鹽湖地區(qū)高性能混凝土耐久性與使用壽命預測方法研究

劉宏偉 孫彥廣 李威翰 楊華

【摘要】混凝土是建筑行業(yè)廣泛使用的材料，但在其使用過程中發(fā)現(xiàn)環(huán)境優(yōu)劣對其結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生不同影響。本文以鹽湖為例，鹽湖地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，會嚴重影響混凝土的耐久性，提出鹽湖地區(qū)高性能混凝土耐久性與使用壽命預測方法研究。在相關(guān)原材料的準備下，設(shè)計混凝土配合比，完善試件加載裝置后，進行加載碳化實驗和混凝土壽命預測實驗與計算方法，結(jié)果表明高強度的高性能混凝土具備抗壓、抗腐蝕和長壽命的特性。

【關(guān)鍵詞】城鹽湖;混凝土;耐久性;使用壽命

混凝土具有價格低、可塑性較強的優(yōu)勢，是現(xiàn)今應用最為廣泛的原材料。21世紀以后出現(xiàn)各式新型材料，但可以肯定的是混凝土在未來很長一段時間依然會是最廣泛的應用結(jié)構(gòu)之一。混凝土的廣泛使用，隨之產(chǎn)生的問題也需要我們解決，其中其耐久性問題就尤為突出[1]。鹽湖地區(qū)特殊的地理環(huán)境對混凝土的耐久性提出了挑戰(zhàn)，鹽類腐蝕、濕度侵蝕等都會對混凝土耐久性造成威脅，縮短混凝土的使用壽命。因此對于鹽湖地區(qū)的混凝土來說，研究其耐久性和使用壽命是極其有必要的。

1.鹽湖地區(qū)高性能混凝土耐久性與使用壽命預測方法

1.1使用原材料

水泥，以 48.5 級 P.III 型硅酸鹽水泥為最佳。粉煤灰，以細度為 0.029mm方孔為最佳。礦渣，要求是S98級產(chǎn)品[2]。鋁酸鹽混凝土膨脹劑，要求膨脹劑必須是由3%的高鋁熟料、2%的天然明礬和1%硬石膏組合碾壓而成。砂，以表觀密度 2915kg/m3，堆積密度1061kg/m3，緊密密度 1910kg/m3，空隙率 45%，含泥量0.9%，細度模數(shù)3.74，IIII區(qū)級配的中砂為最優(yōu)。石，要求最大粒徑 18mm，表觀密度2711kg/m3，堆積密度1200 kg/m3，空隙率 30%，含泥量為0，片狀顆粒的含量不得超過7.6%，壓碎指標需要高于 3.05%，屬于 5-18 連續(xù)區(qū)級配。高效減水劑，要求硫酸鈉含量小于1.8%，氯離子含量始終保持在0.01%以下[3]。

1.2混凝土配合比設(shè)計

由于中國鹽湖地區(qū)土質(zhì)中蘊含高濃度腐蝕離子，所以需要提高混凝土強度以提高其耐久性，進而延長其使用壽命。利用鹽湖地區(qū)豐富的粉煤灰與硅灰資源，本文提出了不同含氣量、強度等級、粉煤灰摻和量以及硅灰摻和量的混凝土。具體配合比如表1所示。

1.3試件加載裝置

試件主要由三分點負責實驗加載，利用螺栓的加固對混凝土試件加壓，在每一個鋼筋拉桿的上端均設(shè)置一個同樣規(guī)格的壓力環(huán)，以保證荷載固定。荷載的大小具體是借助和靜態(tài)電阻應變儀相接的壓力環(huán)，壓力環(huán)屬于全鋪線路，在啟動之前需要先行固定，這樣一來每個壓力環(huán)的荷載一應變就可以通過計算獲取。在加壓荷載時需要按照試件可承受最大荷載值進行調(diào)整，以確保每一個壓力環(huán)的應變值大小，最后如實讀取靜態(tài)電阻應變儀的讀數(shù)即可。

2.加載-碳化實驗方法

混凝土以 50×50×180mm3試件為標準，養(yǎng)護2d、4d、6d、28d或 90d。按照混凝土試件在不同養(yǎng)護期內(nèi)具備的抗折強度，來明確混凝土彎曲荷載率分別為 1%、25%、50%、80%。根據(jù)GBJ91-02 規(guī)范《高效能混凝土耐久性檢測試驗辦法》對混凝土試件進行-碳化[4]。養(yǎng)護期較短，粉煤灰摻和量較大、荷載較大情況下高效能混凝土的碳化較為顯著。對于荷載、養(yǎng)護期對混凝土碳化的影響其實在研究領(lǐng)域也是一個空白。所以，本文提出對養(yǎng)護期、荷載率以及粉煤灰摻和量、溫度對混凝土碳化進行探究，同時也需考慮到擴散系數(shù)依賴性、溫度高低以及施工變異性對碳化的次要影響。

2.1結(jié)構(gòu)混凝土壽命預測實驗與計算方法

前期準備完畢后，可以根據(jù)參數(shù)，設(shè)計一個簡單的計算程序?qū)炷林新入x子的濃度和使用壽命進行預測。以下具體過程：

第一步，浸烘循環(huán)，使配置好的混凝土在 80℃環(huán)境下烘烤1d，待冷卻至室溫后，放入腐蝕性（如硫酸鉀、高錳酸鉀）溶液中浸泡2d;

第二步，建立對應的混凝土動彈性模量變化規(guī)律。按照混凝土性能和環(huán)境作用表的指示，一旦混凝土不屬于國家規(guī)定內(nèi)容，那么就需要借助 5%的硫酸鈉液進行浸烘循環(huán)，待檢測出相對動彈性模量，根據(jù) 進行回歸計算，求取混凝土的性能變化，之后對其它因素一一進行復合。假設(shè)屬于其他氣候條件，即可相應作出調(diào)整;

第三步，按照鹽湖當?shù)氐臍夂颦h(huán)境，明確浸烘循環(huán)的加速指數(shù)。本文設(shè)定加速指數(shù);

第四步，混凝土最初氯離子的擴散指數(shù)：將混凝土放入強腐蝕性溶液中浸泡24h，如果腐蝕溶液內(nèi)的氯離子濃度偏低，那么需要另行添加 3.9%的Na Cl溶液中并延長浸泡時間，或者選擇浸烘循環(huán)45d，利用水溶法對混凝土中氯離子的濃度進行檢測，以初始 FICK 第二定律為準;

第五步，利用壓汞法檢測出和混凝土與水泥凈漿的孔徑分布和孔隙率（>12nm），本文選取最小孔徑代表混凝土的平均孔徑;

第六步，混凝土結(jié)合能力：選擇在強腐蝕性溶液中浸泡 80d，以第二步方法檢測混凝土的氯離子結(jié)合能力;

第七步，混凝土表面氯離子濃度：按公式（1）計算：

（1）

其中，代表混凝土表層氯離子濃度，代表強腐蝕性溶液中的最低濃度;

第八步，對于混凝土保護層需要著重進行調(diào)查，當保護層，其有效保護層厚度設(shè)為：;當 混 凝 土 保 護 層， 取變 異 系 數(shù)取值為，其有效保護層厚度為：;可一旦混凝土保護層發(fā)生裂紋等質(zhì)量問題，就必須加大變異系數(shù);

第九步，鋼筋銹蝕臨界值：本文選擇以混凝土重量的 0.08%為準;

第十步，按照上述環(huán)節(jié)，根據(jù)本文編制的計算機程序就可以求取混凝土中氯離子濃度分布及其使用壽命。

2.2實驗結(jié)果分析

2.2.1荷載+青海鹽湖鹵水復合作用下混凝土的損傷失效規(guī)律

我國鹽湖地區(qū)土質(zhì)中含有的高濃度腐蝕離子是造成當?shù)鼗炷列阅艹霈F(xiàn)下降的主要原因，混凝土在鹽湖的環(huán)境作用下，主要表現(xiàn)為鎂離子造成的混凝土結(jié)構(gòu)剝落性損傷[5]?；炷猎谳^大的荷載作用下，其的演變并沒有發(fā)生明顯變化，可荷載增加明顯加速混凝土的損傷老化速度。伴隨彎曲荷載率的提高，混凝土的耐久性降低，損傷過重。

2.2.2粉煤灰摻量對混凝土抗復合鹽損傷的影響

高性能混凝土的發(fā)展使得粉煤灰在其應用過程中被大量投入。在我國的鹽湖地區(qū)蘊含著較為豐富的粉煤灰資源，考慮到當?shù)貙炷聊途眯?，尤其是抗凍方面的要求，需要以不同粉煤灰摻和量和引氣相混合配制出高性能混凝土。本文以C50混凝土為準，粉煤灰以18%取代水泥用量分別為 15%、38%和 48%來研究粉煤灰的加入對混凝土的抗腐蝕能力的影響。顯然，F(xiàn)A=50%的混凝土表現(xiàn)最差，鹽湖中浸烘循環(huán)了500d，其重量降低到原本的76%;而FA=20%混凝土抗剝落性能最優(yōu)。粉煤灰摻量 48%的混凝土，其損失最大，最好為FA=20%的混凝土。

2.2.3氯離子的非線性結(jié)合問題對使用壽命的影響

本文研究得出一個結(jié)論，即混凝土對氯離子的結(jié)合是存在線性與非線性之分的，當混凝土表層保護層厚度分別為 3cm 和 8cm 時，線性和非線性結(jié)合能力對高性能鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命會產(chǎn)生不同影響?；炷令悇e有 OPC、APC、HSC 和 HPC。結(jié)果證明，當混凝土對氯離子的結(jié)合表現(xiàn)出非線性時，其使用壽命相比于線性結(jié)合就會出現(xiàn)減少。正是因為氯離子結(jié)合能力存在線性與非線性的差別，混凝土的使用壽命也隨之出現(xiàn)較大差別，考慮到非線性結(jié)合時，OPC、APC、HSC 和 HPC 的使用壽命分別是線性結(jié)合時使用壽命的 80%、18%、10%和 90%。所以，氯離子結(jié)合能力與非線性掛鉤時對 HPC使用壽命的影響是最小的。

3.結(jié)束語

本文對鹽湖地區(qū)高性能混凝土耐久性與使用壽命預測方法進行分析，依托鹽湖地區(qū)環(huán)境作用機制，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的性能與發(fā)揮，對其耐久性和使用壽命進行研究預測。結(jié)果表明，高強度的高性能混凝土同時具備抗壓、抗腐蝕和長壽命的特性。

參考文獻

[1] 姚燕，王玲，王振地等. 荷載與服役環(huán)境作用下混凝土耐久性的研究和進展[J]. 中國材料進展，2018，37（11）：855-865+879.

[2] 王蕭蕭，奇雨欣，劉曙光等. 鹽漬環(huán)境干濕循環(huán)下天然浮石混凝土的損傷[J]. 中國科技論文，2019，14（2）：188-192.

[3] 馬新偉，薛歡，祁錦明等. 基于氯離子滲透機制的超高性能混凝土生命周期預測[J]. 沈陽建筑大學學報（自然科學版），2018，34（1）：22-30.

[4] 董方園，鄭山鎖，宋明辰等. 高性能混凝土研究進展Ⅱ：耐久性能及壽命預測模型[J]. 材料導報，2018，32（3）：496-502+509.

[5] 馮忠居，陳思曉，徐浩等. 基于灰色系統(tǒng)理論的高寒鹽沼澤區(qū)混凝土耐久性評估[J]. 交通運輸工程學報，2018，18（6）：18-26.

（作者單位：青海民族大學 土木與交通學院）

【中圖分類號】U442.59

【文獻標識碼】A

【文章編號】1671-3362（2020）06-0063-03