透水模板布对海工高性能混凝土抗氯离子渗透性的影响

杨海成，熊建波，王胜年

（中交四航工程研究院有限公司，水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室，广东 广州 510230）

对于服役环境恶劣、耐久性要求高的工程结构，仅采用高性能混凝土通常并不足以确保工程的设计使用寿命，尤其是海洋环境下的港口码头、道路桥梁等海工混凝土结构，尚需考虑与防腐蚀附加措施相结合。透水模板布（Controlled Permeability Formwork） 是一种能够有效改善混凝土表面质量、提高混凝土性能的防腐蚀附加措施，尤其对表层混凝土早期性能的提高更为显著，在杭州湾大桥、金塘大桥、青岛海湾大桥、盐田港等工程得到应用。

透水模板布的作用机理[1-4]：混凝土浇筑后，由于振捣棒振动、混凝土自重、透水模板布布内衬排水透气层的毛细吸附等共同作用，混凝土中的气体以及部分水分被排除到模板外，而水泥颗粒富集于混凝土表层，减小了混凝土表层的水胶比，使表层混凝土更加密实，且透水模板布具有蓄水功能，能够有效提高表层混凝土的养护质量，从而提高了混凝土结构抵御外部侵蚀介质入侵的能力，进而提高混凝土结构的耐久性。

针对透水模板布对混凝土性能的影响，国内外开展了相关试验研究[5-6]，透水模板布对混凝土抗氯离子渗透性的研究，通常采用电通量法、氯离子扩散系数快速测试法（RCM法）等，由于以上快速试验方法本身的局限性，不能真实反映氯离子在混凝土中的扩散进程，尤其对采用透水模板布的混凝土，透水模板布仅影响表层一定深度的混凝土，有研究认为影响深度为15~20 mm[2]，而上述试验在加速电场作用下可能弱化了表层混凝土的作用，同时国内外还缺少采用透水模板布混凝土的现场暴露试验数据。本文通过室内自然浸泡试验（NTBuild 443法） 与26个月现场暴露试验，研究透水模板布对混凝土抗氯离子渗透性及结构使用年限的影响。

1 试验方案

1.1 原材料及配合比

采用山水PI 52.5水泥；选用青岛家樑足球工贸有限公司生产的S95级粒化高炉矿渣粉，日照华能电厂I级粉煤灰；细集料采用莱西大沽河中粗砂，表观密度2 600 kg/m3，含泥量1.0%，细度模数2.9；粗集料为沂水石灰岩碎石，5～10 mm及10～20 mm组合级配，含泥量0.3%，压碎值11.8%，表观密度2 700 kg/m3；减水剂为上海巴斯夫生产的RHEOPLUS 326，引气剂为巴斯夫MICROAIR 202。混凝土配合比参数见表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete composition

1.2 试件成型及表面处理

采用钢模板成型试验墙，整体尺寸为140 cm×80 cm×13 cm，在长度方向的钢模板一侧粘贴透水模板布，另一侧为钢模板面。试验墙室外保湿养护18 d后，钻取φ100 mm芯样，为避免由于透水模板布对不同垂直高度混凝土性能的影响，本试验采用的试件为试验墙中间位置的芯样，芯样周边采用涂层封闭，保留贴透水模板布原端面作为试验中暴露在氯盐环境中的端面，见图1。

图1 采用透水模板布混凝土试件Fig.1 Concretespecimen using CPF

1.3 试验方法

1.3.1 自然浸泡试验

室内快速试验参照NTBUILD 443《硬化混凝土氯离子渗透快速试验方法》，在室外保湿养护24 d后，放入饱和Ca（OH）2溶液中浸泡4 d，然后将试件放入165 g/L的NaCl溶液中，溶液温度控制在（22±2）℃，试件浸泡35 d后取出，逐层制取粉样，并参照JTJ 270—98《水运工程混凝土试验规程》中“砂浆中酸溶性氯离子含量测试方法”对粉样进行化学滴定分析，测量混凝土中的总氯离子含量。

1.3.2 现场暴露试验

暴露试件放置在青岛海湾大桥暴露试验站水变区和浪溅区[7]，在现场暴露6个月、14个月、26个月时取出，清除表面贝类、海藻等海洋浮生物，参照NTBUILD 443《硬化混凝土氯离子渗透快速试验方法》规定的方法逐层制取粉样，测试混凝土中总氯离子含量。

2 试验结果分析

2.1 氯离子含量分布情况

室内自然浸泡试验条件下混凝土不同深度氯离子含量如图2，可见混凝土中氯离子含量随深度的增加而降低，且相比普通钢模板，采用透水模板布的混凝土氯离子浓度随深度的增加递减幅度较大，说明采用透水模板布对混凝土抗氯离子侵蚀性能有较大提高。比如尽管透水模板布与普通模板混凝土在表层的氯离子含量基本一致，但在距离混凝土表面5 mm深度处，透水模板布混凝土的氯离子浓度约为0.1%（占混凝土的质量百分比），而普通模板混凝土高达0.4%，分析原因，主要是由于透水模板布的排水、排气作用，可显著降低表层混凝土水胶比，提高致密性，并通过早期蓄水养护作用，显著提高表层混凝土的质量，从而可有效提高表层混凝土的抗氯离子侵蚀性能。

图2 混凝土不同深度的氯离子浓度（室内快速试验）Fig.2 Chloride ion concentration at different depths（by lab high speed test）

现场暴露不同龄期的混凝土不同深度氯离子含量见图3，可知：

图3 暴露试验混凝土不同深度的氯离子浓度Fig.3 Chloride ion concentration at different depths by exposure test

1）透水模板布能够提高混凝土抗氯离子渗透性，降低侵入混凝土内部的氯离子含量，且对不同深度氯离子含量的降低幅度随暴露时间的延长有所降低，说明透水模板布对混凝土早期抗氯离子渗透性的提高更为显著。

2）采用普通钢模板一侧的混凝土，在暴露环境下氯离子含量随混凝土深度的增加存在先增大，后减小，在混凝土表层存在对流区，区域约为2～4 mm，其主要是由于现场暴露环境下海水干湿交替循环所致，码头现场调研[8]和华南湛江港暴露试验[9]，同样证实水变区、浪溅区的混凝土结构存在对流区。而透水模板布一侧的混凝土，对流区深度不明显。分析其可能是由于透水模板布的排水、排气和保湿养护作用，降低了表层混凝土水胶比，提高了表层混凝土的致密性，改善了表面混凝土的孔结构，而混凝土在干湿交替过程中，水分更易在较大孔隙中填充和蒸发，因此相比表面孔隙较多的普通模板混凝土，透水模板布混凝土在干湿交替作用下，其内部湿度变化相对较小，使混凝土内部对流层不明显。文献[10-12]认为，降低水胶比和掺入矿物掺合料，可以有效改善混凝土内部孔结构，从而有效降低混凝土的毛细吸水量和毛细吸水高度。

2.2 混凝土氯离子扩散系数、表面氯离子浓度

采用Fick第二定律解析解，根据测出的混凝土不同深度的氯离子浓度，拟合求出了混凝土氯离子扩散系数，见图4所示。由图可知：1） 透水模板布能够降低混凝土氯离子扩散系数，并且随暴露时间的延长，透水模板布对扩散系数的降低幅度逐渐减弱，比如在6个月暴露龄期时透水模板布混凝土的氯离子扩散系数仅为普通模板的20%~40%，而在26个月暴露龄期时透水模板布混凝土的扩散系数为普通模板的40%~70%，说明透水模板布可显著提高混凝土早期抗氯离子渗透性，有利于提高早期可能暴露于严酷海水环境下的混凝土结构；2） 随暴露龄期的延长，混凝土氯离子扩散系数逐渐衰减；3） 在原材料、配合比、暴露龄期等条件相同时，水变区的混凝土氯离子扩散系数大于浪溅区。

图4 不同暴露龄期时混凝土氯离子渗透系数Fig.4 Chlorideion permeability coefficient at different exposure ages

基于Fick第二定律拟合求出了不同暴露龄期混凝土表面氯离子浓度，见图5所示，混凝土表面氯离子浓度随暴露龄期的延长而增加，26个月混凝土表面氯离子浓度约为0.75%~1.0%（占混凝土的质量百分比）；在试验周期内，透水模板布对混凝土表面氯离子浓度的影响趋势不明显。

图5 不同暴露龄期时混凝土表面氯离子浓度Fig.5 Chlorideion concentration on theconcrete surfaceat different exposureages

2.3 透水模板布对混凝土结构使用年限的影响

对于海洋工程，混凝土结构使用寿命一般划分为3个阶段：

式中：t为结构使用寿命；t1为腐蚀诱导期，是指结构从开始暴露氯盐环境到氯离子侵入到保护层深度处的浓度值达到钢筋发生锈蚀的临界氯离子浓度值；t2为腐蚀发展期，主要是从钢筋开始发生锈蚀到保护层开裂之间的时间；t3为腐蚀破坏期，是指从混凝土保护层开裂到结构失效所需时间。相对于腐蚀诱导期t1，腐蚀发展期t2和腐蚀破坏期t3时间短，在耐久性设计时，为预留一定的安全储备，通常将混凝土中氯离子浓度达到临界值时的腐蚀诱导期作为使用寿命终结的极限状态。

基于Fick第二定律推导出的混凝土结构寿命预测模型，如公式（2），

式中：Cc为临界氯离子浓度；C0为初始氯离子浓度；Cs为表面氯离子浓度；x为钢筋混凝土保护层厚度；Dt为氯离子扩散系数，

式中：tref为参考时间；t为氯离子扩散系数的衰减期，一般取20 a；n为扩散系数衰减值。

由于本试验研究暴露时间短，氯离子扩散系数衰减值n、表面氯离子浓度、临界氯离子浓度等未能获得，以上混凝土耐久性关键参数将参照青岛海湾大桥暴露试验成果[13]；氯离子扩散系数衰减值是一个与混凝土配合比参数、掺合料品种、环境条件等有关的系数，根据青岛暴露试验站高性能混凝土4 a暴露试验初步认为，对于复掺大量粉煤灰和粒化高炉矿渣粉的高性能混凝土，衰减值约为0.50～0.60，本文取0.55，而对于采用透水模板布的高性能混凝土，根据2.2节中扩散系数变化曲线可知，透水模板布对早期混凝土扩散系数的降低幅度较大，后期趋于变缓，因此通过对扩散系数随龄期的变化曲线分析认为，采用透水模板布的混凝土扩散系数的衰减值应当小于普通模板混凝土，通过对短期数据分析，采用0.45；表面氯离子浓度随暴露龄期、所处环境条件、混凝土自身材料特性对氯离子的吸附性能等有关，对处于水变区、浪溅区高性能混凝土，其表面氯离子浓度最大值一般取1.0%（占混凝土的质量百分比）；临界氯离子浓度参考美国Life365预测模型取值0.05%。混凝土保护层厚度统一采用55 mm，初始氯离子浓度取0.02%。计算结果见表2所示，可知透水模板布可显著提高混凝土结构的使用寿命。考虑到暴露时间相对较短，并且透水模板布主要影响表层一定深度处混凝土的致密性，当海水中氯离子侵蚀深度超过透水模板布的有效影响深度后，其氯离子侵蚀规律还不得而知，需后期跟踪分析。

表2 透水模板布对海工高性能混凝土结构使用寿命的影响Table 2 Effect of CPF on the service life of marinehigh performance concrete structures

3 结论及建议

1）由于透水模板布的排水、排气和保湿养护作用，可有效提高表层混凝土的抗氯离子渗透性，延缓氯离子对混凝土的侵蚀，降低混凝土氯离子扩散系数，显著提高混凝土结构的使用寿命。

2）随暴露时间的延长，透水模板布对混凝土氯离子扩散系数的降低幅度逐渐减弱，且扩散系数逐渐衰减，表面氯离子浓度逐渐增大。

由于现场暴露试验周期相对较短，针对透水模板布对混凝土抗氯离子渗透性及结构使用寿命的影响，还需今后进一步跟踪研究。

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