廣州地鐵工程C30P8混凝土的耐久性試驗(yàn)研究與評(píng)價(jià)

摘要：通過(guò)試驗(yàn)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(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的評(píng)定指標(biāo)，對(duì)各項(xiàng)耐久性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 結(jié)果表明，混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)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(duì)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(guò)一半的砂樣可能有潛在堿活性危害，絕大多數(shù)石樣無(wú)堿活性危害。由于原材料、配合比、生產(chǎn)工藝的不同，同等級(jí)的C30P8混凝土各項(xiàng)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(yàn) 耐久性評(píng)價(jià)

0 前言

　　近年來(lái)混凝土耐久性問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，對(duì)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(yù)測(cè)模型及提出耐久性設(shè)計(jì)指南等方面。而對(duì)實(shí)際工程混凝土的耐久性能進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究并予以評(píng)價(jià)，這方面的研究成果很少見(jiàn)諸報(bào)道，其原因之一在于我國(guó)已制訂了混凝土耐久性能試驗(yàn)方法（GBJ82-85）還不完善，還缺少某些單項(xiàng)耐久性的試驗(yàn)方法，更主要的原因在于缺少對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定指標(biāo)，因此各級(jí)檢測(cè)單位對(duì)實(shí)際工程混凝土的耐久性能不能進(jìn)行檢測(cè)及評(píng)定。本論文以廣州地鐵工程混凝土為研究對(duì)象，探索性地開(kāi)展了此方面的工作。
地鐵工程對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求很高。本文依據(jù)及參考國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)廣州地鐵工程的C30P8混凝土的耐久性能進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)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(guó)內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的評(píng)定指標(biāo)，對(duì)各項(xiàng)耐久性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)原材料和混凝土配合比與各攪拌站供應(yīng)廣州地鐵工程的混凝土相同，如表1和表2所示?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，抗?jié)B等級(jí)為P8。在送往工地的混凝土攪拌車(chē)中取樣成型試件。
　　　　　　　　　　　　表1 各攪拌站混凝土用原材料

　　

　　依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ82-85《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》[1]對(duì)抗?jié)B性、碳化、鋼筋銹蝕、收縮進(jìn)行試驗(yàn)研究；依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1202－97[3]對(duì)抗氯離子滲透性能進(jìn)行試驗(yàn)研究；依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]對(duì)骨料堿活性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

　　參考有關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能試驗(yàn)方法：成型150mm×150mm×550mm的混凝土試件6個(gè)，養(yǎng)護(hù)24h后脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d，取出后用環(huán)氧樹(shù)脂涂覆部分表面，如圖1所示。將試件分成兩組，一組三個(gè)試件在20℃水中浸泡，一組三個(gè)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(cè)定兩組試件的抗折強(qiáng)度，混凝土的抗蝕性能以抗蝕系數(shù)k來(lái)表示，按下式計(jì)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(qiáng)度，MPa；R水——試件在20℃水中養(yǎng)護(hù)同齡期抗折強(qiáng)度，MPa。

2.1 抗?jié)B性

　　由于1臺(tái)抗?jié)B儀需要連續(xù)進(jìn)行11家攪拌站的混凝土試件抗?jié)B試驗(yàn)，綜合考慮混凝土設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)（P8）、養(yǎng)護(hù)齡期和試驗(yàn)排期情況，抗?jié)B試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果表明，加壓至1.0MPa時(shí)，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(lái)評(píng)定，可知廣州地鐵的C30P8混凝土的抗?jié)B標(biāo)號(hào)均不低于P10，超過(guò)P8的設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)，說(shuō)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(jí)配、密實(shí)性、養(yǎng)護(hù)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(guò)摻加外加劑降低水膠比，水膠比在0.40～0.48，同時(shí)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

　　　　　　　表3 各攪拌站混凝土的的氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果

　　美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1202－97[3]按表4以同組3個(gè)試件6h通過(guò)的電量平均值來(lái)評(píng)定混凝土抗氯離子滲透性。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JTJ275-2000 [2]的評(píng)定指標(biāo)為：對(duì)海港工程浪濺區(qū)的普通混凝土，抗氯離子滲透性不應(yīng)大于2000C；對(duì)高性能混凝土，不應(yīng)大于1000C。我國(guó)《客運(yùn)專(zhuān)線高性能混凝土?xí)盒屑夹g(shù)條件》中，按混凝土設(shè)計(jì)使用年限級(jí)別、環(huán)境作用等級(jí)規(guī)定了混凝土的抗氯離子滲透性，如設(shè)計(jì)使用年限為100年、環(huán)境作用等級(jí)為L(zhǎng)1級(jí)時(shí)，要求抗氯離子滲透性小于1000C；對(duì)潮汐區(qū)的混凝土抗氯離子滲透性更加嚴(yán)格，不應(yīng)大于800C。

　　地鐵工程混凝土的設(shè)計(jì)使用年限一般為100年，且地鐵混凝土長(zhǎng)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(biāo)（依據(jù)GB50021-2001[5]），參考上述評(píng)定指標(biāo)，筆者建議規(guī)定廣州地鐵混凝土抗氯離子滲透性不應(yīng)大于1000C。

　　　　　　　表4 ASTM C1202－97評(píng)價(jià)指標(biāo)

　　　　
　　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(duì)于同為C30P8混凝土，相互之間的差異較大。按美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1202－97的指標(biāo)來(lái)評(píng)定：1、9、4、8、號(hào)混凝土電通量超過(guò)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(lái)評(píng)定， 1、9號(hào)混凝土的抗氯離子滲透性稍差，4、8號(hào)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?yàn)椋?、5<10<6<7<2、11<8<4<9、1。

　　Cl-在混凝土中的遷移主要是通過(guò)孔洞溶液進(jìn)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(hào)混凝土的水膠比較大且膠材用量較少，可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)致密性稍差，孔隙稍多，電通量大。8號(hào)混凝土的水膠比低，膠材用量也多，但庫(kù)侖量也超過(guò)1000C，這可能是由混凝土的不均勻性引起。3、5、10號(hào)混凝土采用廣州越秀水泥集團(tuán)的水泥，水泥顆粒級(jí)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(shí)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

　　　　　表5 各攪拌站混凝土的抗蝕系數(shù)

　　較多文獻(xiàn)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(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[7]對(duì)膠砂抗硫酸鹽性能抗蝕系數(shù)的評(píng)定指標(biāo)見(jiàn)表6。

　　　　表 6 膠砂抗硫酸鹽性能抗蝕系數(shù)評(píng)定指標(biāo)




　　根據(jù)地鐵工程混凝土的設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境作用等級(jí)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(biāo)（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(jí)應(yīng)達(dá)到中級(jí)以上，具有“耐腐蝕”以上的抗硫酸鹽性能，抗蝕系數(shù)達(dá)到1.0～1.1以上。

　　由表5結(jié)果及表6指標(biāo)可見(jiàn)，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(xiàn)的評(píng)定指標(biāo)，判為合格；K值在0.88～1.18之間，差異較大；按表6的評(píng)定指標(biāo)，2、3、11號(hào)的K值 ＜1.0，抗硫酸鹽等級(jí)低，會(huì)受腐蝕；7號(hào)K值為1.2，抗硫酸鹽等級(jí)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(jí)中，耐腐蝕。

　　混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能與其密實(shí)度（孔結(jié)構(gòu)）、發(fā)生腐蝕反應(yīng)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(shí)度，也相對(duì)減少了C3A的含量；但膠材中活性Al2O3含量增加，可能對(duì)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(jí)低的2、3、11號(hào)混凝土中，2號(hào)混凝土的摻合料摻量達(dá)到了140Kg/m3，11號(hào)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(hào)和7號(hào)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(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。(7號(hào)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?yàn)椋?0＞11、5＞1＞2＞3、6＞4>8；隨齡期延長(zhǎng)，混凝土碳化深度基本呈增大規(guī)律；但8、11號(hào)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(shí)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(hào)混凝土中水泥用量大，達(dá)370 kg/m3，粉煤灰摻量較小，且水膠比小，因而混凝土較密實(shí)，碳化深度小。7號(hào)混凝土中水泥用量少，且水膠比大，混凝土的密實(shí)度相對(duì)較差，其14d碳化深度較大，達(dá)21mm。10號(hào)和11號(hào)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(duì)減少，可碳化物質(zhì)含量減少，因此碳化深度較大。5號(hào)和1號(hào)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(hào)和11號(hào)混凝土。2號(hào)和3號(hào)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(hào)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(hào)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(jiàn)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(shuō)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?yàn)椋?＞1＞11＞2>5＞8>6＞9>10、7>4。隨著碳化繼續(xù)進(jìn)行，會(huì)加速鋼筋的銹蝕。

　　試驗(yàn)是測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)比圖2和表7的結(jié)果可知，1、11、2、5號(hào)混凝土的鋼筋失重率較大，6號(hào)混凝土的適中，4號(hào)混凝土的小，與碳化深度的結(jié)果較對(duì)應(yīng)。但3號(hào)混凝土的鋼筋銹蝕率大，8號(hào)混凝土的居中，10、7號(hào)混凝土的較小，與碳化深度的結(jié)果不相對(duì)應(yīng)，鋼筋銹蝕還與鋼筋表面的混凝土微結(jié)構(gòu)和化學(xué)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(yàn)（快速法）結(jié)果如圖 3。

　　根據(jù)JGJ52-2006評(píng)定

　　指標(biāo)：當(dāng)14d膨脹率小于0.10％時(shí)，可判定為無(wú)潛在危害；當(dāng)14d膨脹率大于0.20％時(shí)，可判定為有潛在危害；當(dāng)14d膨脹率在0.10％～0.20％之間時(shí)，不能最終判定，需進(jìn)行常溫下砂漿棒膨脹率試驗(yàn)來(lái)判定。由圖3可知， 1、4、7號(hào)砂的[8]。除2號(hào)碎石有潛在危害外，其余碎石均無(wú)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(hào)砂的14d膨脹率在0.10％～0.20％之間，可能有潛在危害；超過(guò)一半的砂樣可能有潛在危害，這與近幾年對(duì)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(jí)。（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(jí)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(jí)低，會(huì)受硫酸鹽腐蝕的混凝土，對(duì)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(guò)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(jí)混凝土由于原材料、配合比、生產(chǎn)工藝的不同，混凝土各項(xiàng)耐久性能均有較大差異；由于影響因素不同，各項(xiàng)耐久性能之間的關(guān)系無(wú)明顯規(guī)律性；總體來(lái)看，6、7、8號(hào)混凝土的耐久性能相對(duì)較好，1、2、11號(hào)混凝土耐久性相對(duì)較差。