ASTM标准下骨料坚固性对混凝土耐久性影响的研究和处理分析

ASTM标准下骨料坚固性对混凝土耐久性影响的研究和处理分析
发布时间：2021-11-12T15:09:07.319Z 来源：《防护工程》2021年23期作者：丁龙
[导读] 现进行总结与回顾ASTM标准下混凝土骨料坚固性不达标使用Sika新材料提高混凝土耐久性的处理方式。

中国水利水电第十工程局有限公司四川成都 610072
摘要：在ASTM标准中，骨料坚固性差对混凝土耐久性有一定影响，但允许在一定条件下使用坚固性超过规定限制的骨料，骨料坚固性不好不能直接说明混凝土耐久性存在问题，本文针对高标准项目遇到的骨料坚固性差而影响混凝土耐久性的问题，依据ASTM进行试验分析，介绍了试验分析过程和使用Sika材料提高混凝土耐久性的案例，取得的经验可为国内外类似工程问题处理提供一定参考。

关键词：ASTM标准；骨料坚固性；混凝土耐久性；试验分析；Sika新材料运用
1概述
斐济Wainisavulevu大坝加高项目（WWRP）位于斐济群岛，为中国电建在斐济建设的第二个水利项目，该工程由混凝土溢流坝与粘土心墙堆石坝组成。

工程建设标准为欧美和澳新标准，混凝土试验及施工依据美国材料与实验协会标准（ASTM），项目监理为美华公司（MWH）。

斐济全岛由火山喷发形成，岩石以玄武岩为主，在后期混凝土骨料试验发现，业主指定采石场生产的部分骨料坚固性达不到ASTM标准要求，鉴于项目周边无其他骨料来源，依据ASTM标准对骨料坚固性的问题进行研究，在满足质量、工期的前提下，使用特殊新材料提高已浇混凝土耐久性的处理措施改良了混凝土特性并提高了混凝土耐久性，获得了美华和业主的认可。

笔者参与了该研究及实施过程，现进行总结与回顾ASTM标准下混凝土骨料坚固性不达标使用Sika新材料提高混凝土耐久性的处理方式。

2 混凝土耐久性与骨料坚固性
2.1混凝土耐久性
混凝土结构的耐久性指混凝土结构在规定的使用年限内，在自然环境、使用环境及材料内部因素等各种条件作用下，不需要额外的费用加固处理而保持其安全性、正常使用和可接受的外观能力[1]。

评价其主要指标有抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、碳化。

影响结构耐久性的因素有内在因素如结构的设计形状和构造型式、钢筋保护层厚度和直径大小、选用的水泥和骨料种类、混凝土的水灰比和密实度、外加剂类型、浇筑和养护的施工工艺等，和外在因素如冷热、干湿、冻融循环、化学介质侵蚀、磨损破坏等。

笔者对ASTM标准下特定项目选用的骨料因素对耐久性的影响进行了分析。

2.2混凝土骨料的坚固性
混凝土骨料的坚固性，主要为评价骨料受温度、湿度以及风化、冻融、腐蚀或其他物理作用等条件影响下的抗破裂能力。

通常情况下骨料坚固性质量损失率愈大，混凝土的抗冻耐久性指数愈小。

DL/T 5144-2001《水工混凝土施工规范》中规定配制有抗冻要求的混凝土的粗骨料坚固性不应大于5%，无抗冻要求的混凝土的粗骨料坚固性不应大于12%[2]；美国ASTMC33-01中规定细骨料的平均质量损失不能大于10%，粗骨料平均质量损失不能大于12%。

本工程混凝土强度超过设计等级，结构无渗漏、开裂等问题。

工程后期骨料试验显示骨料有部分坚固性不合格，其中部分砂坚固性达到13.5%，部分粗骨料坚固性达到13%，超过规范规定的限值。

骨料坚固性差可能导致堰体混凝土耐久性降低，技术人员研究ASTM标准并寻找解决此问题的办法。

3 ASTM试验测定骨料影响
3.1 ASTM C33骨料坚固性实验
ASTM C 33中允许使用超过坚固性试验结果规定限值的粗骨料和细骨料[3]，前提是“由相同来源的类似骨料制成的具有可比性能的混凝土，在暴露于类似的风化条件下提供令人满意的服务”。

若骨料不满足以上要求且无相关使用记录，但“在混凝土冻融循环试验（ASTM
C666）中表现出令人满意的结果”就仍可以使用，ASTM中未明确冻融试验合格的标准。

该骨料料源曾用于南德瑞瓦图水电站，其混凝土只使用6年，故没有该骨料的长期应用性能指标。

对项目后期骨料的坚固性测试封闭图表表明骨料坚固性数据结果超过规定限值（砂为10%，粗骨料为12%）。

现场实验室坚固性测试结果如图1。

图1 骨料坚固性测试封闭图
坚固性试验对骨料的分析表明，材料对硫酸盐结晶引起的膨胀的抵抗力稍差，推断对冻融循环的抵抗力可能不好，鉴于斐济的特殊环境（温差小于20度），不存在冻融恶化情况。

3.2 ASTM试验C666
根据ASTM试验C666《混凝土快速冻融能力的标准试验方法》第3.3节相关内容，当骨料坚固性存疑时，试验可用于确定粗骨料对混凝土冻融耐久性影响的等级。

“若骨料在经过冻融试验的混凝土样本中表现令人满意，则认为骨料合格。

”对混凝土样品进行冻融试验，在达到相对动模量的60%之前混凝土样品持续超过150个循环，冻融循环后重量损失小于5%，试验结果符合规范要求，混凝土成品达到设计冻融要求，侧面反映混凝土耐久性达标。

在C666第1节中指出“这两种程序均不旨在提供特定类型混凝土预期使用年限的定量测量”，工程师认为根据试验结果无法获得该混凝土的具体使用年限。

3.3 吸水率与骨料坚固性
在新西兰国家实验室的一份报告中指出吸水率可作为骨料坚固性倾向的初始一般指标。

对不合格的骨料进行吸水率测试，报告显示吸水率增加到2.4%，SKM规范中规定1.75%的限制，测试样本骨料吸水率比较高且上升。

吸水率值证实该玄武岩具高度多孔性，配制混凝土硬化后内部缺陷孔隙多，给Cl-等提供了一定的进出通道，影响钢筋混凝土耐久性。

吸水率测试结果如图2。

图2 骨料吸水率测试
3.4风化质量指数测量
根据ASTM标准对样品骨料进行风化质量指数（WQI）的测量[4]，样品材料处于第二低类别，抗蚀性稍差。

试验结果表明坚固性差的样品暴露在高水平的磨损、侵蚀或直接物理磨损中表现出弱抗风化能力和性能。

3.5 物理流水侵蚀影响
堰内混凝土最严重的物理侵蚀是水的干湿变化及流动水的侵蚀/空化压力。

该侵蚀最有可能影响水泥皮和砂浆层，细骨料风化性能将对其耐久性能产生影响。

暴露于水流的混凝土水泥皮（外层1毫米）在未来可能会因水流冲刷而剥落，砂浆层可能会凹陷并最终破坏骨料颗粒层。

由于无使用相同材料建造的类似结构进行比较，无法预测这一过程的进展速度。

3.6 混凝土耐久性结论
业主专家认为劣质骨料表现出较高的坚固性测试结果和较低的风化质量指数，夹杂的劣质骨料会影响结构的耐久性。

推断在较差的现场环境下，混凝土存在弱抗风化性能表现。

ASTM C33规定拒收混凝土不应仅基于坚固性测试失败，在斐济无冻融，所以坚固性测试没有那么重要，风化试验找不到可接受的极限。

骨料坚固性不达标只能说明骨料不好，对混凝土的耐久性有一定影响，但混凝土耐久性与多因素有关，在斐济多雨且全年温差极小（小于20度）的环境下，混凝土的耐久性问题没那么明显。

基于上述情况，工程师认为通过ASTM试验和研究较难提供骨料坚固性差而混凝土耐久性没有问题的可接受的确凿证据，受到风化或流水的影响（即溢洪道表面）的混凝土表面随着时间的推移可能会出现一些退化，该外露混凝土表面可能无法维持预期的100年设计寿命。

因此，未来FEA（斐济电力局）可能需对溢洪道表面进行混凝土修复工作以确保结构保持其长期耐久性。

4 坚固性处理方案
经与工程师及业主商讨，考虑两种方案对溢流堰等高速过水面的混凝土进行处理以增加结构耐久性和使用年限。

4.1 处理方案比选
方案一：对溢洪道及过水面重建新钢筋混凝土替换现有混凝土。

方案二：使用新西兰Sika公司新型特殊材料对混凝土表面进行改良处理。

方案一中重建新混凝土所需的新骨料需从遥远的城市购买，且骨料是否合格不确定，重新试验将经历大量时间，时间和经济成本高，将影响结构功能的按期投入使用。

方案二中Sika公司书面文件确认其产品将提高混凝土耐久性。

工程师组织施工方与业主讨论认为应在不影响枢纽的功能性和发电节点下对混凝土进行处理，尽快应用Sika产品于新鲜混凝土。

研究选用Sika-Purigo-5S和Sikafloor-CureHard-24两种材料来提高过水面混凝土耐久性，其中Purigo-5S运用于垂直面，CureHard-24运用于水平面。

4.2 新材料特性
4.2.1 Sika-Purigo-5S
Purigo 5S是一种经济、易用的混凝土地面硬化剂和防尘剂。

它是一种基于“活性”硅酸钠的液体，与混凝土中的氢氧化钙发生化学反应成为表面基质的组成部分，粘结并紧固顶面，帮助混凝土获得最大的水化、强度、耐久性和表面硬度。

4.2.2 Sikafloor-CureHard-24
Sikafloor-CureHard-24是一种高固化、单组分、透明硅酸钠基液体，用于养护、硬化和密封新鲜或已硬化的混凝土，主要应用于需要具有轻到中等耐磨性硬表面的水平新旧混凝土。

该产品具有良好的渗透性、提高混凝土化学抵抗性和耐磨性等。

4.3材料的运用
4.3.1处理部位
对所有过水面进行处理，包含：（1）消力池及下游立面；（2）溢洪道台阶；（3）面向溢洪道的边墩；（4）溢洪道开口上游面向下2m范围；（5）两边导墙。

根据Sika两种产品的特点，待处理区域分为水平区域和立面区域，施工顺序从上而下进行，立面与水平面交叉进行，处理基本流程见图3。

图3 处理基本流程图4.3.2表面处理
表面喷涂前须干净整洁，无任何松散粘附颗粒或污染物（灰尘、污垢、油脂等），采用超过4500 psi额定值的工业级高压水喷射机进行表面清理，局部配合以人工钢丝刷、砂轮打磨机辅助清理。

4.3.3 材料应用
Sika公司技术代表指导涂层产品的应用，重要步骤、应用程序说明如下：
（1）Sikafloor-CureHard-24的应用
1）混凝土浇筑满14天且完全干燥；2）需喷涂两层，两层间隔3-4小时；3）使用高容量低压喷雾装置连续喷涂；4）用软毛扫帚将材料擦洗到表面直到材料开始凝结变滑；5）用水轻轻地将材料弄湿，再将其重新擦洗入表面10-20分钟；6）完成以上过程后，冲洗地板，并用橡皮刷清除多余的材料；7）在多孔的、粗糙纹理的表面，额外增加一层涂抹。

（2）Purigo 5S的应用
1）混凝土浇筑满21天且完全干燥；2）使用低压喷雾器喷洒在垂直或半垂直混凝土表面；3）共喷涂三层，每层之间间隔24小时进行；4）应用过程应防止多余产品流到水平台阶表面上，污染水平表面；5）在炎热或有风条件下，Purigo5S使用后的一个小时覆盖聚乙烯薄膜养护；6）最后一层处理完24小时后，使用清水冲洗处理过的地板去除残留材料。

5 应用效果评价
使用Sika材料后混凝土机械/物理性能改变如下：
（1）耐磨性：
与未处理区域相比，使用新材料后混凝土的耐磨性整体增加了约50 mg（TABER耐磨耗试验机，H-22砂轮，1000 g/1000转）（ASTM D-4060标准）；与同部位未处理的C32混凝土相比，耐磨性提高8.8%（ASTM D-4060标准）。

（2）冲击抵抗值：59 Nm（III级：≥20Nm）（EN 6272）
（3）拉伸粘结强度：4.82N/mm2（EN 1542）
（4）穿透深度：5.7mm（EN 1504-2）
使用Sika材料处理后，混凝土耐磨性等性能显著提高，能较好地延缓水流冲刷对混凝土耐久性的破坏，提高了混凝土耐久性，取得了多方需要的理想效果。

6结语
ASTM中规定骨料坚固性超过规定的限值仍然可用作混凝土骨料，但需要一定的条件，拒收混凝土不能仅仅基于坚固性测试不合格，骨料坚固性对混凝土耐久性的影响需根据实际情况具体分析。

斐济项目实践经验表明使用现代化学新材料可在一定程度上提高混凝土耐久性，取得的经验可以推广到国外类似工程问题。

中国施工企业在国际上与国外企业竞争需钻研国际通用技术标准，同时关注国际国内新材料的运用，在不违反标准的前提下提高产品性能和获取更多的经济效益。

参考文献：
[1]王江清.提高混凝土结构的耐久性措施探讨[J].中国新技术新产品，2012，11：72-73
[2]中国长江三峡开发总公司，《水工混凝土施工规范》DL/T 5144-2001，北京，中国电力出版社，2002
[3]ASTM C 33 – 03，Standard Specification for Concrete Aggregates[J]，Copyright ASTM International，100 Barr Harbor Drive，West Conshohocken，United States.2003.06
[4]BouzahzahH，Benzaazoua M，Bruno Bussière，et al. ASTM规范的模拟风化反应动力学湿箱试验：硫化物尾矿试验规程的优化[J]. Mine Water and the Environment，2015，34（3）：242-257.。