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【摘 要】 近年来在铁路工程大规模建设过程中使用到了高性能混凝土，高性能混凝土具有高耐久性、高工作性及高强度性能，耐久性方面检测项目主要有电通量、抗渗、抗冻融、护筋性等。本文以铁路工程为例，先说明目前铁路混凝土耐久性研究现状，然后详细分析了以抗氯离子渗透性作为指标的水胶比、矿物掺和物料类、掺量对混凝土耐久性的影响，发现在氯盐环境下，粉煤灰和矿渣粉适宜掺量能极大地提高混凝土的耐久性，从现阶段的技术和经济方面考虑，现在的铁路混凝土主要添加粉煤灰和矿渣粉两种掺合料，严格控制现场粉煤灰和矿渣粉等质量保证基本的混凝土工作性和强度，进一步充分发挥其封孔固化和致密效应等优势，更好的提高混凝土结构的耐久性。希望本文能为相关工作人员带来一些帮助。
【关键词】 铁路混凝土；耐久性；电通量
1.前言
混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶凝材料，颗粒状集料（也称为骨料），水，以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经过均匀搅拌，密实成型，养护硬化而形成的一种人工石材。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点。这些特点使其使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料。而且使用量也在逐年增加，在混凝土满足经济性的同时，耐久性就逐渐成为了工程界研究中热点问题之一，为更好的说明配料比对混凝土耐久性的影响，本文先从混凝土研究现状说起。
2.混凝土耐久性研究现状
在预定的作用和预期的使用与维护条件下，混凝土结构及构件在设计使用年限内抵抗环境介质作用保持其适用性和外观完整性，从而维持混凝土结构能安全、正常使用的能力称为耐久性。检测指标通常包括抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性及抗碱-骨料反应性等，检验方法通常包括电通量法、抗硫酸盐侵蚀试验、快速氯离子迁移系数法及快冻法试验等。国内外对于混凝土结构层次上的耐久性研究都比较少，通常研究的是配合比对耐久性的影响，本文主要讨论混凝土抗氯离子渗透性能。
钢筋混凝土表面存在大量的水溶液形式的氯离子，若是混凝土表面存在裂缝、开口缝隙等，表面的氯离子就会进入并集聚在钢筋周围，当氯离子的浓度超过了极限值就很容易使钢筋长生钝化膜，生成铁氯复合物，引起钢筋锈蚀，进而引发混凝土的结构遭到破坏，因此对于混凝土而言，氯离子是一个最危险的物质，目前测定混凝土抗氯离子渗透的一个比较理想的指标是测定混凝土中的氯离子扩散系数，目前还没有比较成熟的计算公式，通常采用自然扩散法和电迁移法来测定氯离子扩散系数。自然扩散法是指将混凝土长期浸泡在含氯离子的盐水中借助化学滴定法来测定不同深度的氯离子含量。电迁移法先通过施加电场来加速氯离子在混凝土中的迁移，缩短氯离子达到稳定传输过程的时间，然后结合化学分析来确定氯离子扩散系数目前，铁路混凝土结构设计过程中使用年限分别为：桥梁、涵洞、隧道的主体结构，路基支挡及承载结构，无砟轨道道床板、底座板设计使用年限100年；路基防护结构，200kmh及以下铁路路基排水结构，接触网支柱等设计使用年限100年；其他铁路路基排水结构，电缆沟槽、防护砌块、栏杆等可更换小构件使用年限为30年。为更好的满足铁路混凝土耐久性要求，应充分考虑原材料的性能，从混凝土配合比入手，而现阶段铁路混凝土中的掺合料多为粉煤灰和矿渣粉，更应寻求掺合料的最佳掺量，在满足验标要求的情况下配制更适合于现场生产用的混凝土。
3.氯盐环境下混凝土耐久性研究
3.1试验原材料
本文试验采用的原材料包括：云南玉溪华宁玉珠水泥有限公司生产的P.042.5水泥；昆明环恒粉煤灰有限责任公司生产的F类C50以下砼用粉煤灰；玉溪三合建材公司生产的水泥和混凝土用磨细矿渣粉；玉溪洛河双龙石场生产的水洗机制砂其细度模数为3.0、Ⅱ区中砂；山西凯迪建材有限公司生产的KDSP-1聚羧酸高性能减水剂。水泥比表面积为340m2/kg、SO3含量为2.74%、碱含量0.39%，粉煤灰碱含量0.19%、SO3含量0.54%，磨细矿渣粉碱含量0.66%、SO3含量0.016%、氯离子含量0.011%。
3.2测试方案
提高混凝土抗氯离子渗透性能的办法主要包括两方面，一是降低水胶比来提高混凝土的密实度，二是添加矿物掺合料来改善混凝土流动性、抑制坍损、提高施工性能，减少水化热、减少干缩、降低混凝土温升，尤其对提高后期强度、改善混凝土内部结构、增加密实性，提高抗腐蚀能力、抑制碱骨料反应，从而确保混凝土耐久性，有效降低工程成本、提高经济效益。
本文采取不同水胶比、不同胶凝材料用量、不同掺量的掺合料来测定不同情况下混凝土的抗氯离子渗透性能。共进行18个测试，其中水胶比采用0.45三个，胶材用量分别是330kg/m3、340kg/m3、350kg/m3；水胶比0.38十二个，胶材用量分别是400kg/m3、410kg/m3、420kg/m3；水胶比0.33三个，胶材用量分别是440kg/m3、450kg/m3、460kg/m3，胶材中掺合料用量、坍落度如下表1所示。
表1
配比编号 水胶比 胶材总量 水泥 粉煤灰 矿渣粉 坍落度
1 0.45 330 330 0 0 160
2 0.38 400 400 0 0 185
3 0.33 440 440 0 0 200
4 0.45 340 340 0 0 170
5 0.38 410 410 0 0 180
6 0.33 450 450 0 0 220
7 0.45 350 350 0 0 175
8 0.38 420 420 0 0 200 9 0.33 460 460 0 0 220
10 0.38 400 280 120 0 185
11 0.38 410 287 123 0 205
12 0.38 430 301 129 0 210
13 0.38 400 280 0 120 180
14 0.38 410 246 74 90 210
15 0.38 420 252 76 92 200
16 0.38 400 240 72 88 170
17 0.38 410 246 74 90 220
18 0.38 420 252 76 92 210
3.3测试方法
混凝土空隙越大，在外加电场作用下，带电氯离子越容易扩散，采用抗氯离子渗透试验方法之一电通量法有利于设计和验收高性混凝土，花费时间短，而且在国内外大型工程中普遍使用抗氯离子渗透试验来进行评价混凝土抗氯离子渗透性能，因此本文选取电通量法来进行试验。为了在一定的时间内得到混凝土最佳配合比，本文选用电通量试验来进行测试，氯盐环境下钢筋混凝土最低强度等级要求和不同强度等级钢筋混凝土电通量要求见下表2所示。
表2
设计使用年限 环境作用等级 混凝土强度等级
L1 L2 L3 100 C40 C45 C50 1500 1200 1000
60 C35 C40 C45 2000 1500 1200
30 C35 C40 C45 2500 2000 1500
3.4结果与讨论
本文选用设计等级分别为C30、C40、C50的混凝土，经测试以上配比电通量结果如下表3所示：
表3
配比
编号 电通量（56d） 配比
编号 电通量（56d） 配比
编号 电通量（56d） 配比
编号 电通量（56d）
1 3489 6 2014 11 1028 16 902
2 2985 7 3530 12 987 17 875
3 1998 8 3026 13 965 18 881
4 3526 9 2033 14 910
5 3002 10 1086 15 862
3.4.1不同水胶比对混凝土耐久性的影响
在1～9组配合比所对应的水胶比分别是0.43、0.38、0.33，同一水胶比配合比电通量测试值平均为3515C、3004C、2015C，均大于2000C。通过试验发现，随着水胶比的降低、混凝土的抗氯离子渗透性能逐渐增加，也就是说耐久性随之增加，从总体看来不添加掺合料的混凝土即纯水泥配比，其电通量测试值基本处于2000～3500C，大部分大于3000C，由此可见，在不添加任何掺合料的情况下，一味的通过降低水胶比也不能改善混凝土抗氯离子渗透性能，纯水泥配合比并不适合有较高耐久性要求的铁路工程使用。
3.4.2添加掺合料对混凝土耐久性的影响
在10～12组配合比中单掺粉煤灰，其掺量为30%，电通量测试值平均为1034C；13组配合比中单掺矿渣粉，其掺量为30%，电通量测试值平均为965C，小于1000C；14～18组配合比中双掺粉煤灰和矿渣粉，其总掺量为40%，电通量测试值平均为886C。以上配合比中添加掺合料后其电通量均小于2000C。通过表3可以看出在混凝土中添加粉煤灰和矿渣粉掺合料后抗氯离子渗透性有了显著的提高，由此不仅改善混凝土工作性、抑制坍损、提高施工性能，减少水化热和干缩、尤其对提高后期强度、改善混凝土内部结构封孔固化、增加密实性，更好的提高混凝土结构的耐久性。
4.结束语
综上所述，本文主要论述了以电通量作为指标的水胶比、矿物掺和物料类、掺量对混凝土耐久性的影响，证明了粉煤灰和矿渣粉的适量添加能极大地提高混凝土的耐久性。在实际应用中施工环境、工程设计要求千差万别，因此混凝土配合比也需要发生一些改变，这些还需要研究人员进行不断的探索。
参考文献：
[1]混凝土材料耐久性能的影响因素及评价指标研究，冯仲伟、李化建、李林香等，铁道建筑，2010
[2]铁路高性能混凝土配合比设计探讨，冀绪发，科技资讯，2007
[3]氯盐环境下铁路混凝土配合比参数的研究，李化建、谢永江、易忠来等，铁道学报，2012
[4]铁路混凝土工程施工质量验收标准，中国铁道出版社，2011
[5]铁路混凝土结构耐久性设计规范，中国铁道出版社，2011
【关键词】 铁路混凝土；耐久性；电通量
1.前言
混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶凝材料，颗粒状集料（也称为骨料），水，以及必要时加入的外加剂和掺合料按一定比例配制，经过均匀搅拌，密实成型，养护硬化而形成的一种人工石材。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大。同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽等特点。这些特点使其使用范围十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料。而且使用量也在逐年增加，在混凝土满足经济性的同时，耐久性就逐渐成为了工程界研究中热点问题之一，为更好的说明配料比对混凝土耐久性的影响，本文先从混凝土研究现状说起。
2.混凝土耐久性研究现状
在预定的作用和预期的使用与维护条件下，混凝土结构及构件在设计使用年限内抵抗环境介质作用保持其适用性和外观完整性，从而维持混凝土结构能安全、正常使用的能力称为耐久性。检测指标通常包括抗裂性、护筋性、耐蚀性、抗冻性、耐磨性及抗碱-骨料反应性等，检验方法通常包括电通量法、抗硫酸盐侵蚀试验、快速氯离子迁移系数法及快冻法试验等。国内外对于混凝土结构层次上的耐久性研究都比较少，通常研究的是配合比对耐久性的影响，本文主要讨论混凝土抗氯离子渗透性能。
钢筋混凝土表面存在大量的水溶液形式的氯离子，若是混凝土表面存在裂缝、开口缝隙等，表面的氯离子就会进入并集聚在钢筋周围，当氯离子的浓度超过了极限值就很容易使钢筋长生钝化膜，生成铁氯复合物，引起钢筋锈蚀，进而引发混凝土的结构遭到破坏，因此对于混凝土而言，氯离子是一个最危险的物质，目前测定混凝土抗氯离子渗透的一个比较理想的指标是测定混凝土中的氯离子扩散系数，目前还没有比较成熟的计算公式，通常采用自然扩散法和电迁移法来测定氯离子扩散系数。自然扩散法是指将混凝土长期浸泡在含氯离子的盐水中借助化学滴定法来测定不同深度的氯离子含量。电迁移法先通过施加电场来加速氯离子在混凝土中的迁移，缩短氯离子达到稳定传输过程的时间，然后结合化学分析来确定氯离子扩散系数目前，铁路混凝土结构设计过程中使用年限分别为：桥梁、涵洞、隧道的主体结构，路基支挡及承载结构，无砟轨道道床板、底座板设计使用年限100年；路基防护结构，200kmh及以下铁路路基排水结构，接触网支柱等设计使用年限100年；其他铁路路基排水结构，电缆沟槽、防护砌块、栏杆等可更换小构件使用年限为30年。为更好的满足铁路混凝土耐久性要求，应充分考虑原材料的性能，从混凝土配合比入手，而现阶段铁路混凝土中的掺合料多为粉煤灰和矿渣粉，更应寻求掺合料的最佳掺量，在满足验标要求的情况下配制更适合于现场生产用的混凝土。
3.氯盐环境下混凝土耐久性研究
3.1试验原材料
本文试验采用的原材料包括：云南玉溪华宁玉珠水泥有限公司生产的P.042.5水泥；昆明环恒粉煤灰有限责任公司生产的F类C50以下砼用粉煤灰；玉溪三合建材公司生产的水泥和混凝土用磨细矿渣粉；玉溪洛河双龙石场生产的水洗机制砂其细度模数为3.0、Ⅱ区中砂；山西凯迪建材有限公司生产的KDSP-1聚羧酸高性能减水剂。水泥比表面积为340m2/kg、SO3含量为2.74%、碱含量0.39%，粉煤灰碱含量0.19%、SO3含量0.54%，磨细矿渣粉碱含量0.66%、SO3含量0.016%、氯离子含量0.011%。
3.2测试方案
提高混凝土抗氯离子渗透性能的办法主要包括两方面，一是降低水胶比来提高混凝土的密实度，二是添加矿物掺合料来改善混凝土流动性、抑制坍损、提高施工性能，减少水化热、减少干缩、降低混凝土温升，尤其对提高后期强度、改善混凝土内部结构、增加密实性，提高抗腐蚀能力、抑制碱骨料反应，从而确保混凝土耐久性，有效降低工程成本、提高经济效益。
本文采取不同水胶比、不同胶凝材料用量、不同掺量的掺合料来测定不同情况下混凝土的抗氯离子渗透性能。共进行18个测试，其中水胶比采用0.45三个，胶材用量分别是330kg/m3、340kg/m3、350kg/m3；水胶比0.38十二个，胶材用量分别是400kg/m3、410kg/m3、420kg/m3；水胶比0.33三个，胶材用量分别是440kg/m3、450kg/m3、460kg/m3，胶材中掺合料用量、坍落度如下表1所示。
表1
配比编号 水胶比 胶材总量 水泥 粉煤灰 矿渣粉 坍落度
1 0.45 330 330 0 0 160
2 0.38 400 400 0 0 185
3 0.33 440 440 0 0 200
4 0.45 340 340 0 0 170
5 0.38 410 410 0 0 180
6 0.33 450 450 0 0 220
7 0.45 350 350 0 0 175
8 0.38 420 420 0 0 200 9 0.33 460 460 0 0 220
10 0.38 400 280 120 0 185
11 0.38 410 287 123 0 205
12 0.38 430 301 129 0 210
13 0.38 400 280 0 120 180
14 0.38 410 246 74 90 210
15 0.38 420 252 76 92 200
16 0.38 400 240 72 88 170
17 0.38 410 246 74 90 220
18 0.38 420 252 76 92 210
3.3测试方法
混凝土空隙越大，在外加电场作用下，带电氯离子越容易扩散，采用抗氯离子渗透试验方法之一电通量法有利于设计和验收高性混凝土，花费时间短，而且在国内外大型工程中普遍使用抗氯离子渗透试验来进行评价混凝土抗氯离子渗透性能，因此本文选取电通量法来进行试验。为了在一定的时间内得到混凝土最佳配合比，本文选用电通量试验来进行测试，氯盐环境下钢筋混凝土最低强度等级要求和不同强度等级钢筋混凝土电通量要求见下表2所示。
表2
设计使用年限 环境作用等级 混凝土强度等级
L1 L2 L3
60 C35 C40 C45 2000 1500 1200
30 C35 C40 C45 2500 2000 1500
3.4结果与讨论
本文选用设计等级分别为C30、C40、C50的混凝土，经测试以上配比电通量结果如下表3所示：
表3
配比
编号 电通量（56d） 配比
编号 电通量（56d） 配比
编号 电通量（56d） 配比
编号 电通量（56d）
1 3489 6 2014 11 1028 16 902
2 2985 7 3530 12 987 17 875
3 1998 8 3026 13 965 18 881
4 3526 9 2033 14 910
5 3002 10 1086 15 862
3.4.1不同水胶比对混凝土耐久性的影响
在1～9组配合比所对应的水胶比分别是0.43、0.38、0.33，同一水胶比配合比电通量测试值平均为3515C、3004C、2015C，均大于2000C。通过试验发现，随着水胶比的降低、混凝土的抗氯离子渗透性能逐渐增加，也就是说耐久性随之增加，从总体看来不添加掺合料的混凝土即纯水泥配比，其电通量测试值基本处于2000～3500C，大部分大于3000C，由此可见，在不添加任何掺合料的情况下，一味的通过降低水胶比也不能改善混凝土抗氯离子渗透性能，纯水泥配合比并不适合有较高耐久性要求的铁路工程使用。
3.4.2添加掺合料对混凝土耐久性的影响
在10～12组配合比中单掺粉煤灰，其掺量为30%，电通量测试值平均为1034C；13组配合比中单掺矿渣粉，其掺量为30%，电通量测试值平均为965C，小于1000C；14～18组配合比中双掺粉煤灰和矿渣粉，其总掺量为40%，电通量测试值平均为886C。以上配合比中添加掺合料后其电通量均小于2000C。通过表3可以看出在混凝土中添加粉煤灰和矿渣粉掺合料后抗氯离子渗透性有了显著的提高，由此不仅改善混凝土工作性、抑制坍损、提高施工性能，减少水化热和干缩、尤其对提高后期强度、改善混凝土内部结构封孔固化、增加密实性，更好的提高混凝土结构的耐久性。
4.结束语
综上所述，本文主要论述了以电通量作为指标的水胶比、矿物掺和物料类、掺量对混凝土耐久性的影响，证明了粉煤灰和矿渣粉的适量添加能极大地提高混凝土的耐久性。在实际应用中施工环境、工程设计要求千差万别，因此混凝土配合比也需要发生一些改变，这些还需要研究人员进行不断的探索。
参考文献：
[1]混凝土材料耐久性能的影响因素及评价指标研究，冯仲伟、李化建、李林香等，铁道建筑，2010
[2]铁路高性能混凝土配合比设计探讨，冀绪发，科技资讯，2007
[3]氯盐环境下铁路混凝土配合比参数的研究，李化建、谢永江、易忠来等，铁道学报，2012
[4]铁路混凝土工程施工质量验收标准，中国铁道出版社，2011
[5]铁路混凝土结构耐久性设计规范，中国铁道出版社，2011