混凝土耐久性性能优化设计研究

混凝土耐久性性能优化设计研究

翁庆美

上海材九科技有限公司

摘要：针对目前实际工程中低强度混凝土（以C30、C35、C40为对照）出现的抗氯离子渗透性能差、和抗冻性能差等耐久性问题，采用黄砂、石子粒径优化及多孔轻砂替代等方法对混凝土原材料种类和配合比进行优化设计，从而提高混凝土的耐久性。

关键词：混凝土；耐久性；优化

0引言

从混凝土组成角度，骨料通常仅作为惰性材料构建混凝土骨架，而胶凝材料决定了水泥混凝土浆体微结构形成与演变过程，即胶凝材料的抗氯离子侵蚀、抗碳化、抗裂等能力从根本上决定了混凝土的耐久性。

在系统地研究了不同强度等级混凝土的耐久性能后，部分低强度等级的混凝土的某些耐久性能，如抗冻性、抗氯离子渗透等存在一定的问题，需要采取相应措施提高混凝土的耐久性，下面便采用对混凝土原材料种类和配合比进行优化设计，从而提高混凝土的耐久性。

1、实验目的

针对目前实际工程中混凝土出现的抗氯离子渗透性能差、抗冻性差等耐久性问题，通过优化调整砂石骨料的不同粒径范围的比例，减少混凝土内部的孔隙率。基于最紧密堆积理论修正 Andreasen 和 Andersen 模型的指导，对黄砂和石子的粒径优化调整起到了降低混凝土空隙率的作用，提高基体密实度从而改善混凝土的强度和耐久性。

2、试验方案

2.1选择三个不同强度等级的混凝土作为对照组进行拌制混凝土，并成型所需足够量的试块进行混凝土抗压强度、抗氯离子渗透、冻融循环试验。

2.2选用机制砂，石子粒径5-25。对粗细骨料的粒径范围按不同比例配制，拌制混凝土并成型所需足够量的试块，分别进行混凝土抗压强度、抗氯离子渗透、冻融循环试验。

2.3通过试验所得的数据对比，得出相应的结论。

3、砂石粒径的优化设计

3.1 黄砂粒径优化

混凝土的耐久性与混凝土的强度密切相关，而混凝土的强度又和混凝土内部的密实度有很大的关联。通过优化调整砂石骨料的不同粒径范围的比例，减少混凝土内部的孔隙率。本文选取C30、C35、C40强度等级的混凝土配合比作为对照组，如表1所示。对配合比中的中砂以0.63-1.25mm这一档为基准档，对粒径范围按不同比例进行优化调整，见表2，然后进行相应的混凝土制备，7d和28d抗压强度如图1所示。由图可知，黄砂粒径比例调整后的混凝土7d和28d抗压强度均有不同程度的提高，说明对黄砂粒径的调整起到了降低混凝土空隙率的作用。其中，比例2的7d和28d抗压强度均最大，分别为25.3MPa和39.8MPa。相比对照组分别增加了1.8MPa和4.4MPa。比例4的强度优化效果相对较差，7d和28d抗压强度仅比对照组分别增加0.2MPa和1.1MPa。如图1图2图3所示

表1  C35强度等级混凝土配合比

表2 不同黄砂粒径范围比例

图1 不同黄砂粒径比例混凝土的抗压强度C30  图2 不同黄砂粒径比例混凝土的抗压强度C35

图3 不同黄砂粒径比例混凝土的抗压强度C40

3.2混凝土耐久性试验

引起混凝土耐久性破坏的条件仔细分析起来，混凝土中存在的毛细孔通道，它起着“桥梁、纽带”作用，从耐久性混凝土结构设计指南中提出的混凝土细孔类别与耐久性的关系图中可以看出，影响混凝土耐久性的主要是毛细孔，如把混凝土中毛细孔通道切断、阻塞或最大限度地减少毛细孔含量，那么混凝土耐久性破坏就难以进行。如冻融、渗透等等各种耐久性破坏无不与毛细孔息息相关。所以，在原材料和配制工艺相同或相近的条件下，混凝土越密实，孔隙率越小，有害孔（毛细孔）也就越小，耐久性也就越好。

3.2.1抗氯离子渗透试验

目前最常用的测试混凝土抗氯离子渗透性能的方法为电通量法和快速氯离子迁移系数法（RCM）,本课题采用电通量法对以上不同比例粒径范围的试样进行抗氯离子渗透性能测试，龄期为28d,测试装置实物图见图4，具体测试结果见表3。

图4电通量法

表3不同粒径范围比例混凝土电通量

根据混凝土耐久性检验评定标准（JGJ / T 193-2009）中混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分以及对应的耐久性水平推荐意见（具体见表4、表5），对不同比例粒径范围、不同强度等级的混凝土抗氯离子渗透性能作出评价。从表5中可以明显看出比例2的试样抗渗透性能明显好于其它试样。由此可知混凝土中，内部孔隙率越小，使孔溶液中的电导率降低，电通量出现下降。比例4明显是抗渗性能较差，而比例2是最好的。

表4 混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分（电通量法）

表5 等级代号与混凝土耐久性水平推荐意见

3.3冻融循环试验

本试验对以上不同比例的粒径范围、不同强度等级的混凝土进行了冻融循环测试，具体测试结果见图5。从图中可以看出比例2的冻融循环次数是最高的。分析认为混凝土中孔隙率越小越密实就阻止水分进一步吸入，在混凝土中形成了“储备孔”，这些不易被水饱和的内部的孔隙，可以容纳混凝土受冻时被水膨胀压力排挤部分未冻结的水分，从而减少膨胀压力及混凝土的内应力，避免混凝土遭受损坏。比例2经过对骨料粒径范围的优化后在冻融循环作用下，其内部不易产生较大的应力集中，而使它具有较大的抗冻能力。强度越高混凝土的抗冻性能就越好的原因主要是混凝土的结构更加密实，致使混凝土内部的孔隙率也在不断降低，发生孔隙水冻胀导致结构破坏的概率也就更低。

图5 不同比例粒径范围冻融循环次数

混凝土在冻融试验过程中经历了四个宏观破坏过程：表面层状破坏、表面骨料与砂浆分离、粗骨料处部分砂浆的脱落、细裂缝的产生。即试件经过冻融循环后，表面发生层状破损，混凝土外表乳皮逐渐破损，并开始出现疏松、剥落，且随着冻融次数的増加，试件表面剥落的情况逐渐加重，表层砂浆与骨料疏松、剥落，继续增加冻融次数，混凝土内部骨料与其周边砂浆的结合发生破坏，当破坏达到一定程度后，混凝土产生裂缝破坏，导致混凝土性能下降。

根据混凝土耐久性检验评定标准（JGJ / T 193-2009）中冻融破坏环境下混凝土抗冻性能指标和冻融破坏环境的作用等级，对本试验中不同比例粒径范围、不同强度等级混凝土的抗冻性能进行评价。具体可参考表6和表7。上海地区建筑物的环境条件大部分都是处在D1作用等级（微冻条件，且混凝土频繁接触水），由此可知，本试验中各强度等级中比例4混凝土的耐冻性服务寿命低于30年，比例1比例3和基准混凝土的耐冻性服务寿命可达到60年，比例2混凝土的耐冻性服务寿命能达到100年.

表6冻融破坏环境下混凝土抗冻性能指标

表7 冻融破坏环境的作用等级

4、石子粒径优化

在对黄砂的粒径进行优化后，在表1所示配合比的基础上将石子的粒径分为5-10mm、10-20mm以及20-25mm 3个区间，对对照组的石子以5-10mm这一挡为基准档，对粒径范围按不同比例进行优化设计，如表8所示。图2为所制备的混凝土的抗压强度。由图可知，石子粒径比例调整后的混凝土7d和28d抗压强度均有不同程度的提高，说明本试验中石子粒径的调整也降低混凝土空隙率。其中，比例2中的7d和28d抗压强度相较对照组增幅最大，分别为2.6MPa和4.7MPa。在比例2中小粒径的石子占比最大，这充分说明了石子粒径越小，堆积密度越大，能够显著提高混凝土的密实度。如图6图7图8

表8 不同石子粒径范围比例

图6不同石子粒径比例混凝土的抗压强度C30         图7不同石子粒径比例混凝土的抗压强度C35

图8不同石子粒径比例混凝土的抗压强度C40

4.1抗氯离子渗透试验

目前最常用的测试混凝土抗氯离子渗透性能的方法为电通量法和快速氯离子迁移系数法（RCM）,本课题采用电通量法对以上不同比例粒径范围的试样进行抗氯离子渗透性能测试，龄期为28d.具体测试结果见表9。

表9 不同粒径范围比例混凝土电通量

根据混凝土耐久性检验评定标准（JGJ / T 193-2009）中混凝土抗氯离子渗透性能的等级划分以及对应的耐久性水平推荐意见（具体见表4、表5），对不同比例粒径范围、不同强度等级的混凝土抗氯离子渗透性能作出评价。从表9中可以明显看出比例2的试样抗渗透性能明显好于其它试样。由此可知混凝土中，内部孔隙率越小，使孔溶液中的电导率降低，电通量出现下降。比例4明显是抗渗性能较差，而比例2是最好的。

4.2 冻融循环试验

本试验对以上不同比例的粒径范围、不同强度等级的混凝土进行了冻融循环测试，具体测试结果见图9。从图中可以看出比例2的冻融循环次数是最高的。分析认为混凝土中孔隙率越小越密实就阻止水分进一步吸入，在混凝土中形成了“储备孔”，这些不易被水饱和的内部的孔隙，可以容纳混凝土受冻时被水膨胀压力排挤部分未冻结的水分，从而减少膨胀压力及混凝土的内应力，避免混凝土遭受损坏。比例2经过对骨料粒径范围的优化后在冻融循环作用下，其内部不易产生较大的应力集中，而使它具有较大的抗冻能力。强度越高混凝土的抗冻性能就越好的原因主要是混凝土的结构更加密实，致使混凝土内部的孔隙率也在不断降低，发生孔隙水冻胀导致结构破坏的概率也就更低。

图9不同比例粒径范围冻融循环次数

混凝土在冻融试验过程中经历了四个宏观破坏过程：表面层状破坏、表面骨料与砂浆分离、粗骨料处部分砂浆的脱落、细裂缝的产生。即试件经过冻融循环后，表面发生层状破损，混凝土外表乳皮逐渐破损，并开始出现疏松、剥落，且随着冻融次数的増加，试件表面剥落的情况逐渐加重，表层砂浆与骨料疏松、剥落，继续增加冻融次数，混凝土内部骨料与其周边砂浆的结合发生破坏，当破坏达到一定程度后，混凝土产生裂缝破坏，导致混凝土性能下降。

根据混凝土耐久性检验评定标准（JGJ / T 193-2009）中冻融破坏环境下混凝土抗冻性能指标和冻融破坏环境的作用等级，对本试验中不同比例粒径范围、不同强度等级混凝土的抗冻性能进行评价。具体可参考表6和表7。上海地区建筑物的环境条件大部分都是处在D1作用等级（微冻条件，且混凝土频繁接触水），由此可知，本试验中各强度等级中比例4混凝土的耐冻性服务寿命低于30年，比例1比例3和基准混凝土的耐冻性服务寿命可达到60年，比例2混凝土的耐冻性服务寿命能达到100年.

5、 颗粒紧密堆积理论分析

高强度的设计需要有较高的胶凝材料比例，提高能提供强度的水化产物的含量，另外需要提高胶凝体系的密实度，根据最紧密堆积理论优化原材料颗粒的粒径，但是这一点与轻质的设计理念有冲突。最紧密堆积的理论参考修正Andreasen 和Andersen模型：

P(D)=Dq-DminqDmaxq-Dminq

式中，P(D)为粒径小于D的颗粒百分比，D为颗粒尺寸，Dmax 和 Dmin为配合比中最大和最小的颗粒尺寸，q是粒径分布模量。通过这个公式可以数字模拟出在浆体中最佳的固体颗粒粒径分布曲线（目标曲线），根据最小二乘法的优化算法，对单一材料（比如水泥或者其他固体颗粒）的粒径和比例进行优化调整尽可能让实际堆积曲线接近目标曲线。两者的接近程度通过残差平方和评价（RSS值一般在200-300之间）。见下式。

RSS=i=1n(Pmix(Dii+1)-Ptar(Dii+1))2

式中：Pmix 是原材料间混合的配比； Ptar是根据模型计算出的理想配比。

通过比较实际曲线和目标曲线之间的残差平方和，来评价浆体的紧密堆积情况。原材料粒径级配的优化有助于增加混凝土浆体中固体颗粒的堆积密度，这会提高硬化浆体的力学性能。Brouwers得出q的值在0.28时会导致最优堆积[1]。

黄砂粒径优化后的比例2中细骨料和胶凝材料颗粒的粒径分布曲线如图10所示。本文还通过最紧密堆积模型来证明不同配合比下抗压强度的之间的关系，将比例1、比例2和比例3作为典型的探究对象，实验结果见图10。由修正Andreasen和Andersen模型最紧密堆积的理论可以得出本文所用材料的最佳粒径分布曲线（目标曲线）。计算出比例1、比例2、比例3以及对照组与目标曲线的RSS，如表10所示。由图11可知，对照组的粒径分布曲线偏离目标最大，而比例2组的拟合曲线最贴近目标曲线，对应的比例2的抗压强度最高，定量得出优化颗粒粒径，提高基体密实度能改善混凝土的强度和耐久性。

图10 细骨料和胶凝材料颗粒的粒径分布曲线

图11 不同配合比下颗粒紧密堆积曲线VS最紧密堆积曲线

表10 不同试样紧密堆积曲线与目标曲线的RSS

6、 试验结论

通过以上试验所得出混凝土的耐久性与混凝土的强度密切相关，而混凝土的强度又和混凝土内部的密实度有很大的关联。通过优化调整砂石骨料的不同粒径范围的比例，减少混凝土内部的孔隙率。基于最紧密堆积理论的指导，黄砂和石子的粒径优化调整起到了降低混凝土空隙率的作用。修正Andreasen 和Andersen模型可以定量得出优化的颗粒粒径，提高基体密实度能改善混凝土的强度和耐久性。