混凝土拌合物穩(wěn)定性及其對(duì)工程結(jié)構(gòu)耐久性影響的研究進(jìn)展

蔡渝新，劉清風(fēng)

(1.上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

混凝土因其生產(chǎn)成本低廉、原材料來(lái)源廣泛，并具有良好的工作性和耐久性能，被廣泛使用于工程建設(shè)之中.在各組成材料經(jīng)過(guò)拌合后而得到尚未凝結(jié)硬化的混凝土稱(chēng)為新拌混凝土，也稱(chēng)為混凝土拌合物.在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)幾何外形復(fù)雜、內(nèi)部布筋密集，常需要新拌混凝土具有足夠的流動(dòng)性易于施工，充分的穩(wěn)定性保證工程質(zhì)量.然而，目前關(guān)于新拌混凝土性能的研究主要集中在流動(dòng)性方面，而對(duì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法和影響因素的關(guān)注較少.

穩(wěn)定性是指新拌混凝土在攪拌、泵送、澆筑和振搗過(guò)程中各材料組分保持均勻分布的能力[1].穩(wěn)定性不良的常見(jiàn)表現(xiàn)形式為混凝土拌合物由于內(nèi)聚力不足，以及在重力等外力作用下因?yàn)楦鞣N材料密度的差異出現(xiàn)離析、沉降、泌水等現(xiàn)象[2-3].已有研究[4-8]表明，穩(wěn)定性不良會(huì)對(duì)硬化混凝土的外觀質(zhì)量、力學(xué)強(qiáng)度和耐久性能產(chǎn)生負(fù)面影響，例如容易出現(xiàn)收縮和開(kāi)裂、力學(xué)強(qiáng)度下降、抗化學(xué)物質(zhì)侵蝕能力降低等，這些都不利于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期服役壽命.因此，針對(duì)混凝土拌合物穩(wěn)定性對(duì)工程結(jié)構(gòu)耐久性影響的相關(guān)研究應(yīng)該引起足夠重視.

本文將圍繞混凝土拌合物穩(wěn)定性及其對(duì)工程結(jié)構(gòu)耐久性能的影響展開(kāi)分析和討論，首先介紹關(guān)于評(píng)價(jià)混凝土拌合物穩(wěn)定性的試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，然后從原材料性能、配合比設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工因素三個(gè)層面探討影響穩(wěn)定性的各種因素，最后系統(tǒng)闡述混凝土拌合物穩(wěn)定性對(duì)工程結(jié)構(gòu)耐久性的影響，包括混凝土保護(hù)層滲透性、鋼筋-混凝土界面缺陷和鋼筋銹蝕起始時(shí)間三個(gè)方面.

1 混凝土拌合物穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

關(guān)于穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法尚沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際操作時(shí)應(yīng)結(jié)合多種方法綜合考慮，進(jìn)而更為準(zhǔn)確地評(píng)估混凝土拌合物的穩(wěn)定性.在本章節(jié)中，將詳細(xì)介紹目前常用的一些試驗(yàn)方法，以及近些年發(fā)展起來(lái)的數(shù)值模擬方法.

1.1 抗離析性圓柱試驗(yàn)

根據(jù)ASTM C1610/C1610M-21[9]，在抗離析性圓柱模試驗(yàn)中，先將適量混凝土拌合物裝入如圖1所示圓柱模中，然后靜置 15 min，期間切勿敲打模具和振搗.圓柱模從上到下分為三部分，各層逐一打開(kāi)圓柱模，去掉中間部分，將上層和下層模具中混凝土拌合物試樣分別放在4.75 mm方孔篩上沖洗凈砂漿，再用吸水布將粗骨料擦干為面干狀態(tài)，最后稱(chēng)量留在篩上的粗骨料質(zhì)量.該方法通過(guò)計(jì)算圓柱模內(nèi)上層和下層粗骨料的質(zhì)量差來(lái)評(píng)價(jià)混凝土拌合物的穩(wěn)定性，并將離析百分?jǐn)?shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo).

圖1 抗離析性圓柱模示意圖[9]

離析百分?jǐn)?shù)可由式(1)得，該值越接近0，說(shuō)明混凝土穩(wěn)定性越好；該值越大，說(shuō)明混凝土拌合物離析的趨勢(shì)越明顯.一般認(rèn)為，當(dāng)離析百分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，混凝土拌合物容易出現(xiàn)較為明顯的離析現(xiàn)象.

(1)

式中：S為離析百分?jǐn)?shù)，%；CAT為上層模具中粗骨料的質(zhì)量，kg；CAB為下層模具中粗骨料的質(zhì)量，kg.

1.2 GTM篩穩(wěn)定性試驗(yàn)

在GTM篩穩(wěn)定性試驗(yàn)中，從500 mm高度處將約5 kg混凝土拌合物連續(xù)緩慢倒入4.75 mm方孔篩中，靜置2 min后稱(chēng)量通過(guò)篩子的砂漿質(zhì)量，并由式(2)計(jì)算得到砂漿通過(guò)率.砂漿通過(guò)率越大，說(shuō)明混凝土拌合物穩(wěn)定性越差.

SR=(m/M)×100%

(2)

式中：SR為砂漿通過(guò)率，%；m為通過(guò)篩子的砂漿質(zhì)量，kg；M為初始混凝土拌合物的質(zhì)量，kg.

在該方法基礎(chǔ)上，Nili和Razmara[10]開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的裝置用于測(cè)試混凝土拌合物的穩(wěn)定性，如圖2所示.

圖2 改進(jìn)的穩(wěn)定性篩分試驗(yàn)裝置[10]

該裝置左側(cè)部分用于評(píng)價(jià)混凝土拌合物的間隙通過(guò)性，右側(cè)部分則用于評(píng)價(jià)抗離析能力.在進(jìn)行抗離析試驗(yàn)時(shí)，裝置底部預(yù)先設(shè)計(jì)的孔洞先由一塊滑板封閉，然后倒入混凝土拌合物讓其自由流動(dòng)，再垂直插入隔板并打開(kāi)底部滑板，砂漿則通過(guò)孔洞被收集到托盤(pán)之中并稱(chēng)重.最后，通過(guò)計(jì)算通過(guò)砂漿質(zhì)量與初始混凝土拌合物質(zhì)量之比來(lái)評(píng)判新拌混凝土穩(wěn)定性的好壞.總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)這種方法來(lái)評(píng)價(jià)混凝土拌合物的穩(wěn)定性簡(jiǎn)單易行，但需注意混凝土拌合物倒入裝置時(shí)的初始高度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較大，且存在測(cè)得的砂漿通過(guò)率雖然較低但在視覺(jué)上卻能看出混凝土出現(xiàn)明顯離析現(xiàn)象的個(gè)別特殊情況[11].

1.3 離析探針試驗(yàn)

離析探針?lè)ㄊ窍葘⒒炷涟韬衔锏谷胫睆?50 mm、高300 mm圓柱體容器中，靜置2 min后，將測(cè)量探針裝置(見(jiàn)圖3(a))輕放于混凝土上表面使其自動(dòng)下沉1 min，以其下沉深度來(lái)評(píng)估混凝土拌合物的穩(wěn)定性[12].探針下沉深度越大，說(shuō)明骨料沉降越嚴(yán)重，上表面漿體層越厚，即混凝土拌合物穩(wěn)定性越差.使用該方法對(duì)混凝土拌合物穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.值得注意的是探針下沉深度的大小受水泥漿體的塑性粘度和密度的影響較大，因?yàn)榫哂休^高塑性粘度和密度的漿體對(duì)抗外部干擾的能力更強(qiáng)，從而使混凝土拌合物表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性.

表1 離析探針?lè)ǖ脑u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12]

圖3 離析探針示意圖

與抗離析性圓柱模和GTM篩穩(wěn)定性試驗(yàn)相比，離析探針?lè)ǜ臃奖憧旖荩錅y(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果也容易受到骨料含量和形狀的影響，并且由于漿體中阻力分布的不均勻，試驗(yàn)時(shí)探針容易發(fā)生傾斜.鑒于此，Shen等[13]開(kāi)發(fā)了一種改進(jìn)的離析探針(見(jiàn)圖3(b))，較好地解決了探針傾斜的問(wèn)題，使其對(duì)穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確.另外，El-Chabib和Nehdi[14]在原始離析探針的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一種包含四個(gè)探頭的穩(wěn)定性測(cè)試裝置，該裝置可在混凝土表面的不同位置處進(jìn)行試驗(yàn)，并提高了測(cè)試速度.

1.4 電導(dǎo)率試驗(yàn)

新拌混凝土的電導(dǎo)率變化與內(nèi)部離子組成和固相體積分?jǐn)?shù)的變化有關(guān)，其變化規(guī)律能反映出材料組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化.因此，利用該原理測(cè)試混凝土不同高度處的電導(dǎo)率差異可以表征因離析引起的骨料和漿體的分離程度.根據(jù)離子濃度的變化，Khayat等[15]提出了三個(gè)評(píng)價(jià)穩(wěn)定性的指標(biāo)，包括離析指數(shù)(SI)、泌水指數(shù)(BI)和均勻性指數(shù)(HI).離析指數(shù)(SI)定義為試驗(yàn)過(guò)程中底部電極的電導(dǎo)率值與所有電極的平均電導(dǎo)率值的累積面積除以測(cè)試時(shí)間；泌水指數(shù)(BI)定義為試驗(yàn)過(guò)程中頂部電極的電導(dǎo)率值與所有電極的平均電導(dǎo)率值的累積面積除以測(cè)試時(shí)間；均勻性指數(shù)(HI)定義為試驗(yàn)過(guò)程中頂部電極和底部電極的電導(dǎo)率值的累積面積除以測(cè)試時(shí)間.

在該方法的理論基礎(chǔ)上，Mesbah等[16]和Nili等[17]分別開(kāi)發(fā)了類(lèi)似的電導(dǎo)率試驗(yàn)裝置用于評(píng)價(jià)混凝土拌合物的穩(wěn)定性，其中的主要區(qū)別在于所使用的電極的數(shù)量和安裝位置不同，如圖4所示.電導(dǎo)率法評(píng)價(jià)穩(wěn)定性的精確度相對(duì)較高，不過(guò)所需的試驗(yàn)儀器較為復(fù)雜，而這些儀器在工地現(xiàn)場(chǎng)并不容易獲得，所以該方法大多在實(shí)驗(yàn)室中使用.

圖4 電導(dǎo)率試驗(yàn)裝置

1.5 數(shù)值模擬方法

近些年，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)值算法的高速發(fā)展，數(shù)值模擬方法在土木工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[18-23].Cai等[24]基于Stokes定律、隨機(jī)迭代算法、以及分段篩分試驗(yàn)對(duì)流變參數(shù)進(jìn)行校正等，建立了三維新拌混凝土數(shù)值模型以研究振搗條件下骨料沉降的穩(wěn)定性問(wèn)題，如圖5所示.基于該模型，對(duì)一系列影響因素，例如振搗時(shí)間、骨料密度、骨料粒徑、混凝土拌合物塑性粘度等對(duì)骨料沉降的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模型的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證.同時(shí)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法探究了各個(gè)因素對(duì)骨料沉降的影響權(quán)重.該方法為可視化研究骨料沉降規(guī)律，進(jìn)而更好地理解與評(píng)估新拌混凝土穩(wěn)定性提供了一種新的途徑.

圖5 數(shù)值模擬新拌混凝土中骨料沉降(試件尺寸單位為mm)[24]

此外，Xu和Li[25]提出了一個(gè)由骨料顆粒和砂漿顆粒組成的兩相流體模型，通過(guò)賦予骨料和砂漿這兩相不同的密度和流變參數(shù)，并分別考慮了骨料與骨料、骨料與砂漿和砂漿與砂漿之間的相互作用，研究了新拌混凝土中骨料的離析和沉降，同時(shí)分析了骨料性質(zhì)和流變參數(shù)對(duì)于混凝土拌合物穩(wěn)定性的影響.

總體而言，抗離析性圓柱試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果較為可靠，但試驗(yàn)操作也較為繁瑣.GTM篩穩(wěn)定性試驗(yàn)和離析探針試驗(yàn)操作方便快捷，但測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性易受到外界因素干擾.電導(dǎo)率試驗(yàn)作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)混凝土拌合物穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)結(jié)果是可靠的，但其更多應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室中.相比于傳統(tǒng)試驗(yàn)方法，數(shù)值模擬方法在評(píng)價(jià)混凝土拌合物穩(wěn)定性的研究中不僅具有節(jié)約原材料、省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)，還便于可視化、參數(shù)化研究，但是在建模之前需知道混凝土材料和流變參數(shù)信息.

2 影響混凝土拌合物穩(wěn)定性的因素

影響混凝土拌合物穩(wěn)定性的因素很多，本章節(jié)將從原材料性能(骨料和摻合料)、配合比設(shè)計(jì)(水膠比和減水劑用量)和現(xiàn)場(chǎng)施工因素(攪拌、泵送、澆筑和振搗)三個(gè)層面展開(kāi)分析與討論.

2.1 原材料性能

骨料是制備混凝土?xí)r所需用量最多的原材料，其密度、粒徑、級(jí)配、形狀等對(duì)混凝土拌合物的穩(wěn)定性都起著重要的作用.在大多數(shù)情況下，制備混凝土?xí)r使用密度大于漿體的普通骨料.Navarrete和Lopez[26]研究發(fā)現(xiàn)，由于骨料所受重力隨骨料密度的增大而增加，骨料沉降速率與骨料和砂漿之間的密度差呈線性關(guān)系，密度差異越大，混凝土拌合物穩(wěn)定性越差.當(dāng)使用輕骨料時(shí)，由于其密度小于漿體，骨料將發(fā)生上浮的情況[27].Safawi等[28]比較了骨料粒徑為5～13 mm和13～20 mm混凝土拌合物的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在振搗作用下，大粒徑骨料發(fā)生離析和沉降的趨勢(shì)更明顯.因此，對(duì)于普通骨料混凝土而言，降低骨料密度和最大粒徑均可以有效改善其穩(wěn)定性.

與此同時(shí)，使用級(jí)配良好的骨料也可以提高混凝土拌合物的穩(wěn)定性，其原理在于堆積填充效應(yīng)，即最大可能利用小粒徑骨料抵抗中等粒徑骨料的沉降，從而阻礙大粒徑骨料的沉降[29-30].此外，骨料形狀會(huì)通過(guò)影響骨料顆粒之間的“交聯(lián)”結(jié)構(gòu)和相互作用力，進(jìn)而影響混凝土拌合物的穩(wěn)定性[31].在骨料密度和粒徑一致的情況下，具有粗糙表面特征的碎石骨料比表面相對(duì)光滑的卵石骨料受到漿體的阻力更大，抵抗離析和沉降的能力更強(qiáng)[32].

為改善混凝土材料性能，摻合料在現(xiàn)代混凝土中的應(yīng)用逐漸廣泛.摻合料的種類(lèi)不同，對(duì)混凝土拌合物穩(wěn)定性的影響也不相同，主要是因?yàn)椴煌瑩胶狭系膿饺雽?duì)混凝土或其漿體的流變特性的影響不同，兩種或兩種以上摻合料混摻時(shí)的影響更為復(fù)雜.一般認(rèn)為，有助于增加拌合物塑性粘度和屈服應(yīng)力的摻合料可以改善新拌混凝土的穩(wěn)定性，另外摻合料自身的形態(tài)、粒度分布等也會(huì)影響穩(wěn)定性的好壞[33-35].Mahdikhani和Ramezanianpour[36]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于硅灰細(xì)度高、比表面積大，使用硅灰替代部分水泥可以顯著提高拌合物塑性粘度和屈服應(yīng)力，對(duì)新拌混凝土有明顯的穩(wěn)定作用，特別是在高水膠比的情況下.相反，Amini等[37]研究發(fā)現(xiàn)，摻加粉煤灰會(huì)增加混凝土拌合物的離析指數(shù)，這是因?yàn)榉勖夯以谖⒂^尺度下為表面光滑的球形顆粒，加入混凝土中會(huì)減小各種原材料顆粒之間的摩擦阻力，從而降低拌合物的塑性粘度和屈服應(yīng)力.

2.2 配合比設(shè)計(jì)

通常來(lái)講，新拌混凝土的流動(dòng)性與穩(wěn)定性是一對(duì)相互矛盾的性質(zhì)，強(qiáng)調(diào)流動(dòng)性往往會(huì)影響混凝土拌合物的穩(wěn)定性，而過(guò)分保證穩(wěn)定性則很可能導(dǎo)致流動(dòng)性降低，兩者不能兼顧.在配合比設(shè)計(jì)中，水膠比作為控制新拌混凝土流動(dòng)性的主要參數(shù)，其變化對(duì)穩(wěn)定性也有著重要影響.Libre等[38]研究發(fā)現(xiàn)，在相同減水劑用量情況下，增大水膠比在增加新拌混凝土流動(dòng)性的同時(shí)，也增加了拌合物的離析指數(shù).同樣地，El-Chabib和Nehdi[14]也認(rèn)為增加混凝土水膠比會(huì)使穩(wěn)定性降低，特別是當(dāng)水膠比大于0.45時(shí)，這種影響更為顯著.然而，混凝土拌合物的穩(wěn)定性并不是隨水膠比越低越好.在Esmaeilkhanian等[39]的試驗(yàn)中，當(dāng)水膠比從0.40降低至0.33時(shí)，混凝土拌合物穩(wěn)定性得到了明顯改善，但進(jìn)一步將水膠比降低至0.27，穩(wěn)定性的改善程度有限.另外，Wong和Kwan[40]認(rèn)為，當(dāng)水膠比過(guò)低時(shí)會(huì)減小拌合物的內(nèi)聚力，并增加漿體中的空隙率，進(jìn)而對(duì)新拌混凝土的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響.

同樣地，減水劑的使用雖然可以增大新拌混凝土的流動(dòng)性，但摻量過(guò)大在一定程度上也會(huì)降低穩(wěn)定性，這是因?yàn)殪o電斥力作用、空間位阻效應(yīng)會(huì)增大顆粒之間的排斥力和降低屈服應(yīng)力[41-43].El-Chabib和Nehdi[14]、Feneuil等[44]研究發(fā)現(xiàn)減水劑摻量越大，混凝土拌合物離析程度越明顯，但當(dāng)原材料顆粒對(duì)減水劑的吸附量達(dá)到飽和時(shí)，減水劑對(duì)穩(wěn)定性的影響變小.不過(guò)，Libre等[38]認(rèn)為相比于通過(guò)增大水膠比來(lái)增加新拌混凝土的流動(dòng)性，使用減水劑對(duì)拌合物穩(wěn)定性的影響更小.在他們的試驗(yàn)中，同樣是增大10 mm的坍落擴(kuò)展度，采用更高水膠比會(huì)使混凝土拌合物離析指數(shù)增加7.5%，而使用更多減水劑僅使離析指數(shù)增加2.6%.

2.3 現(xiàn)場(chǎng)施工因素

在實(shí)際施工中，混凝土的攪拌、泵送、澆筑和振搗過(guò)程均會(huì)對(duì)其穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響.Amini等[37]和Mehdipour等[45]研究發(fā)現(xiàn)，攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)破壞水泥漿體的絮凝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致顆粒之間內(nèi)聚力、以及拌合物塑性粘度和屈服應(yīng)力降低，從而降低新拌混凝土的穩(wěn)定性.新拌混凝土在泵送過(guò)程中的穩(wěn)定性與其流變特性密切相關(guān)，據(jù)有關(guān)報(bào)道[46-47]，混凝土拌合物的塑性粘度會(huì)在泵送過(guò)程中下降，且其降低程度隨泵送時(shí)間的增加而增加，而泵送對(duì)屈服應(yīng)力的影響還有待進(jìn)一步研究.Spangenberg等[48]發(fā)現(xiàn)在混凝土澆筑完成后，骨料體積分?jǐn)?shù)大致表現(xiàn)出隨離卸料點(diǎn)距離的增大而減小的趨勢(shì)，且大粒徑骨料傾向于離卸料點(diǎn)的位置更近，而當(dāng)澆筑速率較高時(shí)，骨料顆粒的分布更均勻.

一般認(rèn)為，屈服應(yīng)力可在一定程度上能防止骨料出現(xiàn)離析和沉降，但在振搗作用下，振動(dòng)能量的輸入克服了原材料顆粒之間的相互作用力，且會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切場(chǎng)，使拌合物屈服應(yīng)力顯著降低甚至消失，不利于新拌混凝土的穩(wěn)定性[49-50].Cai等[24]和Petrou等[51]研究發(fā)現(xiàn)，隨著振搗時(shí)間的增加，骨料發(fā)生離析和沉降的程度越明顯.另外，振搗時(shí)的振幅越大，對(duì)混凝土拌合物的穩(wěn)定性越不利[52-53].當(dāng)振搗結(jié)束時(shí)，屈服應(yīng)力會(huì)立即恢復(fù)，運(yùn)動(dòng)的骨料將立刻變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)[54].綜上，現(xiàn)場(chǎng)施工的各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)該嚴(yán)格把關(guān)，在避免混凝土攪拌和振搗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的同時(shí)，也應(yīng)注意泵送和澆筑階段中的施工工藝.

3 穩(wěn)定性對(duì)工程結(jié)構(gòu)耐久性的影響

在凝結(jié)硬化后，穩(wěn)定性問(wèn)題不僅對(duì)混凝土質(zhì)量和力學(xué)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，更重要的是會(huì)威脅到鋼筋混凝土的耐久性能，進(jìn)而縮短工程結(jié)構(gòu)的服役壽命.本章節(jié)將從穩(wěn)定性對(duì)混凝土保護(hù)層滲透性、鋼筋-混凝土界面缺陷和鋼筋銹蝕起始時(shí)間三個(gè)方面的作用機(jī)理展開(kāi)系統(tǒng)闡述.

3.1 混凝土保護(hù)層滲透性

當(dāng)環(huán)境中的氯離子通過(guò)混凝土保護(hù)層到達(dá)鋼筋表面之后，會(huì)與鋼筋發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鈍化膜局部破壞進(jìn)而引起鋼筋銹蝕[55-59].在這個(gè)過(guò)程中，混凝土保護(hù)層滲透性對(duì)鋼筋的保護(hù)作用顯得十分重要.Gao等[7]通過(guò)改變水膠比和減水劑用量設(shè)計(jì)了六組不同穩(wěn)定性的混凝土拌合物，并分別采用0.8 mm和1.1 mm兩種不同振幅的振搗棒進(jìn)行振搗密實(shí)，振搗時(shí)間分別為15 s和30 s，最終獲得150 mm×150 mm×366±4 mm尺寸的混凝土試件.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，使用切割機(jī)將混凝土試件沿澆筑高度方向平均切成三部分，然后在試件頂部和底部混凝土中分別取樣進(jìn)行電通量試驗(yàn)來(lái)測(cè)試混凝土保護(hù)層的氯離子滲透性，結(jié)果如表2所示.同時(shí)，提出式(3)對(duì)氯離子滲透性沿澆筑高度方向的差異率進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖6所示.

表2 混凝土頂部和底部的電通量結(jié)果[7]

圖6 混凝土頂部和底部之間的氯離子滲透性差異率[7]

(3)

式中：SCl為氯離子滲透性沿混凝土澆筑高度方向的差異率，%；CT為試件頂部混凝土的電通量，C；CB為試件底部混凝土的電通量，C.

從表2中可以看到，混凝土試件頂部的電通量結(jié)果總是大于試件底部，說(shuō)明試件頂部的氯離子滲透性更大.這主要是由于新拌混凝土的離析、沉降和泌水，骨料下沉，漿體和氣泡上浮，使得位置較高處混凝土骨料含量更少、孔隙率更大，導(dǎo)致抗氯離子滲透性能較差.同時(shí)，更多的粗骨料沉積在混凝土底部，“曲折效應(yīng)”和“稀釋效應(yīng)”會(huì)降低混凝土底部區(qū)域氯離子的擴(kuò)散和傳輸性能[60-62].另外，由圖6可知，試件頂部和底部的氯離子滲透性沿澆筑高度方向的差異率隨振搗的振幅和時(shí)間的增加而增加，最大差異率可達(dá)到72.1%，并且振搗時(shí)間的影響程度比振幅更大.因此，振搗導(dǎo)致的骨料離析和沉降對(duì)工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期耐久性的影響應(yīng)引起重視，因?yàn)橥獠凯h(huán)境中的有害物質(zhì)更容易在混凝土試件頂部區(qū)域侵入，一旦鋼筋發(fā)生銹蝕，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹會(huì)使混凝土保護(hù)層開(kāi)裂破壞，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化.

Muslim等[63]研究了穩(wěn)定性對(duì)混凝土物質(zhì)傳輸和耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)盡管在混凝土澆筑過(guò)程中注意避免過(guò)度振搗，但內(nèi)部骨料還是會(huì)經(jīng)歷一定程度的離析和沉降，導(dǎo)致混凝土試件頂部的孔隙率和滲透性比底部的更高，即混凝土保護(hù)層對(duì)有害物質(zhì)入侵的抵抗能力隨著高度的增加而降低.Panesar和Shindman[8]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混凝土保護(hù)層不同部位處的耐久性能存在差異，由于在新拌階段離析和沉降現(xiàn)象的出現(xiàn)，硬化后混凝土頂部的氯離子滲透性、吸水性、凍融質(zhì)量損失和砂漿帶厚度都比底部的更大.同時(shí)，他們還指出即使是按照現(xiàn)行規(guī)范使用優(yōu)質(zhì)原材料和合理配合比制備的混凝土仍容易出現(xiàn)穩(wěn)定性不良的問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)硬化混凝土的傳輸性能和長(zhǎng)期耐久性造成不利影響.除此之外，在施工過(guò)程中由于新拌混凝土穩(wěn)定性不良，混凝土硬化后出現(xiàn)的蜂窩、麻面、露筋等缺陷，也會(huì)影響工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性.

3.2 鋼筋-混凝土界面缺陷

鋼筋-混凝土界面可以被看作是鋼筋混凝土中的第三相，在界面處形成的缺陷對(duì)工程結(jié)構(gòu)耐久性有著重要影響[64].Mohammed等[65]在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，水平布置鋼筋的底部在混凝土澆筑和振搗過(guò)程中容易形成一層泌水區(qū)，在水泥發(fā)生水化以后，該區(qū)域便會(huì)產(chǎn)生一些孔洞等缺陷.這是由于新拌混凝土穩(wěn)定性不良，各組分因密度差異沿澆筑高度方向發(fā)生相對(duì)移動(dòng)[1，66]：在重力作用下，骨料下沉到底部；在浮力作用下，漿體、氣泡向頂部遷移.特別是漿體和氣泡在上浮過(guò)程中遇到水平布置的鋼筋而運(yùn)動(dòng)受阻，聚集在鋼筋底部，當(dāng)混凝土凝結(jié)硬化后最終形成孔洞和空穴，即所謂的“界面缺陷”[67-68].

鋼筋-混凝土界面缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致界面處的孔隙率和滲透性顯著高于混凝土基體，成為結(jié)構(gòu)發(fā)生耐久性劣化的薄弱區(qū)域.Cai等[69]設(shè)計(jì)了兩組不同穩(wěn)定性的混凝土拌合物，離析百分?jǐn)?shù)、砂漿通過(guò)率分別為13.07%、8.11%和12.13%、5.19%，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，基于硝酸銀顯色法對(duì)鋼筋-混凝土界面的氯離子滲透性進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7.可以發(fā)現(xiàn)，由于離析和泌水引起的鋼筋-混凝土界面缺陷的存在，氯離子在界面處的滲透深度(特別是下界面)明顯大于混凝土基體，并且對(duì)于穩(wěn)定性越差的混凝土和布筋高度越高的鋼筋，其界面氯離子滲透性更大.

圖7 氯離子滲透深度試驗(yàn)結(jié)果[69]

Angst等[70]指出，對(duì)于穩(wěn)定性較差的混凝土，振搗過(guò)程中氣泡更容易上浮積存于水平鋼筋下方，且離析、泌水更為明顯，從而在鋼筋下方的界面內(nèi)形成更明顯的缺陷.Chen等[71]基于背散射電子(BSE)圖像也發(fā)現(xiàn)，在鋼筋與混凝土之間的界面處有一條“多孔帶”存在，其寬度與水膠比、混凝土保護(hù)層厚度等參數(shù)有關(guān)，并且鋼筋周?chē)亩嗫讕С什痪鶆蚍植?，鋼筋底部界面多孔帶區(qū)域的寬度明顯比頂部和側(cè)面界面的更大，如圖8所示.此外，Soylev和Fran?ois[72]、Zhang等[73]的研究表明，鋼筋-混凝土界面缺陷尺寸與澆筑時(shí)鋼筋下方的混凝土高度有關(guān)，布筋高度越高，鋼筋底部聚集的漿體和氣泡越多，泌水區(qū)面積變大，最終形成的界面缺陷也更大.

圖8 鋼筋-混凝土界面微觀結(jié)構(gòu)[71]

3.3 鋼筋銹蝕起始時(shí)間

氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早失效的首要因素[74-78]，因此，穩(wěn)定性問(wèn)題對(duì)鋼筋銹蝕起始時(shí)間的影響需重點(diǎn)關(guān)注.Cai等[79]認(rèn)為，由于新拌混凝土穩(wěn)定性不良出現(xiàn)離析和沉降，引起混凝土硬化后保護(hù)層的抗氯離子滲透性隨高度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，會(huì)導(dǎo)致布筋高度較高處的鋼筋在更早時(shí)間開(kāi)始發(fā)生銹蝕.他們?cè)O(shè)計(jì)了150 mm×150 mm×500 mm尺寸的鋼筋混凝土試件，布筋高度分別為50 mm、250 mm和450 mm，在僅考慮混凝土保護(hù)層由于穩(wěn)定性問(wèn)題引起的滲透性沿澆筑高度方向差異性的情況下，通過(guò)模型預(yù)測(cè)總結(jié)了不同穩(wěn)定性混凝土中各布筋高度位置鋼筋的銹蝕起始時(shí)間，結(jié)果如表3所示.可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一組混凝土，450 mm高度處鋼筋的銹蝕起始時(shí)間總是早于50 mm和250 mm高度處的鋼筋，并且當(dāng)振搗時(shí)間、骨料密度和骨料粒徑越大時(shí)，混凝土表現(xiàn)出更大的離析和沉降程度，使得不同布筋高度鋼筋的銹蝕起始時(shí)間之間的差異性變大.

表3 不同穩(wěn)定性混凝土中各布筋高度鋼筋的銹蝕起始時(shí)間[79]

值得注意的是，若將離析和泌水引起的鋼筋-混凝土界面缺陷也考慮進(jìn)去，不同布筋高度處鋼筋銹蝕起始時(shí)間之間的差異會(huì)表現(xiàn)得更大.Page[80]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氯離子易在鋼筋-混凝土界面處累積，導(dǎo)致鋼筋表面的局部區(qū)域在較早時(shí)間內(nèi)達(dá)到臨界氯離子濃度.Silva[81]研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕總是趨向于從鋼筋下表面先開(kāi)始發(fā)生，這是因?yàn)殇摻钕卤砻娓菀仔纬山缑嫒毕?Yu等[82]和Zhang等[83]在試驗(yàn)中同樣注意到了這一現(xiàn)象，他們發(fā)現(xiàn)即使氯離子擴(kuò)散到鋼筋下表面的路徑長(zhǎng)于擴(kuò)散到鋼筋上表面，鋼筋銹蝕也總是從鋼筋下表面先開(kāi)始發(fā)生.除此之外，Soylev和Fran?ois[72]、Hartt和Nam[84-85]還發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕總是趨向于在鋼筋-混凝土界面內(nèi)缺陷尺寸更大的地方先發(fā)生，并且界面缺陷尺寸越大，鋼筋銹蝕發(fā)展速率越快，由于鋼筋-混凝土界面缺陷尺寸與布筋高度呈正相關(guān)，導(dǎo)致布筋高度較高處的鋼筋更容易發(fā)生銹蝕.

4 結(jié)語(yǔ)與展望

本文首先介紹了關(guān)于混凝土拌合物穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法，然后從原材料性能、配合比設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工因素分析了影響穩(wěn)定性的因素，最后基于混凝土保護(hù)層滲透性、鋼筋-混凝土界面缺陷以及鋼筋銹蝕起始時(shí)間闡述了穩(wěn)定性對(duì)工程結(jié)構(gòu)耐久性的影響.總結(jié)和展望如下：

(1)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，且各方法之間的評(píng)價(jià)指標(biāo)存在差異，使得基于不同方法獲得的試驗(yàn)結(jié)果難以進(jìn)行直接比較.實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)結(jié)合多種方法綜合分析，才能更準(zhǔn)確地評(píng)估混凝土拌合物的穩(wěn)定性.同時(shí)，數(shù)值模擬方法具有省時(shí)省力和可視化研究的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展方向；

(2)骨料沉降速率與骨料密度和粒徑呈正相關(guān)，使用級(jí)配良好的碎石骨料、以及能改善拌合物流變性能的摻合料有助于提高混凝土穩(wěn)定性；配合比設(shè)計(jì)時(shí)減小水膠比和減水劑用量通常可以改善穩(wěn)定性，但其作用效果存在上限；現(xiàn)場(chǎng)施工中混凝土攪拌和振搗時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)引起明顯的穩(wěn)定性問(wèn)題；

(3)混凝土拌合物穩(wěn)定性不良一方面會(huì)引起混凝土保護(hù)層滲透性隨澆筑高度方向產(chǎn)生變化，導(dǎo)致位置較高處混凝土的抗氯離子滲透性能較差；另一方面，在鋼筋-混凝土界面處容易形成缺陷，布筋高度越高，界面處孔隙率和滲透性越大.在這兩方面因素共同作用下，布筋高度較高處的鋼筋易更早發(fā)生銹蝕；

(4)實(shí)際工程中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上表面常會(huì)暴露在氯離子、二氧化碳、水分環(huán)境中，若混凝土拌合物穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo)，硬化后會(huì)導(dǎo)致有害物質(zhì)更容易從外部環(huán)境侵入混凝土內(nèi)部，進(jìn)而引起耐久性問(wèn)題出現(xiàn).因此，混凝土拌合物穩(wěn)定性對(duì)工程結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役壽命的影響需引起重視，兩者間的相關(guān)性研究值得深入開(kāi)展.