高耐久性混凝土的开发及成本分析

【摘 要】海港工程混凝土结构受到海水侵蚀的严重威胁，因此，有必要开发高耐久性混凝土。试验显示，通过降低水胶比、掺入大掺量的矿物掺和料以及使用阻锈剂能有效提高混凝土的抗氯离子渗透性能；矿粉比粉煤灰更能有效降低混凝土的氯离子扩散系数；大掺量矿物掺和料是提高混凝土耐久性并降低成本的有效途径。

【关键词】高耐久性混凝土；氯离子扩散系数；矿物掺和料；阻锈剂

1.研究背景与目的

长期受到海水或盐雾侵蚀的混凝土结构，氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷，渗入到混凝土中并达到钢筋表面。由于氯离子的导电作用和阳极去极化作用，形成腐蚀电流，降低混凝土碱度，破坏钝化膜，使其丧失对钢筋的保护作用，从而引起钢筋锈蚀，削减其有效断面，并引起膨胀，破坏混凝土保护层，形成恶性循环，加速结构的破坏。

针对厦门地区，混凝土结构服役环境较为恶劣，常受多种破坏因素的交互作用。除考虑海水条件的腐蚀外，必须承受台风、海浪、潮汐及海流的强烈作用，与内陆工程相比，其耐久性问题更为突出。根据有关资料显示，由于材料不当或劣化，导致工程耐久性破坏，使得工程的服役寿命缩短一半以上，所造成的损失是整个工程投资的3～5倍。因此，要实现混凝土的高耐久性，必须从实际需要出发，根据工程所处环境设计使用合适的原材料，按耐久性指标设计出合理的混凝土。

本文主要从水胶比、阻锈剂、矿物掺和料的掺量及矿物掺和料的单掺、复掺角度研究了耐久性混凝土。

2.耐久性混凝土设计的基本要求

2.1混凝土所处环境分类及环境作用等级

混凝土结构及其构件的耐久性，应根据不同的使用年限和不同的环境类别及其作用等级进行设计。同一结构中的不同构件或同一构件中的不同部位由于所处的局部环境条件有异，应予以分别对待。

2.2 配置耐久性混凝土的一般原则

不同环境作用等级和不同使用年限的钢筋混凝土结构与预应力混凝土结构，其混凝土的最低强度等级、最大水胶比和每立方米混凝土胶凝材料最低用量宜满足表1的规定。

氯盐环境下应严格限制原材料（水泥、矿物掺和料、骨料、外加剂和拌和水等）引入混凝土中的氯离子量，各种原材料中的氯离子含量尽可能低。新拌混凝土硬化后，实测混凝土中的水溶氯离子含量对于钢筋混凝土不应超过胶凝材料重的0.1%，对于预应力混凝土不应超过胶凝材料重的0.06%。

氯盐环境下重要的配筋混凝土工程，宜在设计中提出混凝土抗氯离子侵入性的指标，作为混凝土耐久性质量的一种控制标准。这一指标可用非稳态氯离子快速电迁移试验方法测得的氯离子扩散系数DRCM值表示，或用ASTM-1202快速试验方法测得的电量表示，并宜符合表2所示的要求。

3.试验材料与方法

3.1高耐久性混凝土试验材料选用原则

不论是高耐久性混凝土，还是普通混凝土都使用水泥、水、砂、石原材料，但高耐久性混凝土必须使用外加剂和矿物掺合料。原材料对于普通混凝土的影响并不显著，但对高耐久性混凝土就可能产生显著的影响，因此高耐久性混凝土所用原材料又和普通混凝土有所不同。

3.1.1 水泥

配置耐久混凝土的硅酸盐类水泥一般应为品质稳定的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，其强度等级宜为42.5。硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥宜与矿物掺和料一起使用。对于严重环境作用（D级或高于D级）下的混凝土，宜采用硅酸盐水泥与大掺量矿物掺和料一起配置或采用专用水泥。

为改善混凝土的体积稳定性和抗裂性，硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥的细度（比表面积）不宜超过350m2/kg，C3A含量不宜超过8%（海水中10%），游离氧化钙不超过1.5%。大体积混凝土宜采用C2S含量相对较高的水泥。硫铝酸盐和铁铝酸盐水泥的抗化学腐蚀能力要高于硅酸盐水泥，除气温较高的地区外，也可针对具体环境特点选用。

3.1.2 矿物掺和料

配置耐久性混凝土所用的矿物掺和料可为粉煤灰、磨细高炉水淬矿渣、硅灰、沸石岩粉、石灰石粉、天然火山灰等材料。掺和料必须品质稳定、来源均匀、来源固定。掺和料的掺量应根据设计对混凝土各龄期强度、混凝土的工作性和耐久性以及施工条件和工程特点（如环境气温、混凝土拌合物温度、构件尺寸等）而定。

3.1.2.1 粉煤灰

混凝土的粉煤灰掺和料应来自燃煤工艺先进的电厂。粉煤灰的烧失量应尽可能低（不宜大于5%，对预应力混凝土和引气混凝土小于3%）；三氧化硫含量≤3%；需水量比宜不大于105%。混凝土中的粉煤灰掺量应不少于胶凝材料总量的20%，当掺量达30%以上时，水胶比不宜大于0.42，并应随粉煤灰掺量的增加而减小，优质粉煤灰的最大掺量可到胶凝材料总量的50%甚至更多。

3.1.2.2 磨细矿渣

磨细高炉矿渣的比表面积不宜小于350m3/kg，但过细的磨细矿渣也不利于控制混凝土水化升温和防裂，一般不宜大于450m2/kg。对于硫酸盐腐蚀环境，特别是高温下的硫酸盐腐蚀环境和海水环境，宜将大掺量矿渣作为胶凝材料的必需组分，矿渣的最大掺量在低水胶比的混凝土中可达胶凝料总量的90%；磨细矿渣的需水量比不宜大于105%，烧失量不大于1%。

3.1.3 骨料

配置耐久性混凝土的骨料应满足以下要求：（1）质地均匀坚固，粒形和级配良好、吸水率低、空隙率小（粗骨料的松散堆积密度一般应大于1500kg/m3，对较致密石子如石灰岩大于1600kg/m3，即空隙率约不超过40%；对不同细度模数的砂子，控制4.75mm、0.6mm和0.15mm筛的累筛余量分别为0～5%、40%～70%和≥95%）。粗骨料的压碎值指标不大于7%，吸水率不大于2%，针、片状颗粒不宜超过5%；（2）在氯盐环境作用（D级或D级以上）下，不宜采用抗渗透性较差的岩质如某些花岗岩、砂岩等作为粗细骨料；（3）当结构所处环境的季节温差或日夜温差变化剧烈时，宜采用线膨胀系数较小的粗骨料，以提高混凝土的抗裂性；（4）在严重环境作用下，粗骨料的最大公称粒径与钢筋保护层厚度的比值，在氯盐和其他化学腐蚀环境下不应大于1/2，在冻融环境下不应大于2/3；（5）重要的配筋混凝土工程应严禁使用海砂。

3.1.4 外加剂

配置耐久性混凝土所用的化学外加剂应符合如下要求：（1）各种外加剂应有厂商提供的推荐掺量与相应减水率、主要成分（包括复配成分）的化学名称、氯离子含量、水溶性钠盐含量、含碱量以及施工中必要的注意事项如超量或欠量使用时的有害影响、掺和方法和成功使用的证明等；（2）各种外加剂中的氯离子含量不得大于混凝土中胶凝材料总重的0.02%，高效减水剂中的硫酸钠含量不宜大于减水剂干重的15%；（3）氯化钙不能作为混凝土的外加剂使用，如用作冬季施工的抗冻剂等；（4）各种阻锈剂的长期有效性需经检验，一般不能使用亚硝酸钠类阻锈剂。

3.1.5 水

混凝土的拌和用水，应符合JGJ63-89《混凝土拌和用水标准》的规定。

3.2 试验材料性能

3.2.1 水泥

实验研究选用了福建水泥股份有限公司建福水泥厂生产的建福P・O 42.5普通硅酸盐水泥，其物理力学性能指标测定结果，各项指标均符合要求，详见表3。

3.2.2 矿物掺和料

试验用粉煤灰为后石电厂益材I级粉煤灰，物理性能见表4；试验用矿粉为厦门市禾强建材有限公司的S95级矿粉，物理性能见表5。

3.2.3 粗集料

试验选用粒径5―25mm连续级配的碎石，具体物理性能见表6，筛分的级配曲线见图1。

3.2.4 细集料

本实验选用河砂的具体物理性能见表7，筛分的级配曲线见图2。

3.2.5 外加剂

试验用的外加剂有以下品种：（1）福建科之杰新材料有限公司生产的Point-S（8-10）、Point-S（16-18）聚羧酸系缓凝高效减水剂；（2）阻锈剂。

3.3 试验方法

混凝土工作性和含气量试验按《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》（GB/T50080-2002）进行测试。

混凝土抗压强度按《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行测试。混凝土抗压试件尺寸为150mm×150mm×150mm。

混凝土抗Cl-渗透试验采用《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES 01-2004）中推荐的混凝土氯离子扩散系数快速测定的RCM法。

4.耐久性混凝土的配制与性能研究

低水胶比、大掺量矿物掺和料和使用高性能外加剂是耐久性混凝土设计的特点。低水胶比能降低混凝土的孔隙率并细化孔径，通过混凝土的低渗透性来保证其耐久性；优质矿物掺合料掺入可改善混凝土工作性，增进后期强度，提高抗腐蚀能力。改善水泥基材的化学组成，是实现混凝土高性能的重要组成材料之一。矿物掺合料加入新拌混凝土中，填充水泥颗粒间的空隙，起“微集料”的作用，降低水泥用量，改善混凝土拌和物的和易性，减少泌水和离析现象，改善其粘聚性、稳定性，提高水泥浆和集料界面密实程度；另外，由于矿物掺合料的水化历程不同，按照其不同反应特点设计胶凝材料的组分，能够利用各自的固有特性优势互补，产生超叠加效应，可有效调节水泥的水化过程，优化水泥石结构，提高水泥石的密实性，强化混凝土的界面过渡，降低水化热，进而提高混凝土的力学性能和耐久性。

本文主要从水胶比、矿物掺和料的掺量、阻锈剂的使用等角度提出相关配合比（如表8所示），混凝土工作性、力学性、耐久性检测结果及成本如表9所示。

从表9中看出矿物掺和料可以有效改善新拌混凝土性能，主要是粉煤灰和矿粉都是一种玻璃体，并且都具有一定减水效果，对提高混凝土的工作性有益。从力学性能来看，随着矿物掺和料掺量的提高，早期强度均有不同程度的下降；矿物掺和料掺量相同时，矿粉掺量比例越大，强度表现为越高。

4.1 水胶比对混凝土耐久性的影响

水胶比是影响混凝土耐久性的一个重要因素，分析表9中相关RCM的数据作图3。

从图3可以看出，通过降低水胶比能够有效提高混凝土抵抗氯离子渗透性能。与基准普通混凝土相比，水胶比为0.33时，混凝土的氯离子扩散系数在龄期35d左右下降了42%；在龄期62d左右下降了50%。因为低水胶比能降低混凝土的孔隙率并细化孔径，提高其抗渗透性能。

4.2 矿物掺和料的掺量对混凝土耐久性的影响

采用大掺量的矿物掺和料是配置耐久性混凝土的一种有效途径，分析表9中相关RCM的数据作图4。

从图4看出，通过大掺量矿物掺和料能有效提高混凝土抗氯离子渗透性能。与基准普通混凝土相比，矿物掺和料掺量为60%时，混凝土的氯离子扩散系数在龄期35d左右下降了25.2%；在龄期62d左右下降了52.6%。粉煤灰和矿粉的细度较细，起“微集料”的效应，能有效填充水泥颗粒间及水泥与骨料的空隙，提高混凝土密实度；粉煤灰和矿粉可以改善混凝土的孔径分布、孔的几何形状，使得渗透通道弯曲，增大扩散阻力；矿物掺合料的水化历程不同，其“二次水化”产物也可进一步填充有害缺陷，提高混凝土的抗渗性能，且可以降低水化热、降低混凝土早期温升，预防温度裂缝。

4.3 矿物掺合料的复掺比例对混凝土耐久性的影响

分析表9中相关的RCM数据作图5。

从图5看出，矿粉掺和比例大时，混凝土的氯离子扩散系数较低，尤其表现在早期。矿物掺和料掺量相同的情况下，粉煤灰与矿粉比例2：3与3：2相比，在龄期35d左右时低29.9%，在龄期62d时低16.5%。说明矿粉比粉煤灰更能有效降低混凝土的氯离子扩散系数，但随着龄期的增长，两者间的差距会越来越小。因为矿粉的活性比粉煤灰高，其水化产物能够较早的改善混凝土的微观结构，提高其密实度。随着龄期的延长，粉煤灰的二次水化发挥作用，对后期的强度及抗渗性能作用较大。此外矿粉中较高的C3A等矿物成分能够捕捉从混凝土表面渗透的Cl-，生成所谓的Friedel盐（C3A・CaCl2・10H2O）。

4.4 单掺FA对混凝土耐久性的影响

以厦漳大桥C30水下桩工程为依托，提出相关配合比（如表10）。

从表11可以看出粉煤灰对新拌混凝土的工作性有一定的改善作用，因为粉煤灰是一种球形玻璃体且有一定的减水效果。取表11中的RCM数据做图6。

从图6看出随着龄期的延长其扩散系数明显降低；30d、75d数据曲线均表明：本次试验中，单掺FA时，粉煤灰掺量在25%左右氯离子扩散系数最低。

4.4 阻锈剂混凝土耐久性的影响

对于环境作用等级为E或E级以上的混凝土构件，可在混凝土中掺入钢筋阻锈剂。混凝土的密实性越高，钢筋阻锈剂的防护效能就越好。对于难以采用涂层防护的预应力钢筋和钢绞线的保护，在混凝土或灌浆中掺加钢筋阻锈剂是有效的防护方法之一。作为多重防护措施，钢筋阻锈剂还可与环氧涂层钢筋、阴极保护及混凝土外涂层联合、搭配使用。

《混凝土结构耐久性设计与施工指南》规定各种阻锈剂的长期有效性需经检验，一般不能使用亚硝酸钠类阻锈剂。针对阻锈剂的效果做了相关配合比及性能检测，如表12所示。

从表12中相关数据看出，掺阻锈剂可以明显改善混凝土的抗氯离子渗透性能，龄期在77d左右时氯离子扩散系数降低达42%。

4.5 成本分析

分析表9中的RCM和成本数据作图7。

从图7看出，编号X08的混凝土矿物掺和料掺量达60%，其耐久性和成本达到最佳的契合，成本比基准普通混凝土降低了3.4%。说明采用大掺量的矿物掺和料可以明显提高混凝土的抗氯离子渗透性能并能有效降低成本。编号X04的水胶比最小，耐久性最好，但成本最高，需要进一步降低用水量，进而降低胶材用量，使成本降低。编号X03、X05、X06比较，即在水胶比、矿物掺和料掺量一定的情况下，建议选用X05，即粉煤灰掺量比矿粉稍大。因为虽然其抗氯离子渗透性能稍差，但随着龄期的增长，其与X03、X06之间的差距越来越小，且成本最低。

5.结论

通过以上相关试验可以得到以下几点结论：（1）通过降低水胶比能有效提高混凝土的抗氯离子渗透性能，提高耐久性能；（2）在一定范围内，大掺量矿物掺和料能有效提高混凝土的抗氯离子渗透性能，提高耐久性能；（3）矿粉比粉煤灰更能有效的降低混凝土的氯离子扩散系数，但随着龄期的增长，两者之间的差距会越来越小；（4）在本次单掺粉煤灰试验中，其掺量在25%左右时氯离子扩散系数最低；（5）掺阻锈剂可以有效改善混凝土的抗氯离子渗透性能，提高其耐久性能；（6）综合考虑耐久性和成本，采用大掺量的矿物掺和料是非常有效的方法。

参考文献：

[1]林伦，王世伟.掺混合料对混凝土耐久性的影响.天津城市建设学院学报，2004，10（3）：204-207.

[2]普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，2010.

[3]混凝土耐久性检验评定标准，2010.

[4]杨学广，于春，王世杰. 高性能高耐久性混凝土在桥梁工程上的应用研究，2002，18（4）：44-46.

作者简介：

温晓海（1975-），男，工程师，硕士，主要从事商品混凝土生产技术研究及管理。