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摘要
本文根据崇启大桥实际环境要求对混凝土的干缩及抗氯离子性能展开耐久性能研究。考虑了单掺粉煤灰60%(F60)、复合掺40％粉煤灰＋20％矿渣微粉 (F40S20)、复合掺30％矿渣微粉＋30％粉煤灰(F30S30)、单掺粉煤灰40％(F40)及不掺加掺合料的五组配合比。试验结果表明，各组大掺量混凝土配合比的干燥收缩均较低。矿物掺合料的掺入明显的减小了混凝土的收缩值，改善了混凝土抗裂性能。矿物掺合料的掺加有利于降低氯离子扩散系数，从而增加混凝土的抗氯离子侵蚀性。矿渣微粉对增加抗氯离子侵蚀性的作用高于粉煤灰的影响。
关键词 耐久性 干缩 氯离子 混凝土
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
Abstract:
In this paper, according to the actual environmental requirements chung rev. Bridge to the concrete shrinkage and anti-chloride ion performance on durability research. Considered the only mixed fly ash 60% (F60), compound mixing fly ash 40% + 20% GGBS (F40S20), compound mixing GGBS 30% + 30% fly ash (F30S30), single mixed fly ash 40% (F40) and not by adding admixtures 5 groups of mixture. Test results show that each group with greater proportion of concrete proportion of drying shrinkage were lower. The mineral admixtures with obvious reduced the concrete's shrinkage value, improve the concrete crack resistance. Of mineral admixture can be reduced by adding chloride diffusion coefficient, thus increasing the concrete anti-chloride ion aggressive. To increase GGBS anti-chloride ion aggressive role than the influence of fly ash.
Key words ：durability dry shrinkage of concrete chloride ion
一 引言
综合长江口北支环境调研和国内外海工混凝土结构劣化统计资料[1-4]可得，崇启大桥所在水域环境条件复杂，枯季水含盐量指标已接近正常海水状况，对混凝土结构耐久性提出了苛刻的要求。因此，有必要针对崇启大桥水域环境特点，并借鉴国内外近期成功的沿海工程实际经验[5-7]，开展崇启大桥混凝土氯盐、干缩下耐久性失效状况研究 [8]。本文根据相关标准研究了崇启大桥混凝土在各配合比条件下的氯盐、干缩下的耐久性能，为后面崇启大桥耐久性设计中防腐措施建议和阻锈剂的试验研究奠定基础。
二 原材料与配合比设计
优质的原材料是制备高性能的混凝土的基础，是优化混凝土配合比设计的前提，是混凝土良好的施工工作性、物理力学性能和耐久性的保证。为保证混凝土的耐久性，必须掺加一定的优质活性掺合料和高效外加剂，高效减水剂和优质活性掺合料已经成为高性能混凝土不可缺少的组份。只有选用优质、满足设计要求的原材料才能制备出性能优异的自密实混凝土，所以首先应对原材料的性能进行测试，根据原材料性能进行配合比的设计和优化。
2.1 原材料
水泥 水泥采用P.Ⅱ42.5R硅酸盐水泥，其物理、力学性能指标如表1所示。
粉煤灰 采用镇江谏壁Ⅰ级粉煤灰
磨细矿粉 选取S95级矿渣，该矿渣微粉流动性比较大，但活性相对较低。
细集料 细集料采用赣江中砂，细度模数为2.90，表观密度为2590kg∕m3，松散堆积密度为1520kg∕m3，，空隙率为41.3%。
粗集料湖北阳新产石灰石，5～25连续级配，表观密度为2700kg∕m3，松散堆积密度为1400kg∕m3。
减水剂 为保证高性能混凝土具有优良的工作性能，本试验依据泵送混凝土标准设计混凝土坍落度，选用具有缓凝效果的聚羧酸高效减水剂。
拌合用水 采用饮用自来水，其各项性能指标满足《混凝土拌合用水标准》要求。
2.2 混凝土配合比设计
根据综合分析、工程设计要求，拟选择以下混凝土配合比参数：水膠比：W/B=0.35，砂率Sp=38%；掺合材：单掺粉煤灰60%(F60)、复合掺40％粉煤灰＋20％矿渣微粉 (F40S20)、复合掺30％矿渣微粉＋30％粉煤灰(F30S30)、单掺粉煤灰40％(F40)；同时成型不掺加掺合料的对比组，并在各组配合比中添加适当的聚羧酸系高性能外加剂，其掺量以坍落度达到180±20mm来调节，即成型F0，F60，F40S20，F30S30，F40五组配合比，配合比如表2所示：
三 试验结果与讨论
3.1 混凝土干燥收缩变化规律
依据表2的配合比制备混凝土，依据GB50081-2002，试件成型1d后，拆模，置于标准养护室养护2天，然后放入20±2℃，相对湿度60±5%的恒温恒湿室进行收缩性能的测试，其测试结果如图1所示。典型龄期的测试结果如表3所示。
从图1可以看出，随着龄期的增长，收缩增大。从3d到28d，其收缩增长最大，其28d收缩值在（1.4～2.5）×10-4之间。随着龄期的进一步增长，收缩增长率减缓，到120d龄期收缩值增长至（1.9～3.5）×10-4之间。此后，收缩值的增长率降低，曲线基本趋于平滑，直至180d其收缩值也仅增长至（2.1～3.6）×10-4之间。总体说来，各组大掺量混凝土配合比的干燥收缩均较低，能较好的满足大体积混凝土的需要。单掺粉煤灰40%的F40组收缩最大，单掺粉煤灰60%的F60组收缩值最小，双掺组F40S20和F30S30两组测得的不同龄期的收缩值相近，且单掺组F60在各龄期的收缩值约为双掺组的65%。
图1各组混凝土的收缩率随龄期的变化规律
总体说来，各组大掺量混凝土配合比的干燥收缩均较低。单掺粉煤灰40%的F40组收缩最大，单掺粉煤灰60%的F60组收缩值最小，双掺组F40S20和F30S30两组测得的不同龄期的收缩值相近，均介于F40和F60组之间。矿物掺合料的掺入明显的减小了混凝土的收缩值，改善了混凝土抗裂性能。
置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小变形称为干燥收缩变形，是混凝土固有的性质。当混凝土处于自由状态时，干燥收缩不会导致什么不良后果，当混凝土处于不同程度约束状态的结构工程中，干燥收缩易引起混凝土开裂，影响混凝土强度和耐久性，这是在配制混凝土运用于工程当中应引起足够重视的。
影响混凝土干燥收缩的因素很多，主要包括：胶结材总用量、集料的性质、水胶比、胶集比、环境温湿度、测试试件的形状和尺寸、干燥时间等。混凝土的干燥收缩是在撤除养护后开始的，早期的收缩裂缝很细微，随着时间的推移，混凝土内部水分蒸发量和干燥收缩量加大，裂缝就逐渐明显起来。此种裂缝为表面的，宽度较细，多在0.05～0.2mm之间，走向纵横交错，没有规律性，裂缝分布不均匀，但对较薄的、板类构梁件或行架杆件，多沿短方向分布，整体结构多发生在结构变截面处。混凝土的干燥收缩开裂，主要是由于毛细管压力造成的。混凝土中的毛细管孔隙，在混凝土干燥过程中逐步失水，毛细管也逐步变形，产生很大的毛细管张力，混凝土产生体积收缩，如果混凝土中用水量增加，水灰比增大，毛细管也增多，混凝土体积收缩增大，会产生干燥收缩裂缝。混凝土发生收缩变形时，由于周围存在约束，内部产生应力（抗拉应力），这个应力超过混凝土材料的抗拉强度，就发生收缩开裂。
3.2混凝土抗氯离子渗透性变化规律
渗透性是衡量混凝土耐久性好坏的重要指标之一，传统的渗水法已不能适应现代高强或高性能混凝土的渗透性评价，故目前高性能混凝土常采用Cl-渗透法来评定混凝土抗渗性，同时可反应混凝土的抗氯离子侵蚀性。同时采用RCM-A法测量了各组配合比的28d、56d和90d氯离子扩散系数，测得各组配合比的实验结果如表4所示。
可以看出，对比组F0的28d氯离子扩散系数在2.2×10-12m2/s，而掺矿物掺合料各组混凝土试件的28d氯离子扩散系数均在0.3～1.0×10-12m2/s，仅为F0的20%～50%，可见矿物掺合料的掺加有利于降低氯离子扩散系数，从而增加混凝土的抗氯离子侵蚀性。双掺组F40S20和F30S30的氯离子扩散系数又大大低于单掺组F60，仅为F60的20%~30%左右。也由此可见矿渣微粉对增加抗氯离子侵蚀性的作用高于粉煤灰的影响。随着龄期的进一步增长，其氯离子扩散系数继续降低，对比组56d的氯离子扩散系数约为28d的50%，而掺加矿物掺合料后56d仅为28d的15～30%。依据GB/T50476-2008，当设计寿命为100年时，对于E类环境，28d龄期氯离子扩散系数DRCM应≤4.0×10-12m2/s。依据工程设计要求，承台混凝土84d 氯离子扩散系数DRCM应≤2.5×10-12m2/s，均可满足设计要求。分析认为，在混凝土中掺入粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺合料，对混凝土抗氯离子渗透性能起到改善作用主要归因于以下两个方面：
(1)矿物掺合料的掺入改善了混凝土内部的微观结构和水化产物的组成，混凝土孔隙率降低，孔径细化，使混凝土对Cl-渗透的扩散阻力提高。由于火山灰效应，减少了粗大晶体颗粒的水化产物Ca(OH)2的数量及其在水泥石-集料界面过渡区的富集与定向排列，优化了界面结构，并生成强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱度水化硅酸钙凝胶。同时掺合料粉末的密实填充作用会使水泥石结构和界面结构更加致密；
(2) 由于矿物掺合料中Al2O3含量一般高于纯水泥，较高含量的无定型Al2O3能与氯离子、Ca(OH)2生成Friedel盐，提高了混凝土对Cl-的物理吸附或化学结合能力，即固化能力。水泥石孔结构的细化使其对Cl-的物理吸附能力增强；二次水化反应生成的碱性较低的C-S-H凝胶也增强了结合Cl-的能力； 这些均有利于降低氯离子在混凝土中的渗透速度，提高混凝土的抗氯离子渗透的能力。
四 结论
根据崇启大桥所处实际环境，综合考虑原材料对混凝土结构耐久性影响，通过试验研究的方法研究各配比混凝土的干燥收缩性能、抗氯离子渗透性能的发展与变化规律，研究并探讨了不同配合比，不同材料组成的混凝土性能差异。试验结果表明，各组大掺量混凝土配合比的干燥收缩均较低。矿物掺合料的掺入明显的减小了混凝土的收缩值，改善了混凝土抗裂性能。矿物掺合料的掺加有利于降低氯离子扩散系数，从而增加混凝土的抗氯离子侵蚀性。矿渣微粉对增加抗氯离子侵蚀性的作用高于粉煤灰的影响。为后期研究提供参考与依据。
参考文献
[1] 陈肇元. 混凝土耐久性设计与施工指南[M].2004, 中国建筑工业出版社.
[2] 唐明述. 提高混凝土耐久性对节省资源、能源，保护环境意义重大(上)[J]. 科学中国人, 1999(4): 14-16.
[3] 唐明述. 关于水泥混凝土发展方向的几点认识[J].中国工程科学, 2002. 4(1): 41-45.
[4] ASCE. Report card for American's infrastructure. 2005 cited; Available from:http://www.asce.org/ reportcard/2005/index2005.cfm.
[5] 陳驹. 氯离子侵蚀作用下混凝土构件的耐久性[D].[硕士学位论文]. 杭州: 浙江大学建筑工程学院. 2002, 72.
[6] 唐明述. 节能减排工作应重视提高基建工程寿命[J]. 中国水泥, 2007: 24-28.
[7] 潘德强. 我国海港工程混凝土结构耐久性现状及对策[J]. 华南港工, 2003(2): 3-13.
[8] 吕清芳. 混凝土结构耐久性环境区划标准的基础研究[D].[博士学位论文].杭州: 浙江大学. 2007
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
本文根据崇启大桥实际环境要求对混凝土的干缩及抗氯离子性能展开耐久性能研究。考虑了单掺粉煤灰60%(F60)、复合掺40％粉煤灰＋20％矿渣微粉 (F40S20)、复合掺30％矿渣微粉＋30％粉煤灰(F30S30)、单掺粉煤灰40％(F40)及不掺加掺合料的五组配合比。试验结果表明，各组大掺量混凝土配合比的干燥收缩均较低。矿物掺合料的掺入明显的减小了混凝土的收缩值，改善了混凝土抗裂性能。矿物掺合料的掺加有利于降低氯离子扩散系数，从而增加混凝土的抗氯离子侵蚀性。矿渣微粉对增加抗氯离子侵蚀性的作用高于粉煤灰的影响。
关键词 耐久性 干缩 氯离子 混凝土
中图分类号：TU37文献标识码：A 文章编号：
Abstract:
In this paper, according to the actual environmental requirements chung rev. Bridge to the concrete shrinkage and anti-chloride ion performance on durability research. Considered the only mixed fly ash 60% (F60), compound mixing fly ash 40% + 20% GGBS (F40S20), compound mixing GGBS 30% + 30% fly ash (F30S30), single mixed fly ash 40% (F40) and not by adding admixtures 5 groups of mixture. Test results show that each group with greater proportion of concrete proportion of drying shrinkage were lower. The mineral admixtures with obvious reduced the concrete's shrinkage value, improve the concrete crack resistance. Of mineral admixture can be reduced by adding chloride diffusion coefficient, thus increasing the concrete anti-chloride ion aggressive. To increase GGBS anti-chloride ion aggressive role than the influence of fly ash.
Key words ：durability dry shrinkage of concrete chloride ion
一 引言
综合长江口北支环境调研和国内外海工混凝土结构劣化统计资料[1-4]可得，崇启大桥所在水域环境条件复杂，枯季水含盐量指标已接近正常海水状况，对混凝土结构耐久性提出了苛刻的要求。因此，有必要针对崇启大桥水域环境特点，并借鉴国内外近期成功的沿海工程实际经验[5-7]，开展崇启大桥混凝土氯盐、干缩下耐久性失效状况研究 [8]。本文根据相关标准研究了崇启大桥混凝土在各配合比条件下的氯盐、干缩下的耐久性能，为后面崇启大桥耐久性设计中防腐措施建议和阻锈剂的试验研究奠定基础。
二 原材料与配合比设计
优质的原材料是制备高性能的混凝土的基础，是优化混凝土配合比设计的前提，是混凝土良好的施工工作性、物理力学性能和耐久性的保证。为保证混凝土的耐久性，必须掺加一定的优质活性掺合料和高效外加剂，高效减水剂和优质活性掺合料已经成为高性能混凝土不可缺少的组份。只有选用优质、满足设计要求的原材料才能制备出性能优异的自密实混凝土，所以首先应对原材料的性能进行测试，根据原材料性能进行配合比的设计和优化。
2.1 原材料
水泥 水泥采用P.Ⅱ42.5R硅酸盐水泥，其物理、力学性能指标如表1所示。
粉煤灰 采用镇江谏壁Ⅰ级粉煤灰
磨细矿粉 选取S95级矿渣，该矿渣微粉流动性比较大，但活性相对较低。
细集料 细集料采用赣江中砂，细度模数为2.90，表观密度为2590kg∕m3，松散堆积密度为1520kg∕m3，，空隙率为41.3%。
粗集料湖北阳新产石灰石，5～25连续级配，表观密度为2700kg∕m3，松散堆积密度为1400kg∕m3。
减水剂 为保证高性能混凝土具有优良的工作性能，本试验依据泵送混凝土标准设计混凝土坍落度，选用具有缓凝效果的聚羧酸高效减水剂。
拌合用水 采用饮用自来水，其各项性能指标满足《混凝土拌合用水标准》要求。
2.2 混凝土配合比设计
根据综合分析、工程设计要求，拟选择以下混凝土配合比参数：水膠比：W/B=0.35，砂率Sp=38%；掺合材：单掺粉煤灰60%(F60)、复合掺40％粉煤灰＋20％矿渣微粉 (F40S20)、复合掺30％矿渣微粉＋30％粉煤灰(F30S30)、单掺粉煤灰40％(F40)；同时成型不掺加掺合料的对比组，并在各组配合比中添加适当的聚羧酸系高性能外加剂，其掺量以坍落度达到180±20mm来调节，即成型F0，F60，F40S20，F30S30，F40五组配合比，配合比如表2所示：
三 试验结果与讨论
3.1 混凝土干燥收缩变化规律
依据表2的配合比制备混凝土，依据GB50081-2002，试件成型1d后，拆模，置于标准养护室养护2天，然后放入20±2℃，相对湿度60±5%的恒温恒湿室进行收缩性能的测试，其测试结果如图1所示。典型龄期的测试结果如表3所示。
从图1可以看出，随着龄期的增长，收缩增大。从3d到28d，其收缩增长最大，其28d收缩值在（1.4～2.5）×10-4之间。随着龄期的进一步增长，收缩增长率减缓，到120d龄期收缩值增长至（1.9～3.5）×10-4之间。此后，收缩值的增长率降低，曲线基本趋于平滑，直至180d其收缩值也仅增长至（2.1～3.6）×10-4之间。总体说来，各组大掺量混凝土配合比的干燥收缩均较低，能较好的满足大体积混凝土的需要。单掺粉煤灰40%的F40组收缩最大，单掺粉煤灰60%的F60组收缩值最小，双掺组F40S20和F30S30两组测得的不同龄期的收缩值相近，且单掺组F60在各龄期的收缩值约为双掺组的65%。
图1各组混凝土的收缩率随龄期的变化规律
总体说来，各组大掺量混凝土配合比的干燥收缩均较低。单掺粉煤灰40%的F40组收缩最大，单掺粉煤灰60%的F60组收缩值最小，双掺组F40S20和F30S30两组测得的不同龄期的收缩值相近，均介于F40和F60组之间。矿物掺合料的掺入明显的减小了混凝土的收缩值，改善了混凝土抗裂性能。
置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小变形称为干燥收缩变形，是混凝土固有的性质。当混凝土处于自由状态时，干燥收缩不会导致什么不良后果，当混凝土处于不同程度约束状态的结构工程中，干燥收缩易引起混凝土开裂，影响混凝土强度和耐久性，这是在配制混凝土运用于工程当中应引起足够重视的。
影响混凝土干燥收缩的因素很多，主要包括：胶结材总用量、集料的性质、水胶比、胶集比、环境温湿度、测试试件的形状和尺寸、干燥时间等。混凝土的干燥收缩是在撤除养护后开始的，早期的收缩裂缝很细微，随着时间的推移，混凝土内部水分蒸发量和干燥收缩量加大，裂缝就逐渐明显起来。此种裂缝为表面的，宽度较细，多在0.05～0.2mm之间，走向纵横交错，没有规律性，裂缝分布不均匀，但对较薄的、板类构梁件或行架杆件，多沿短方向分布，整体结构多发生在结构变截面处。混凝土的干燥收缩开裂，主要是由于毛细管压力造成的。混凝土中的毛细管孔隙，在混凝土干燥过程中逐步失水，毛细管也逐步变形，产生很大的毛细管张力，混凝土产生体积收缩，如果混凝土中用水量增加，水灰比增大，毛细管也增多，混凝土体积收缩增大，会产生干燥收缩裂缝。混凝土发生收缩变形时，由于周围存在约束，内部产生应力（抗拉应力），这个应力超过混凝土材料的抗拉强度，就发生收缩开裂。
3.2混凝土抗氯离子渗透性变化规律
渗透性是衡量混凝土耐久性好坏的重要指标之一，传统的渗水法已不能适应现代高强或高性能混凝土的渗透性评价，故目前高性能混凝土常采用Cl-渗透法来评定混凝土抗渗性，同时可反应混凝土的抗氯离子侵蚀性。同时采用RCM-A法测量了各组配合比的28d、56d和90d氯离子扩散系数，测得各组配合比的实验结果如表4所示。
可以看出，对比组F0的28d氯离子扩散系数在2.2×10-12m2/s，而掺矿物掺合料各组混凝土试件的28d氯离子扩散系数均在0.3～1.0×10-12m2/s，仅为F0的20%～50%，可见矿物掺合料的掺加有利于降低氯离子扩散系数，从而增加混凝土的抗氯离子侵蚀性。双掺组F40S20和F30S30的氯离子扩散系数又大大低于单掺组F60，仅为F60的20%~30%左右。也由此可见矿渣微粉对增加抗氯离子侵蚀性的作用高于粉煤灰的影响。随着龄期的进一步增长，其氯离子扩散系数继续降低，对比组56d的氯离子扩散系数约为28d的50%，而掺加矿物掺合料后56d仅为28d的15～30%。依据GB/T50476-2008，当设计寿命为100年时，对于E类环境，28d龄期氯离子扩散系数DRCM应≤4.0×10-12m2/s。依据工程设计要求，承台混凝土84d 氯离子扩散系数DRCM应≤2.5×10-12m2/s，均可满足设计要求。分析认为，在混凝土中掺入粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺合料，对混凝土抗氯离子渗透性能起到改善作用主要归因于以下两个方面：
(1)矿物掺合料的掺入改善了混凝土内部的微观结构和水化产物的组成，混凝土孔隙率降低，孔径细化，使混凝土对Cl-渗透的扩散阻力提高。由于火山灰效应，减少了粗大晶体颗粒的水化产物Ca(OH)2的数量及其在水泥石-集料界面过渡区的富集与定向排列，优化了界面结构，并生成强度更高、稳定性更优、数量更多的低碱度水化硅酸钙凝胶。同时掺合料粉末的密实填充作用会使水泥石结构和界面结构更加致密；
(2) 由于矿物掺合料中Al2O3含量一般高于纯水泥，较高含量的无定型Al2O3能与氯离子、Ca(OH)2生成Friedel盐，提高了混凝土对Cl-的物理吸附或化学结合能力，即固化能力。水泥石孔结构的细化使其对Cl-的物理吸附能力增强；二次水化反应生成的碱性较低的C-S-H凝胶也增强了结合Cl-的能力； 这些均有利于降低氯离子在混凝土中的渗透速度，提高混凝土的抗氯离子渗透的能力。
四 结论
根据崇启大桥所处实际环境，综合考虑原材料对混凝土结构耐久性影响，通过试验研究的方法研究各配比混凝土的干燥收缩性能、抗氯离子渗透性能的发展与变化规律，研究并探讨了不同配合比，不同材料组成的混凝土性能差异。试验结果表明，各组大掺量混凝土配合比的干燥收缩均较低。矿物掺合料的掺入明显的减小了混凝土的收缩值，改善了混凝土抗裂性能。矿物掺合料的掺加有利于降低氯离子扩散系数，从而增加混凝土的抗氯离子侵蚀性。矿渣微粉对增加抗氯离子侵蚀性的作用高于粉煤灰的影响。为后期研究提供参考与依据。
参考文献
[1] 陈肇元. 混凝土耐久性设计与施工指南[M].2004, 中国建筑工业出版社.
[2] 唐明述. 提高混凝土耐久性对节省资源、能源，保护环境意义重大(上)[J]. 科学中国人, 1999(4): 14-16.
[3] 唐明述. 关于水泥混凝土发展方向的几点认识[J].中国工程科学, 2002. 4(1): 41-45.
[4] ASCE. Report card for American's infrastructure. 2005 cited; Available from:http://www.asce.org/ reportcard/2005/index2005.cfm.
[5] 陳驹. 氯离子侵蚀作用下混凝土构件的耐久性[D].[硕士学位论文]. 杭州: 浙江大学建筑工程学院. 2002, 72.
[6] 唐明述. 节能减排工作应重视提高基建工程寿命[J]. 中国水泥, 2007: 24-28.
[7] 潘德强. 我国海港工程混凝土结构耐久性现状及对策[J]. 华南港工, 2003(2): 3-13.
[8] 吕清芳. 混凝土结构耐久性环境区划标准的基础研究[D].[博士学位论文].杭州: 浙江大学. 2007
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。