熱帶沙漠沿海氣候區(qū)大體積混凝土耐久性評價方法及指標研究

陳文波，銀曉鵬，張彪（內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010020）

熱帶沙漠沿海氣候區(qū)大體積混凝土耐久性評價方法及指標研究

陳文波，銀曉鵬，張彪
（內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010020）

以熱帶沙漠沿海氣候區(qū)多哈新港為工程背景，調(diào)研了國內(nèi)外混凝土抗氯離子性能、抗硫酸鹽侵蝕性能,以及碳化試驗方法評價標準及相關(guān)文獻，對比了每一種耐久性試驗方法的優(yōu)缺點、適用范圍以及評價指標等，為熱帶沙漠沿海氣候區(qū)大體積混凝土耐久性評價提供參考。

大體積混凝土;沙漠氣候;耐久性;指標調(diào)研

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.044

1 引言

多哈新港地處卡塔爾MASAEED工業(yè)城內(nèi)，離多哈市市區(qū)40km，處于典型熱帶沙漠地區(qū)，具有氣溫高、溫差大、日照強以及相對濕度較小的突出特點。多哈新港是內(nèi)挖式港口，碼頭的岸線共長7845m，包括集裝箱碼頭、散貨碼頭、汽車碼頭、牲畜碼頭、海事碼頭等共11個碼頭。首先，多哈市為熱帶沙漠沿海氣候，該區(qū)域的土壤中富含氯離子，為了保證建筑物的使用壽命，要減少氯離子對混凝土的影響。其次，熱帶沙漠沿海氣候區(qū)域的土壤在含有大量氯離子的同時，硫酸鹽的含量也很高。與此同時，由于海水中也含有大量的硫酸鹽，我們要考慮到硫酸鹽對建筑物的侵蝕作用，研究混凝土受硫酸鹽的影響。另外，對于熱帶沙漠氣候區(qū)，由于其氣候條件惡劣，一旦混凝土構(gòu)件發(fā)生了碳化，鋼筋銹蝕開始發(fā)生，建筑物很容易受到侵蝕破壞，所以，熱帶沙漠氣候區(qū)混凝土的碳化預(yù)防和控制更加重要。鑒于此，本文分別查找、調(diào)研了國內(nèi)外混凝土抗氯離子性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、碳化試驗方法評價標準以及相關(guān)文獻[1～7]。對比了每一種耐久性試驗方法的優(yōu)缺點、適用范圍以及評價指標等，為熱帶沙漠沿海氣候區(qū)大體積混凝土耐久性評價提供參考。

2 混凝土抗氯離子性能試驗方法

2.1 電通量法

依據(jù)美國ASTMC1202標準和國標GB/T50082，試驗前準備直徑100mm，厚度50mm混凝土圓餅試塊和真空飽水設(shè)備。試驗時間為6h，首先將混凝土試樣處于真空飽水狀態(tài)，將其側(cè)面密封，放置并緊固于3.0%NaCl溶液和0.3MNaOH溶液鹽池中，通過對實驗過程中各個時刻相應(yīng)的電流值積分得到總電量值便可以用于評估混凝土的抗?jié)B透性。

2.2 快速電遷移方法（RCM法）

依據(jù)歐洲NTBuild492標準和國標GB/T50082以及土木學(xué)會標準CCES01—2004，試驗前準備混凝土圓柱試塊（直徑100mm、厚度50mm）和真空飽水設(shè)備或者Ca(OH)2溶液。試驗時間可以為6～69h，通常我們做24h的試驗。首先，制備10%NaCl溶液和0.3MNaOH溶液或5%NaCl溶液和0.2M NaOH溶液，將混凝土端部置于混合溶液中，測試一定時間后氯離子的侵入深度，并且通過計算混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子擴散系數(shù)得到混凝土的抗氯離子性能。

2.3 浸泡試驗方法

依據(jù)歐洲NTBuild443標準，試驗前準備直徑＞75mm，厚度60mm的混凝土圓柱體試塊和飽和Ca(OH)2溶液。試驗時間為35～40d。將混凝土試件側(cè)面和非測試面密封，放置于濃度為165g/L的NaCl濃溶液中，靜置規(guī)定的時間后將試件取出，并進行不同深度的磨粉取樣，根據(jù)測定的氯離子濃度回歸得到氯離子在混凝土中的穩(wěn)態(tài)擴散系數(shù)。

2.4 電阻率方法

依據(jù)歐洲標準推薦方法CHLORIEST—2005標準，試驗前準備厚度50mm的混凝土試塊和真空飽水設(shè)備。試驗時間為10s?；炷猎嚰啥酥糜诮涣麟姌O中，交流電的頻率為50～100kHz，施加的交流電流達到40mA，測量交流電壓，計算電阻率。

表1 混凝土抗氯離子性能試驗方法可靠性比較

上述幾種方法的相對精度如表1所示。鑒于上述結(jié)果和各種方法在工程中的應(yīng)用成熟程度，對于質(zhì)量控制的混凝土抗氯離子性能試驗方法比較如下：

1）電通量法比較成熟，操作簡單，試驗時間較能為工程接受，但是電通量法在評價含有大摻量礦物摻合料混凝土?xí)r有偏差，而熱帶沙漠混凝土中含有較大摻量的礦物摻合料，因此電通量法不能作為主要質(zhì)量控制方法。

2）RCM法工程應(yīng)用廣泛，其本身的可靠性能夠為工程接受，且試驗設(shè)備較為簡單，試驗時間6～69h（一般取24h）較為適中，可以作為質(zhì)量檢測的標準方法。

3）浸泡試驗方法較為成熟，其測量值作為混凝土氯離子擴散系數(shù)的真值廣為工程界接受，但其測試時間較長，使用的分析、測試設(shè)備比較復(fù)雜，該方法可以作為混凝土氯離子滲透性的基準試驗方法，用以校準快速試驗方法和其他試驗方法的測量值。

4）電阻率方法試驗設(shè)備簡單，測試效果穩(wěn)定，測試時間短，且能對同一試件反復(fù)測試，是理想的質(zhì)量控制標準試驗方法，只是目前相關(guān)研究較少，尚無標準測試設(shè)備。

3 混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗標準

3.1 國內(nèi)混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法標準

我國現(xiàn)行的混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗標準主要有GB/T 50082—2009。根據(jù)查閱和總結(jié)我國以往混凝土抗硫酸鹽腐蝕試驗標準，對幾種試驗標準進行對比發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗在以下方面存在一些差異。

1）試件尺寸的選擇

對比國內(nèi)的一些混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗，發(fā)現(xiàn)混凝土試件的尺寸差別很大。經(jīng)過統(tǒng)計主要有以下幾種：10mm×10mm× 30mm，10mm×10mm×60mm，25mm×25mm×280mm，25mm× 25mm×285mm，40mm×40mm×160mm，100mm×100mm× 100mm。不同尺寸的混凝土試件的試驗結(jié)果表明，當混凝土尺寸較小時，試驗結(jié)果的離散度越高，也就是說大尺寸的混凝土試件的實驗結(jié)果可靠度更高。同時，高禮雄等[5]進行的混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗結(jié)果表明，尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體混凝土被硫酸鹽侵蝕的速度小于40mm×40mm× 160mm的細長混凝土試件。

試件尺寸選擇主要是根據(jù)國內(nèi)的混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗標準（GB/T749—1965、GB/T2420—1981、GB/T749—2001）以及美國材料與測試協(xié)會的標準ASTM。而我國的普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準（GB/T50082—2009）已經(jīng)明確規(guī)定，在進行混凝土抗硫酸侵蝕試驗時，需采用100mm×100mm×100mm的立方體混凝土試塊。

2）養(yǎng)護制度

養(yǎng)護制度不僅會影響混凝土強度，還會影響混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能。在進行混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗時，除了采用28d和7d齡期的標準方法進行養(yǎng)護，還可以采用1d齡期的標準養(yǎng)護，1d之后再將混凝土試塊置于淡水中繼續(xù)養(yǎng)護。考慮到混凝土的性能受養(yǎng)護條件的影響，要想獲得實用的實驗結(jié)果，必須根據(jù)實際情況規(guī)范混凝土的養(yǎng)護制度，以此來提高試驗結(jié)果的對比性。

3）侵蝕溶液的種類

混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力還受到溶液中其他離子濃度的影響，比如Cl-可以抑制硫酸鹽腐蝕混凝土，所以同時含有SO42-和Cl-的溶液要比只含有SO42-溶液對混凝土的侵蝕性要弱。所以，混凝土在不同侵蝕溶液中抗硫酸鹽侵蝕的能力不同。現(xiàn)在一般采用的是不同濃度的Na2SO4溶液，但是在實際的工程中，混凝土在受到硫酸鹽侵蝕的同時，混凝土所處環(huán)境中的Mg2+、Cl-和NH4+會對硫酸鹽的侵蝕作用產(chǎn)生影響。所以，試驗工況和實際工況之間會有一定的誤差，這就使得我們的試驗結(jié)果不能完全適用于實際情況。為了提高試驗結(jié)果的可靠性，侵蝕溶液應(yīng)該根據(jù)實際工況做出調(diào)整。

4）加速試驗方法

目前，研究混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的試驗方法主要有兩種。一是現(xiàn)場試驗方法，現(xiàn)場試驗可以還原現(xiàn)場的實際工況，試驗結(jié)果可靠性高，缺點是試驗周期長且非常不經(jīng)濟，所以大多數(shù)的研究是采用實驗室加速試驗法。實驗室加速法通常有以下幾種：

（1）增加試件反應(yīng)面積?；瘜W(xué)反應(yīng)中相同量的固體參加反應(yīng)，固體表面積越大反應(yīng)速率越快，所以通過增加混凝土試件的表面積可以加快混凝土被硫酸鹽侵蝕的速度。但是在混凝土試塊的尺寸較小時，試驗結(jié)果的離散程度比較高。采用增加試件反應(yīng)面積加快反應(yīng)速率時，需計算試件的最優(yōu)尺寸，以此來提高實驗結(jié)果的準確性。

（2）提高侵蝕溶液的濃度。同樣，提高侵蝕溶液的濃度可以提高反應(yīng)速率。但是在進行混凝土抗硫酸鹽侵蝕的機理研究，不宜采用濃度過高的侵蝕溶液。并且，侵蝕溶液濃度的增加需要在一個合理的范圍內(nèi)，否則試驗的結(jié)果將不具備任何實用價值。

（3）增大結(jié)晶壓力，即采用干濕循環(huán)交替法來提高硫酸鹽侵蝕混凝土的速度。雖然干濕循環(huán)交替法已經(jīng)取得一定的社會效益，且可以研究混凝土各項強度指標的敏感度，但是在現(xiàn)實工況中，畢竟不存在干濕循環(huán)破壞，并且這種破壞方式還有可能改變混凝土抗硫酸鹽侵蝕的機理，所以采用干濕循環(huán)交替法加速反應(yīng)得到的實驗結(jié)果仍需要加以驗證。

（4）增大水灰比。水泥的滲透性跟水灰比密切相關(guān)，提高水灰比可以加速硫酸鹽的滲透。但是從目前的研究可以發(fā)現(xiàn)，當水灰比大于0.6時，同樣的試驗條件和方法得到的結(jié)果并不一致，所以通過增大水灰比來加快硫酸鹽侵蝕速度還具有一定的局限性。

5）評價指標

目前研究在評價混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能時主要有3種方法：一是試件的膨脹率。硫酸鹽侵蝕混凝土的產(chǎn)物有石膏和硫鋁酸鈣，生成物的體積比消耗掉的反應(yīng)物大得多，體積的變化導(dǎo)致混凝土膨脹開裂。因硫酸鹽侵蝕混凝土使得混凝土膨脹開裂導(dǎo)致破壞，所以一些學(xué)者認為可以采用膨脹率作為評價混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的指標。但是在現(xiàn)實工況中，混凝土在受到硫酸鹽侵蝕的同時還受到外力約束作用，所以實際工程中混凝土的膨脹率并不單單受硫酸鹽侵蝕的影響，單純地采用膨脹率來評價混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能并不具有合理性。二是質(zhì)量耐蝕系數(shù)。GB/T50082—2009明確規(guī)定了質(zhì)量耐蝕系數(shù)（Kw），該指標適用于干濕交替環(huán)境作用下的混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗，缺點是不能確定被硫酸鹽侵蝕后的混凝土試件的質(zhì)量。并且，試驗的結(jié)果很容易被制作方法及養(yǎng)護過程所影響。三是強度耐蝕系數(shù)。強度耐蝕系數(shù)分為抗壓強度耐蝕系數(shù)和抗折強度耐蝕系數(shù)，GB/T50082—2009中明確規(guī)定了以抗壓強度耐蝕系數(shù)作為評價指標。原因是由于硫酸在侵蝕混凝土過程中會生成鈣礬石，鈣礬石可以提高混凝土的抗折強度，所以，在確定抗折強度比時結(jié)果會受到鈣礬石的影響。

3.2 美國現(xiàn)行混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法標準

1）ASTMC452在硅酸鹽水泥中加入石膏，以此來加快水泥砂漿時間的膨脹。該法采用的是25mm×25mm×285mm的砂漿試件，試件養(yǎng)護大約24h后拆模，并測量尺寸。再將試件放于水中養(yǎng)護，14d后再次確認試件長度，算出試件的膨脹量。ASTMC452測試標準的試驗時間短，且實驗結(jié)果對C3A含量非常敏感。但是該方法不適用于混合水泥，因為混合水泥中的礦物添加物會在石膏與硅酸鹽水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之前產(chǎn)生水化反應(yīng)，該水化反應(yīng)會影響試件的膨脹量。ASTMC452只可以用于研究混凝土抗硫酸鹽侵蝕時的膨脹效應(yīng)，不能用于評估混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。

2）ASTMC1012采用固定水膠比的水泥漿，且測試前試件的平均強度必須達到20MPa，因此在該測試中可以忽略試件的強度性能與水泥組分的關(guān)系。首先制備50g/L的硫酸鈉溶液或者硫酸鎂溶液，將膠砂試件置于制備好的溶液中，試驗時間共6個月，定期測量試件尺寸確定膨脹量。當所測試的試件膨脹速度過快時，試驗時間可以少于6個月。通過試驗可以知道，試件的極限膨脹率受預(yù)期暴露條件的影響，對于中等暴露條件的硫酸鹽侵蝕試件，6個月后最大的膨脹率為0.1%；對于嚴重程度侵蝕暴露條件的試件，6個月的膨脹率應(yīng)小于0.05%。

ASTMC1012嚴格規(guī)定在試驗的過程中，硫酸鈉溶液的pH值應(yīng)該介于6～8。在每一個具體的膨脹測試階段都要更換試驗溶液。ASTMC1012試驗中的pH值和硫酸鹽的質(zhì)量分數(shù)都不穩(wěn)定，沒有接近暴露試驗條件，導(dǎo)致試件的劣化機制不同。

比較ASTMC1012和ASTMC452兩種硫酸鹽侵蝕試驗標準可知，ASTMC1012的模擬條件比ASTMC452更加接近實際暴露環(huán)境，因為與氫氧化鈣及水化C3A反應(yīng)的硫酸鹽是通過滲透進入混凝土的，在ASTMC1012標準試驗中可認為水泥已養(yǎng)護至絕大部分C3A完成水化。

3.3 混凝土碳化試驗標準

中國標準GB/T50082—2009適用于測定在一定濃度的二氧化碳氣體介質(zhì)中混凝土試件的碳化程度。歐洲標準EN 13295—2004適用于混凝土、砂漿、水泥漿體的抗碳化試驗。兩個標準詳細對比見表2。

表2 混凝土碳化標準GB/T50082—2009和EN13295—2004對比

4 結(jié)論

本文主要介紹了混凝土抗氯離子滲透、混凝土抗硫酸鹽侵蝕和混凝土碳化的國內(nèi)外不同的試驗標準，比較了不同標準方法的差異性，得到以下結(jié)論：

1）電通量法比較成熟，操作簡單，試驗時間較能為工程接受，其測量參數(shù)為電通量（庫倫），工程中作為混凝土抗氯離子滲透性能的標準試驗方法；浸泡方法較為成熟，其測量參數(shù)為氯離子擴散系數(shù)Dc（m2/s），是重要工程必需進行的標準試驗；電阻率法試驗設(shè)備簡單，測試效果穩(wěn)定，測試時間短，其測量參數(shù)為電阻率ρ（Ω·m）；RCM法的測量參數(shù)為氯離子擴散系數(shù)Dc（m2/s），與浸泡法的相關(guān)性較好，可靠性（可重復(fù)性和可重現(xiàn)性）能夠為工程接受。

2）國內(nèi)外混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法的差異主要有以下幾個方面：（1）試件的尺寸；（2）養(yǎng)護制度；（3）侵蝕溶液的種類和濃度；（4）試驗周期；（5）評價指標。評價指標是不同試驗方法的最大區(qū)別，評價指標主要包括了試件的膨脹率、質(zhì)量耐蝕系數(shù)和強度耐蝕系數(shù)。

3）混凝土碳化試驗方法中國標準和歐洲標準的主要差異有以下方面：（1）適用范圍；（2）試件規(guī)格和處理方法；（3）碳化箱環(huán)境（主要是溫度、濕度和二氧化碳濃度的差別）；（4）酚酞溶液的配制和濃度；（5）碳化深度測量方法。

【1】ASTMC1202—2012,StandardTestMethodforElectricalIndicationof Concrete'sAbilitytoResistChlorideIonPenetration[S].

【2】GB/T50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S].

【3】亢景富.混凝土硫酸鹽侵蝕研究中的幾個基本問題 [J].混凝土, 1995(3):9-18.

【4】高禮雄,姚燕,玲,等.水泥混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗方法的探討[J].混凝土，2004（10）：12-13,17.

【5】曹征良,袁雄洲,邢鋒,等.美國混凝土硫酸鹽侵蝕試驗方法評析[J].深圳大學(xué)學(xué)報(理工版),2006（3）：201-210.

【6】NevilleA.Theconfusedworldofsulfateattackonconcrete[J]. CementandConcreteResearch,2004,34(8):1275-1296.

【7】TixierR,MobasherB.ModelingofDamageincementbased materialssubjectedtoexternalsulphateattackⅡ:Comparison withexperiments[J].JournalofMaterialsinCivilEngineering MaterialsinCivilEngineering,2003,15(4):314-322.

Index Study and Durability Evaluation Method of Mass Concrete in CoastalTropical Desert Climate Zone

CHENWen-bo，YINXiao-peng，ZHANGBiao
（InnerMongoliaElectricPowerSurvey&DesignInstituteCo.Ltd.,Huhehaote010020，China)

According to the actual project Doha port of the tropical coastal desert climate, the evaluation criteria and the relevantliterature of concrete resistance to chloride ions, sulphate resistance, and performance test method for carbonation is investigated athome and abroad. The advantages and disadvantages and scope of application and evaluation index of each durability testmethod arecomparedtoprovide the referenceofmass concretedurabilityof tropical desert climate zonesalongthe coast.

massconcrete;desertclimate;durability;indexinvestigation

TU528.01

A

1007-9467（2016）12-0151-04

2016-06-03

陳文波（1982～），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，工程師，從事巖土工程設(shè)計與研究。