中铁二十一局集团第二工程有限公司 甘肃兰州 730000
摘要：混凝土的阻抗和抗渗性能作为其耐久性的重要指标，对混凝土使用寿命有重要意义。混凝土内部钢筋锈蚀的主要原因是氯离子的渗透，杂散电流和氯离子共同作用时会促进氯离子的迁移，影响混凝土的结构安全。为了提高混凝土的耐久性，需要加强混凝土的抗杂散电流能力（即电阻率）和抗氯离子渗透性。在一定范围内掺加矿物掺合料和改变砂率可以改善混凝土的密实性。通过检测混凝土的力学性能、电阻率和电通量来表征抗杂散电流能力和抗氯离子渗透性能，以此确定粉煤灰和矿粉的最佳配比及砂率的最佳值。
关键词：抗氯离子渗透性；矿物掺合料；电阻率；电通量；最佳配比
1、地铁混凝土耐久性的研究现状
近年来，我国社会经济发展迅速，城市人口数量急速增加，使城市的交通状况面临巨大压力。而修建地铁作为改善城市交通环境的重要方法，将起到关键性的作用。然而，地铁工程处于复杂的侵蚀性环境中，其安全性和混凝土的耐久性受到了很大考验。引起混凝土耐久性的主要原因有钢筋锈蚀、冻融破坏、碳化、碱骨料反应等。其中，钢筋混凝土结构破坏的主要原因是钢筋的锈蚀，而氯离子渗透又是引起钢筋锈蚀的主要原因是氯离子渗透。氯离子造成的钢筋腐蚀一般有下列两种情形：一是混凝土的原材料本身含有的氯离子引起的钢筋腐蚀；二是周围环境中渗透进来的氯离子引起的钢筋腐蚀，但其本质原因还是因为混凝土的抗氯离子渗透性低。所以，通过提高抗氯离子渗透性来降低钢筋锈蚀成为延长混凝土寿命的一种重要手段。
2、杂散电流和氯离子共同作用对混凝土的影响
地铁工程环境中大多是杂散电流和氯离子共存的，当两者共存时，杂散电流对混凝土内部的氯离子迁移具有促进作用，加快混凝土耐久性的劣化。氯离子侵蚀引发钢筋锈蚀对混凝土结构耐久性的危害最为严重。如果环境中氯离子与杂散电流同时存在，杂散电流会加速氯离子的迁移速度，使钢筋锈蚀的速度加快。
3、改善混凝土抗杂散电流和抗氯离子渗透的措施
一般，避免杂散电流主要有两种途径，一是尽量避免产生杂散电流或降低杂散电流的强度，从根源出发减小危害；二是提高混凝土的阻抗，即提高电阻率，增强自身的抵抗能力。在确保混凝土强度和工作性的条件下，降低水胶比、加入化学外加剂和掺加矿物掺合料等方法都可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能。此外，改变砂率也是混凝土内部孔隙结构发生变化的途径之一，砂子能起到润滑的作用，可以增加砂浆集料间的流动性，提高抗渗性。本试验主要研究通过加入粉煤灰和矿渣提高混凝土的阻抗，减少杂散电流的危害。
4、矿物掺合料和砂率对混凝土抗氯离子渗透性的影响
4.1粉煤灰作为矿物掺合料加入混凝土中能填充孔隙，使混凝土结构更加致密。在混凝土拌合阶段，由于粉煤灰颗粒直径较小，分散在水泥颗粒之间，使水泥颗粒解除絮凝结构并扩散，提高水泥的和易性和浇筑密实性，得到致密性更高的混凝土的初始结构；在硬化后期，粉煤灰中的活性SiO2与熟料矿物水化产物反应生成水化硅酸钙凝胶体，使混凝土强度提高。此外，粉煤灰能够稀释混凝土孔溶液内的导电离子浓度，这样泄露到混凝土内部的杂散电流的强度就会减弱，其对氯离子迁移的不利影响也将减小。因此，可以通过掺加粉煤灰使混凝土结构更加密实，从而提高抗氯离子渗透性能。
4.2矿粉的化学成分与硅酸盐水泥类似，主要有CaO、SiO2和Al2O3，经磨细后具有超高活性和极大的表面能。将矿粉掺入混凝土中，SiO2和Al2O3与水泥的中的C2S反应形成水化硅酸钙产物，表现出矿粉的胶凝性。矿粉的活性与细度相关，比表面积越大，活性越高，更容易分散在空隙中，增加密实性和抗渗性。
4.3砂率的大小对混凝土的结构性能和工作性有着重要的影响，砂率过大容易发生离析和泌水现象，造成混凝土各部分分布不均匀，性能也将不一致。若砂率过低，细集料对粗集料的包裹性变差，混凝土中存在的空隙较多，抗渗性变差。所以，高抗渗透性的混凝土中砂率存在着最佳配比。
5、研究的目的及内容
为了研究掺入不同比例的粉煤灰和矿粉及不同砂率对混凝土的强度、电阻率以及抗氯离子渗透能力的影响，在选用某地铁工程所用的配合比的基础上，调整配合比和砂率，通过模拟地铁环境，检测混凝土试块各项性能，找出改善混凝土阻抗和抗渗性的最优配合比，对提高混凝土阻抗和抗渗性能做出进一步研究。在研究过程中利用正交试验设计矿渣和粉煤灰复掺的不同配合比的混凝土试块，利用四电极法测量不同龄期混凝土的电阻率，评价其抗杂散电流的性能；利用电通量法测定混凝土氯离子的电通量，评价混凝土的抗氯离子渗透能力，通过测定不同龄期混凝土试块的抗压强度来评定其力学性能，作为耐久性的表征依据。
6、试验所用主要原材料
6.1矿物掺合料
本试验选用的矿物掺合料为粉煤灰和矿粉，粉煤灰来源于兰州某厂提供的密度为2100kg/m3，细度（0.08μm方孔筛的筛余）为17.6%的粉煤灰；矿粉为某厂提供的密度为2900kg/m3的粒化高炉矿渣粉。
6.2水泥
本试验选用的水泥是由某水泥厂生产的标号为P.O42.5，密度为3020kg/m3的普通硅酸盐水泥。
6.3粗骨料
本试验选用的石子是由兰州某搅拌站提供，其颗粒级配为5-25mm，表观密度为2700kg/m3。
6.4细骨料
本试验选用的砂子是由兰州某搅拌站提供，其细度模数为2.7，表观密度为2680kg/m3。
6.5外加剂
本实验选用聚羧酸减水剂，减水率25%，掺量1.2%。
7、主要试验仪器
本试验所用到的主要实验仪器有：混凝土智能真空饱水机、混凝土氯离子电通量测定仪、强制式单卧轴混凝土搅拌机、微机控制电液伺服压力试验机等。
7.1混凝土配合比设计
设计混凝土强度为C30，采用某搅拌站的配合比，胶凝材料为400 kg/m3，砂石1840 kg/m3。设置砂率为一个变量，根据施工意见，分别为35%、38%、40%。根据文献研究结果表明：粉煤灰和矿粉的掺量对混凝土的密实性和抗渗性有影响，因此，将粉煤灰和矿粉的配比设为第二变量，分别为1：1和3：7，具体配比用量见表7.1。
表7.1 混凝土配合比设计（kg/m3）
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7.2混凝土试块制作个数与使用安排
试验共有3项检测内容，各项均需要检测7d和28d的相关数据。其中，电通量、抗压强度均为破坏性检测，7d和28d需单独制作试块，7d和28d的电阻率可在同一试块上完成检测。具体试块个数及使用安排见表7.2。
表7.2 试块个数与使用安排
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8、试验结果及分析
8.1抗压强度
将制作好的试块进行标准养护，对6组配合比的试块，分别进行7d和28d的抗压强度测定，每组配合比有3个试块，结果取其平均值，得到各组配合比分别在7d和28d的抗压强度。抗压强度试验结果如图8.1所示。
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图8.1 抗压强度试验结果
结合表7.1和图8.1可以发现当矿粉与粉煤灰比例一定时，随着砂率的增加，混凝土7d和28d抗压强度都在降低，说明在35%至40%范围内，砂率越小，抗压强度越大，这是由于砂率过大混凝土会发生离析和泌水现象，使混凝土性能降低；对比数据1组和4组，2组和5组，3组和6组，发现在砂率相同时，粉煤灰：矿粉为1：1（以下简称高粉矿比）的7d抗压强度大于低粉矿比的，但除3组和6组外，高粉矿比的28d抗压强度是小于低粉矿比的。说明随着龄期的增长，粉煤灰和矿粉的比例对混凝土强度的影响会有所改变，掺合料对混凝土性能的影响将增强。从抗压强度的来看，低粉矿比的后期强度增大，砂率为35%为最优配比。
8.2电阻率
将制作好的试块进行标准养护，达到规定龄期后测定各组配合比试块的电阻率，每组配合比有3个试块，结果取其平均值，为该天该组配合比试块的电阻率。按测定龄期依次进行测定，得到各时间点，各组配合比试块的电阻率值。电阻率试验结果如图8.2所示。
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图8.2 试块电阻率测试结果
结合表7.1和图8.2发现，随着砂率的增加，高粉矿比时，电阻率在降低，这是由于砂率过大，发生泌水现象，影响了混凝土的性能；低粉矿比时，电阻率先降低后升高，但升高幅度不大且值仍小于35%时的电阻率，因为随着矿粉比例的增加，提高了混凝土的密实性。当砂率为38%和40%时，1：1的比例好于3：7。当砂率为35%时，高粉矿比的早期强度要大于低粉矿比的，但随着龄期的增长，在28d时，3：7的电阻率超过了1：1，为6组试样中电阻率最高的，说明随着龄期的增长，粉矿比和砂率对混凝土性能的影响存在主次问题。若只考虑电阻率因素，认为砂率35%，粉煤灰：矿粉为3：7是最好配比。
8.3电通量
将制作好的试块进行标准养护，对6组配合比的试块分别在7d和28d进行钻芯处理，检测其电通量，每组配合比有3个试块，结果取其平均值，得到各组配合比分别在7d和28d的电通量值。电通量试验结果如图8.3所示。
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图8.3 电通量试验结果
通过对比可以发现：在高粉矿比时，随着砂率的增加，7d和28d的电通量都逐渐增大，说明其抗氯离子渗透能力减小，这是由于砂率的增加使混凝土的密实性降低，导致了氯离子的渗透性增加；在低粉矿比时，随着砂率的增加，在7d强度时，电通量在减小，而在28d强度时，电通量在增大，说明随着龄期的增长，粉矿比和砂率对抗氯离子渗透性影响的重要性不一致。
对比1组和4组、2组和5组、3组和6组发现：在砂率相同时，低粉矿比的电通量远小于高粉矿比的，表明当已电通量表征混凝土抗氯离子性能方面考虑，3：7的比例要优于1：1的，其中砂率为40%的7d强度的电通量最小，砂率为35%的28d强度的电通量最小（但35%的28d强度的电通量远小于40%的7d强度的电通量），因此，可以认为抗氯离子渗透能力最好的砂率存在于上述两种情况下。
9、结论
粉煤灰和矿粉掺入到混凝土中对抗氯离子渗透性能有一定的改善作用，针对地铁环境中氯离子和杂散电流共存的情况，需控制矿物掺合料配比及砂率才能使混凝土的阻抗和抗渗性达到最优。
1、砂率在35%到40%之间，粉煤灰和矿粉复掺情况下，降低砂率，对提高混凝土强度和抗渗性趋于有利。提高矿粉比例，混凝土阻抗会提高。
2、在砂率一定的情况下，粉煤灰：矿粉比例为3：7时，混凝土表现出较好的阻抗和抗渗性。粉煤灰：矿粉为3：7，砂率为35%为最佳配比，可有效提高地铁混凝土的阻抗和抗渗性能。
在同一配比，同一砂率的情况下，随着混凝土龄期的增长，混凝土性能出现不同的变化规律，说明砂率和配比的影响效应在不同阶段存在主次问题。
参考文献：
[1]《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T 50082-2009；
[2]《混凝土结构耐久性设计标准》GB/T 50476-2019；