周 翔

（江西省水投建设集团有限公司,江西 南昌 330000）

1 引言

因为海水中离子成分复杂,具有一定的腐蚀性。这种腐蚀性对于混凝土而言尤其突出,所以研究混凝土在海洋环境中的耐久性具有十分重要的意义,其耐久性也是众多大型跨海桥梁等工程所面临的一个关键问题[1-2]。海工高性能混凝土的主要特征是在海水中仍有着很强的抗腐蚀能力,使用寿命较长。国内外很多学者通过用矿物外掺料替代水泥,减小氯离子在混凝土里的渗透能力,以此提高混凝土的耐久性,这也是当前提高混凝土耐久性的常用方法[3-5]。为了进一步研究在实际海水环境侵蚀下,高性能混凝土耐久性能的变化规律,本文将设置于沿海地区某暴露试验点中经过长时间暴露的混凝土样品作为研究对象,借助常用的磨粉滴定法来对混凝土中氯离子含量进行测试,分析不同外掺料（矿渣粉、粉煤灰）下的高性能混凝土和纯水泥混凝土在长时间暴露下耐久性变化情况。

2 试验站概况

某工程材料暴露试验点具体包含了四个分区,分别是水下区（高程+0.1 m）、水位变化区（高程+2.14 m）、浪溅区（高程+4.2 m）和大气区（高程+7.4 m）,各区的建筑面积分别为89 m2、89 m2、211 m2和10 m2。该试验点投入使用的时间为1987年,在良好的维护下沿用至今,在这个过程中,共测试了暴露样品24 批、6480 件,测试的种类包括防腐材料、高性能混凝土等试样,表1为该站部分暴露试样的开始时间、所属于的种类和所研究的目的。

表1 部分暴露试样的信息

3 暴露混凝土试样测试

3.1 试样配比

本文用于试验的高性能混凝土样品于2006年就送至暴露试验站,取部分进行性能测试,表2 为具体配合比。选择这三组试样混凝土分别为A 组（矿渣粉占比60%）、B 组（粉煤灰占比30%）,C 组（纯水泥）,这种选择方式是为了比较不同类别混凝土之间耐久性的区别,三种混凝土有着相同的水胶比,都是0.35,选取的水泥类型品牌类型相同,26 mm 位碎石粒径的最大值,测试样品为边长100 mm 的正方体。初步制作好试样后,要将其置于标准条件下进行养护,持续28 天,之后取出样品用环氧树脂对试样的5 个面进行密封处理,未密封的一个面当成暴露面。本次试验所用的混凝土样品均处于浪溅区。

表2 高性能混凝土配合比

3.2 测试试样的方法

暴露混凝土试样的设定不同的养护时间,按设定时间将样品送去测试相关性能,测试的主要指标是氯离子在暴露混凝土中的分布情况。对氯离子在混凝土暴露面各处的浓度进行测试的时候,首先要清洗掉暴露样品表面的杂物,接着借助打磨工具对暴露混凝土进行取样处理,对试块从外向里进行打磨,将磨下的粉末仔细收集起来。要注意打磨时是要分层进行的,每层打磨厚度为2 mm 左右,每一层磨完后要对磨面进行清理,之后再开始下一层打磨工作。所得混凝土粉样中氯离子含量是通过滴定法测试出的,测试时遵行美国的相关测试标准。与国内测试标准不同的是,美国对氯离子的测试过程里加入热溶液的方法,而且为避免氯离子滴定受到硫化物的影响,在过氧化氢加到热溶液当中。

目前国内外学者测试氯离子在混凝土中浓度所采用的技术手段主要为射线光谱分析和磨粉滴定法,前者和后者相比有着更好的精准度[6]。借助菲克第二定律对混凝土不同部位氯离子浓度开展回归分析,以此得出氯离子扩散系数在此龄期下的数值。同时为了更加深入地对暴露混凝土性质进行研究,也要对其微观结构进行观察和分析。观察混凝土的微观结构通常选取压汞试验法（MIP）。试验前同样要对混凝土做粉碎处理,并将碎石颗粒从试样碎片中去除,取得砂浆碎片来开展压汞试验。而为了更加清晰地掌握暴露试样里水化产物和凝材料的生成、变化情况,可以借助背散射电镜试验（BSE）来进行分析。此试验要将混凝土样品做切割磨平处理,在这个过程中也可以开展能谱分析试验（EDX）来分析试验区的化学元素成分。

4 耐久性结果分析

关于氯离子在高性能混凝土里的渗透性,如图1 所示为三组混凝土持续暴露15年后氯离子在不同位置的分布状况。图1 结果表示,在经过长达15年的暴露后,对于暴露面内深度大于15 mm 时所取得的样品,氯离子在纯水泥混凝土不同深度的浓度要高于掺矿渣粉混凝土和掺粉煤灰混凝土。而暴露面内深度小于15 mm 时所取得的样品发生的是对流反应,此部位混凝土也被视为对流层。即在长时间的暴露条件下,氯离子在此部位混凝土里出现了双向传输,特别是在混凝土比较密实的情况下,离子在对流层里流动速度很低,离子流失较为困难,就导致离子浓度要高于密实度较低的普通混凝土。以氯离子在对流层浓度进行分析,能够看出素混凝土的密实程度要低于有外掺料的高性能混凝土。以氯离子入渗距离进行分析,氯离子在纯水泥混凝土样品里的入渗距离大于50 mm,而氯离子在外掺料高性能混凝土里的入渗距离在30 mm 左右,又能够得出外掺料（矿渣粉、粉煤灰）代替水泥,能够大大减少氯离子在混凝土里存在的数目,还可以缩短氯离子的入渗距离,避免对混凝土的更深处造成损伤。

图1 持续暴露15年后氯离子在不同位置的分布状况

借助菲克第二定律对混凝土不同部位氯离子浓度开展回归分析,以此得出氯离子在A、B、C 组混凝土（15年龄期）中的扩散系数分别是 0.93×10-12m2/s、0.22×10-12m2/s 和0.16×10-12m2/s。扩散系数表明,水泥用矿渣粉（含量60%）或粉煤灰（含量30%）进行替代,能够使大龄期下氯离子表观扩散系数在很大程度上被削弱,削弱程度高达75%,也证实了用矿渣粉与粉煤灰替代部分水泥能够在很大程度上减小混凝土里氯离子的运动速度,有很好的改良效果。

上述结果是15年暴露时长条件下氯离子的扩散系数,其扩散系数随着时间的增长不断变化,总体呈现逐渐减小的趋势。但从理论角度出发,随时间的增长,氯离子在混凝土扩散系数的减弱遵循指数规律,规律模型见式（1）,衰减系数为n：

针对暴露试验开始于2006年的高性能混凝土,不仅测试了龄期为15年的混凝土试样,同样对其他龄期试样进行了测试,得到了氯离子在不同龄期混凝土中的扩散系数,图2 为扩散系数随龄期的变化规律。在图中选用方程（1）来拟合了氯离子和不同种类混凝土暴露龄期的变化规律,得出了相关的衰减系数和衰减曲线。图中结果表示,长期暴露条件下,0.43、0.32 和0.11 分别是氯离子在矿渣粉混凝土、粉煤灰混凝土和素混凝土中的衰减系数,能够较为明显地看出,在混凝土加入外掺料（矿渣粉和粉煤灰）能够在很大程度上增大氯离子在混凝土中扩散的衰减速率。由上述能够得出,用大量矿渣粉和粉煤灰代替水泥制作混凝土,能够大大增加混凝土的氯离子抗渗能力,显著提高混凝土的耐久性。这几年,在设计大型工程的耐久性时常常也将长期暴露试验结果作为参考和依据,根据此试验得出混凝土氯离子扩散系数衰减规律,对设计和预测混凝土的结构寿命有很好的指导和借鉴。

图2 氯离子扩散系数的减弱规律

5 结论

本文对某暴露站高性能混凝土和纯混凝土开展了氯离子浓度测试试验,分析了外掺料（矿渣粉、粉煤灰）对混凝土耐久性的影响,通过研究得出如下结论：

（1）经过长时间的暴露后,对于离暴露面深度大于15 mm部位处氯离子浓度,纯水泥混凝土要高于掺矿渣粉混凝土和掺粉煤灰混凝土。而离暴露面深度小于15 mm 部位处氯离子发生的是对流反应,即在长时间的暴露条件下,氯离子在此部位混凝土里出现了双向传输。

（2）以氯离子在对流层浓度为指标,能够看出素混凝土的密实程度要低于有外掺料的高性能混凝土；氯离子在纯水泥混凝土样品里的入渗距离大于50 mm,而氯离子在外掺料高性能混凝土里的入渗距离在30 mm 左右,说明外掺料（矿渣粉、粉煤灰）代替水泥,能够大大减少氯离子在混凝土里存在的数量,还可以缩短氯离子的入渗距离,避免对混凝土的更深处造成损伤。

（3）扩散系数表明,水泥用矿渣粉（含量60%）或粉煤灰（含量30%）进行替代,能够使大龄期下氯离子表观扩散系数在很大程度上被削弱,削弱程度高达75%,也证实了用矿渣粉与粉煤灰替代部分水泥能够在很大程度上减小混凝土里氯离子的运动速度,有很好的改良效果。