECS207:2006《高性能混凝土應用技術(shù)規(guī)程》[7]對膠砂抗硫酸鹽性能抗蝕系數(shù)的評定指標見表6。

　　　　表 6 膠砂抗硫酸鹽性能抗蝕系數(shù)評定指標




　　根據(jù)地鐵工程混凝土的設(shè)計使用年限、環(huán)境作用等級及廣州地鐵沿線地下水調(diào)查結(jié)果表明：有20％水樣中硫酸根離子含量超標（依據(jù)GB50021-2001[5]），因此筆者建議規(guī)定廣州地鐵混凝土抗硫酸鹽等級應達到中級以上，具有“耐腐蝕”以上的抗硫酸鹽性能，抗蝕系數(shù)達到1.0～1.1以上。

　　由表5結(jié)果及表6指標可見，廣州地鐵的C30P8混凝土的抗蝕系數(shù)K值均大于0.8，按較多文獻的評定指標，判為合格；K值在0.88～1.18之間，差異較大；按表6的評定指標，2、3、11號的K值 ＜1.0，抗硫酸鹽等級低，會受腐蝕；7號K值為1.2，抗硫酸鹽等級高，屬于抗腐蝕混凝土；其余K值在1.0～1.1之間，抗硫酸鹽等級中，耐腐蝕。

　　混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能與其密實度（孔結(jié)構(gòu)）、發(fā)生腐蝕反應的組分含量（水泥中C3A含量、膠材中活性Al2O3含量）有關(guān)。膠材用量大和摻加礦物摻合料，有利于提高密實度，也相對減少了C3A的含量；但膠材中活性Al2O3含量增加，可能對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能不利。從表2可知，在抗硫酸鹽等級低的2、3、11號混凝土中，2號混凝土的摻合料摻量達到了140Kg/m3，11號混凝土的摻合料摻量為120Kg/m3。在抗硫酸鹽侵蝕性能好的4號和7號混凝土的摻合料摻量都較小，分別為74Kg/m3和90Kg/m3。但試件的抗硫酸鹽侵蝕性能和礦物摻合料的摻量沒有明顯的對應關(guān)系，還受水泥中C3A含量的影響。

2.4 碳化

　　各攪拌站混凝土的碳化試驗結(jié)果見圖2。(7號28d不列)。

　　由圖2可知，各攪拌站混凝土的28d碳化深度從10mm到25mm不等，碳化深度順序為：10＞11、5＞1＞2＞3、6＞4>8；隨齡期延長，混凝土碳化深度基本呈增大規(guī)律；但8、11號混凝土28d碳化深度比14d的反而下降，可能是由于混凝土試件不均勻所致。

　　在相同濕度環(huán)境下，影響混凝土碳化速度的因素有混凝土密實度、混凝土含水率和混凝土中可碳化物質(zhì)含量（pH值，氫氧化鈣含量）等。由表2可知，8號混凝土中水泥用量大，達370 kg/m3，粉煤灰摻量較小，且水膠比小，因而混凝土較密實，碳化深度小。7號混凝土中水泥用量少，且水膠比大，混凝土的密實度相對較差，其14d碳化深度較大，達21mm。10號和11號混凝土中雖然水膠比較小，膠材用量較大，但由于粉煤灰摻量大，分別為112 kg/m3和120kg/m3，大量粉煤灰的摻入，一方面消耗了部分的Ca(OH)2，影響了混凝土的pH值；另一方面，由于Ca(OH)2和水泥熟料數(shù)量相對減少，可碳化物質(zhì)含量減少，因此碳化深度較大。5號和1號混凝土中水膠比大，膠材用量少，但因其粉煤灰摻量小，碳化深度小于10號和11號混凝土。2號和3號混凝土中水膠比適中，膠材用量大而粉煤灰摻量較小，因而碳化深度較小。 6號混凝土水膠比小，膠材用量大，雖然摻合料摻量大，但摻合料中礦渣較多，粉煤灰較少；4號混凝土雖然水膠比大，但膠材用量適中，粉煤灰摻量少，故碳化深度小。

2.5 鋼筋銹蝕

　　各攪拌站混凝土的鋼筋銹蝕結(jié)果見表7。

　　　　　　　　表 7 各攪拌站混凝土的鋼筋失重率

　　表7表明，混凝土中的鋼筋都有所失重，說明碳化已經(jīng)造成了鋼筋銹蝕；鋼筋銹蝕重量損失都很小，在0.06－0.35%之間；鋼筋失重率大小順序為：3＞1＞11＞2>5＞8>6＞9>10、7>4。隨著碳化繼續(xù)進行，會加速鋼筋的銹蝕。

　　試驗是測定由碳化引起的鋼筋銹蝕，理論上鋼筋銹蝕失重率與碳化深度有對應關(guān)系，對比圖2和表7的結(jié)果可知，1、11、2、5號混凝土的鋼筋失重率較大，6號混凝土的適中，4號混凝土的小，與碳化深度的結(jié)果較對應。但3號混凝土的鋼筋銹蝕率大，8號混凝土的居中，10、7號混凝土的較小，與碳化深度的結(jié)果不相對應，鋼筋銹蝕還與鋼筋表面的混凝土微結(jié)構(gòu)和化學環(huán)境密切相關(guān)。

2.6 集料堿活性

　　各攪拌站混凝土用砂石集料的堿活性試驗（快速法）結(jié)果如圖 3。

　　根據(jù)JGJ52-2006評定

　　指標：當14d膨脹率小于0.10％時，可判定為無潛在危害；當14d膨脹率大于0.20％時，可判定為有潛在危害；當14d膨脹率在0.10％～0.20％之間時，不能最終判定，需進行常溫下砂漿棒膨脹率試驗來判定。由圖3可知， 1、4、7號砂的[8]。除2號碎石有潛在危害外，其余碎石均無潛在危害。 3 結(jié)論 14d膨脹率都大于0.20%，具有潛在危害；2、5、9號砂的14d膨脹率在0.10％～0.20％之間，可能有潛在危害；超過一半的砂樣可能有潛在危害，這與近幾年對廣東河砂堿活性的研究結(jié)果相符合

　?。?）好，均不低于P10抗?jié)B等級。（2）廣州地鐵工程C30P8混凝土的電通量在650～1360C之間，抗氯離子滲透性能好但相互間差異明顯。以電通量小于1000C的混凝土居多；存在電通量大于1000C的混凝土，不利于混凝土的耐久性。（3）廣州地鐵工程C30P8混凝土抗硫酸鹽侵蝕系數(shù)在0.88～1.18之間，差異較大。以抗蝕系數(shù)在1.0～1.1之間，抗硫酸鹽等級中，能耐硫酸鹽腐蝕的混凝土居多；存在抗蝕系數(shù) ＜1.0，抗硫酸鹽等級低，會受硫酸鹽腐蝕的混凝土，對地鐵工程混凝土的耐久性不利。（4）廣州地鐵工程C30P8混凝土的28天碳化深度從10mm到25mm不等, 差異較大；碳化已經(jīng)造成了鋼筋的銹蝕，但鋼筋銹蝕重量損失小，在0.06～0.35%之間。（5）廣州地鐵工程C30P8混凝土使用的集料中，超過一半的砂樣可能有潛在堿活性危害，絕大多數(shù)石樣不存在潛在堿活性危害。（6）廣州地鐵工程C30P8同等級混凝土由于原材料、配合比、生產(chǎn)工藝的不同，混凝土各項耐久性能均有較大差異；由于影響因素不同，各項耐久性能之間的關(guān)系無明顯規(guī)律性；總體來看，6、7、8號混凝土的耐久性能相對較好，1、2、11號混凝土耐久性相對較差。