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(guò)程中發(fā)現(xiàn)環(huán)境優(yōu)劣對(duì)其結(jié)構(gòu)也會(huì)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(huì)嚴(yán)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(yù)測(cè)方法研究。在相關(guān)原材料的準(zhǔn)備下，設(shè)計(jì)混凝土配合比，完善試件加載裝置后，進(jìn)行加載碳化實(shí)驗(yàn)和混凝土壽命預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法，結(jié)果表明高強(qiáng)度的高性能混凝土具備抗壓、抗腐蝕和長(zhǎng)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(jià)格低、可塑性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的原材料。21世紀(jì)以后出現(xiàn)各式新型材料，但可以肯定的是混凝土在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間依然會(huì)是最廣泛的應(yīng)用結(jié)構(gòu)之一?；炷恋膹V泛使用，隨之產(chǎn)生的問(wèn)題也需要我們解決，其中其耐久性問(wèn)題就尤為突出[1]。鹽湖地區(qū)特殊的地理環(huán)境對(duì)混凝土的耐久性提出了挑戰(zhàn)，鹽類(lèi)腐蝕、濕度侵蝕等都會(huì)對(duì)混凝土耐久性造成威脅，縮短混凝土的使用壽命。因此對(duì)于鹽湖地區(qū)的混凝土來(lái)說(shuō)，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(yù)測(cè)方法

1.1使用原材料

水泥，以 48.5 級(jí) P.III 型硅酸鹽水泥為最佳。粉煤灰，以細(xì)度為 0.029mm方孔為最佳。礦渣，要求是S98級(jí)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(xì)度模數(shù)3.74，IIII區(qū)級(jí)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(guò)7.6%，壓碎指標(biāo)需要高于 3.05%，屬于 5-18 連續(xù)區(qū)級(jí)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(jì)

由于中國(guó)鹽湖地區(qū)土質(zhì)中蘊(yùn)含高濃度腐蝕離子，所以需要提高混凝土強(qiáng)度以提高其耐久性，進(jìn)而延長(zhǎng)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(qiáng)度等級(jí)、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(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)加載，利用螺栓的加固對(duì)混凝土試件加壓，在每一個(gè)鋼筋拉桿的上端均設(shè)置一個(gè)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(yīng)變儀相接的壓力環(huán)，壓力環(huán)屬于全鋪線路，在啟動(dòng)之前需要先行固定，這樣一來(lái)每個(gè)壓力環(huán)的荷載一應(yīng)變就可以通過(guò)計(jì)算獲取。在加壓荷載時(shí)需要按照試件可承受最大荷載值進(jìn)行調(diào)整，以確保每一個(gè)壓力環(huán)的應(yīng)變值大小，最后如實(shí)讀取靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的讀數(shù)即可。

2.加載-碳化實(shí)驗(yàn)方法

混凝土以 50×50×180mm3試件為標(biāo)準(zhǔn)，養(yǎng)護(hù)2d、4d、6d、28d或 90d。按照混凝土試件在不同養(yǎng)護(hù)期內(nèi)具備的抗折強(qiáng)度，來(lái)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(cè)試驗(yàn)辦法》對(duì)混凝土試件進(jìn)行-碳化[4]。養(yǎng)護(hù)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(duì)于荷載、養(yǎng)護(hù)期對(duì)混凝土碳化的影響其實(shí)在研究領(lǐng)域也是一個(gè)空白。所以，本文提出對(duì)養(yǎng)護(hù)期、荷載率以及粉煤灰摻和量、溫度對(duì)混凝土碳化進(jìn)行探究，同時(shí)也需考慮到擴(kuò)散系數(shù)依賴性、溫度高低以及施工變異性對(duì)碳化的次要影響。

2.1結(jié)構(gòu)混凝土壽命預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法

前期準(zhǔn)備完畢后，可以根據(jù)參數(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算程序?qū)炷林新入x子的濃度和使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。以下具體過(guò)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(duì)應(yīng)的混凝土動(dòng)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(guó)家規(guī)定內(nèi)容，那么就需要借助 5%的硫酸鈉液進(jìn)行浸烘循環(huán)，待檢測(cè)出相對(duì)動(dòng)彈性模量，根據(jù) 進(jìn)行回歸計(jì)算，求取混凝土的性能變化，之后對(duì)其它因素一一進(jìn)行復(fù)合。假設(shè)屬于其他氣候條件，即可相應(yīng)作出調(diào)整;

第三步，按照鹽湖當(dāng)?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(kuò)散指數(shù)：將混凝土放入強(qiáng)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(zhǎng)浸泡時(shí)間，或者選擇浸烘循環(huán)45d，利用水溶法對(duì)混凝土中氯離子的濃度進(jìn)行檢測(cè)，以初始 FICK 第二定律為準(zhǔn);

第五步，利用壓汞法檢測(cè)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(qiáng)腐蝕性溶液中浸泡 80d，以第二步方法檢測(cè)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(jì)算：

（1）

其中，代表混凝土表層氯離子濃度，代表強(qiáng)腐蝕性溶液中的最低濃度;

第八步，對(duì)于混凝土保護(hù)層需要著重進(jìn)行調(diào)查，當(dāng)保護(hù)層，其有效保護(hù)層厚度設(shè)為：;當(dāng) 混 凝 土 保 護(hù) 層， 取變 異 系 數(shù)取值為，其有效保護(hù)層厚度為：;可一旦混凝土保護(hù)層發(fā)生裂紋等質(zhì)量問(wèn)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(zhǔn);

第十步，按照上述環(huán)節(jié)，根據(jù)本文編制的計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1荷載+青海鹽湖鹵水復(fù)合作用下混凝土的損傷失效規(guī)律

我國(guó)鹽湖地區(qū)土質(zhì)中含有的高濃度腐蝕離子是造成當(dāng)?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(méi)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(guò)重。

2.2.2粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗復(fù)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(yīng)用過(guò)程中被大量投入。在我國(guó)的鹽湖地區(qū)蘊(yùn)含著較為豐富的粉煤灰資源，考慮到當(dāng)?shù)貙?duì)混凝土耐久性，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(zhǔn)，粉煤灰以18%取代水泥用量分別為 15%、38%和 48%來(lái)研究粉煤灰的加入對(duì)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(wèn)題對(duì)使用壽命的影響

本文研究得出一個(gè)結(jié)論，即混凝土對(duì)氯離子的結(jié)合是存在線性與非線性之分的，當(dāng)混凝土表層保護(hù)層厚度分別為 3cm 和 8cm 時(shí)，線性和非線性結(jié)合能力對(duì)高性能鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命會(huì)產(chǎn)生不同影響?；炷令?lèi)別有 OPC、APC、HSC 和 HPC。結(jié)果證明，當(dāng)混凝土對(duì)氯離子的結(jié)合表現(xiàn)出非線性時(shí)，其使用壽命相比于線性結(jié)合就會(huì)出現(xiàn)減少。正是因?yàn)槁入x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(shí)，OPC、APC、HSC 和 HPC 的使用壽命分別是線性結(jié)合時(shí)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(shí)對(duì) HPC使用壽命的影響是最小的。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)鹽湖地區(qū)高性能混凝土耐久性與使用壽命預(yù)測(cè)方法進(jìn)行分析，依托鹽湖地區(qū)環(huán)境作用機(jī)制，根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的性能與發(fā)揮，對(duì)其耐久性和使用壽命進(jìn)行研究預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，高強(qiáng)度的高性能混凝土同時(shí)具備抗壓、抗腐蝕和長(zhǎng)壽命的特性。

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（作者單位：青海民族大學(xué) 土木與交通學(xué)院）

【中圖分類(lèi)號(hào)】U442.59

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）06-0063-03