混凝土结构耐久性是指以环境作用和工程结构特点为前提反映混凝土材料自身安全性能的一种特性，亦即具有环境依赖性、工程依赖性和时间依赖性[1]。根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，混凝土耐久性能主要包括抗冻、抗渗、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀、抗碳化性能和收缩、抗裂性能等。由于轻骨料混凝土(LWAC)中骨料的多孔性而具有吸、放水功能，从而可促进混凝土内养护功能，有效改善骨料界面结构特征，因而可有效提高混凝土的某些耐久性能和长期性能[2-3]。
为了改善全轻混凝土(ALWC)成本较高、泵送和施工时骨料易上浮等缺点[4]，通过采用普通粗、细骨料替代部分轻粗、细骨料方法并形成相应的石轻混凝土(LWCSCA)、砂轻混凝土(LWCSFA)、混合轻骨料混凝土[5-6](HLWC)；或通过掺入适量不同纤维的方法形成轻骨料纤维混凝土(FRLWAC)，以及配制自密实混凝土(SCLWC)等方法来提高轻骨料混凝土的综合物理力学性能和耐久性能[7-10]，从而使相应的轻骨料混凝土能够最大限度地兼顾全轻混凝土和普通混凝土优点而抑制其缺点。譬如，河砂和碎石通过弥补轻骨料自身的大孔隙结构缺陷而提高混凝土的耐久性能[11]；石灰石粉通过“微集料”效应改善水泥石与骨料界面而改善混凝土的渗透性能[9-10,12-13]；短切玄武岩纤维(Chopped basalt fiber, CBF)不仅能够降低混凝土的孔隙率和初始裂缝[14]，而且还利于抗氯离子渗透性能的提高[8,15]。
本研究主要根据近年来关于轻骨料混凝土的研究成果和工程实践[4-6,11]，以全轻页岩陶粒混凝土(ALWSCC)为基准，分别对砂轻、石轻和混轻混凝土及相应的砂轻、石轻和混轻自密实混凝土以及在ALWSCC基础上单掺CBF、石灰石粉(LSP)后的抗碳化、抗氯离子渗透和抗硫酸盐侵蚀性能进行了综合比较分析，以期为相关研究与应用提供试验分析依据。
1 试验概况
水泥采用焦作产坚固牌P·O42.5级水泥；粉煤灰为焦作电厂二级粉煤灰；轻粗、细骨料均为洛阳正全实业有限公司产碎石型页岩陶粒和陶砂(分别简称“陶粒”和“陶砂”，最大粒径15 mm)。其中，“陶粒”筒压强度3.2 MPa，堆积密度650 kg/m3，24 h吸水率4.0%，使用时为饱和面干状态(提前24 h充分预湿)；“陶砂”堆积密度880 kg/m3，24 h吸水率12.5%，细度模数3.15，连续级配。减水剂为萘系高效减水剂，减水率为15%，掺量为胶凝材料质量的1.8%；普通粗骨料为焦作产石灰岩碎石(最大粒径12 mm)，堆积密度1 650 kg/m3；普通细骨料为焦作产河砂，细度模数2.85，堆积密度1 450 kg/m3；石灰石粉为焦作强耐材料公司生产，按50%等质量取代粉煤灰；CBF为山西晋投玄武岩开发有限公司生产，直径15 μm，长度18 mm，密度2 650 kg/m3，抗拉强度4 150～4 850 MPa，弹性模量93～115 GPa，断裂伸长率3.0%～3.2%，按混凝土体积的0.2%掺入；水为自来水。所有配合比均按泵送要求和正交试验方法确定。耐久性试验方法及评定分别按GB/T 50082—2009和JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》规定。
不同种类轻骨料混凝土的配合比如表1、表2所示。
表1 LC30级不同轻骨料混凝土配合比
Table 1 Mix proportions of different kinds of LWACs for LC30
混凝土种类f28 dcu/MPa取代率/%各材料用量/(kg·m-3)粉煤灰陶粒陶砂碎石河砂ALWCLSPLWCSFALWCSCAHLWCCBF+ALWC自密实砂轻混凝土自密实石轻混凝土自密实混合轻骨料混凝土32.2033.65038.62037.81542.74541.45/2542.510/2538.65/2038.30.235.12031.6535.72531.84533.410/2531.510/515678156156156156156156156156495495495421272371371396495495470371272371470412412329412391371391412329412321371———188565314314251——6331456531463——136—346834—136—68
注：1)1 m3混凝土中的水泥质量均为381 kg。2)LSP按等粉煤灰质量50%取代；LWCSFA为河砂按等体积率20%取代陶砂；LWCSCA为碎石分别按等体积率15%、45%取代陶粒；HLWC为河砂及碎石分别按等体积率5%和25%、10%和25%取代陶砂和陶粒；SCLWCSFA为河砂按等体积率20%取代陶砂；SCLWCSCA为碎石分别按等体积率5%、25%、45%取代陶粒；SCHLWC为河砂及碎石分别按等体积率10%和25%、10%和5%取代陶砂和陶粒。3)“5/25”表示为河砂、碎石的等体积取代率分别为5%和25%，其他类同。下同。
表2 LC40级不同轻骨料混凝土配合比
Table 2 Mix proportions of different kinds of LWACs for LC40
混凝土种类f28 dcu/MPa取代率/%各材料用量/(kg·m-3)粉煤灰陶粒陶砂碎石河砂ALWC42.50210400465——LSP+AL-WC44.250105400465——LWCSFA49.120210400372—153LWCSCA44.415210340465153—47.545210220465457—HLWC48.45/252103004422543850.310/252103004182547746.85/2021032044220338CBF+AL-WC46.70.2210400465——
注：1 m3混凝土中的水泥质量均为495 kg。
2 试验方法及结果分析
2.1 抗碳化性能
2.1.1 试验方法及结果分析
试件规格尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，设备为中国建筑科学研究院产CABR-HTX12型混凝土碳化试验箱，测试龄期分别为7，14，28 d，试验结果见表3。
表3 不同龄期轻骨料混凝土的碳化深度
Table 3 Carbonation depth of different kinds of LWACs mm
混凝土种类 LC30 LC407 d14 d28 d7 d14 d28 dALWC7.510.112.66.39.111.6LSP+ALWC6.89.311.85.98.910.3LWCSFA6.58.911.25.48.310.9LWCSCA-456.58.410.74.87.69.9HLWC-5/257.19.912.56.58.611.3CBF+ALWC7.09.611.95.98.711.0SCLWCSFA5.26.97.8———SCLWCSCA-454.76.26.6———SCHLWC-10/257.18.99.7———
由表3可知：对同种混凝土，碳化深度随龄期增长而增大，并随强度等级增大而减小，但都远低于JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》中砂轻混凝土的规定(分别为 25, 30, 35，40 mm)。其中，以全轻混凝土为基准，石灰石粉、普通骨料和CBF均能降低碳化深度，且差异不大；而不同自密实混凝土的降低幅度则都较为显著。
其间，前7天的碳化深度增长最快，后期则增长较为缓慢。其原因在于混凝土强度形成初期，因开放性塑性孔隙通道促使空气中的CO2与混凝土内部大量生成的Ca(OH)2发生反应，但随着反应产物CaCO3增加而不断填充孔隙，从而使CO2扩散速率降低。而上述其他材料因均能改善孔隙结构、砂浆界面结构等微-细观结构，以及多孔性陶粒和陶砂所具有的吸、放水功能而起到的内养护作用，最终提高了不同轻骨料混凝土的抗碳化性能。
2.1.2 碳化深度预测模型
根据CO2在混凝土孔隙中的扩散遵循Fick第一扩散定律[16]，以及张海燕提出的一般环境下普通混凝土碳化深度模型，这里引入轻骨料混凝土的碳化速度系数KLC，见式(1)。
(1)
式中：
为轻骨料混凝土的抗压强度；KLC由本课题组多年来所积累的大量数据拟合得到。
由于在同等条件下，轻骨料混凝土的抗碳化能力要稍低于普通混凝土[17]。因此，对适于普通混凝土的碳化深度模型应再乘以某一折减系数αLC。亦即：
hLC=
(2)
式中：hLC为轻骨料混凝土碳化深度；kw为普通混凝土所处室内、外影响系数，室内取1.87，室外取1.0；T为环境温度，适用范围10～50 ℃；RH为碳化环境相对湿度，适用范围40%～95%；C0为碳化环境中的CO2体积浓度；t为混凝土碳化时间。
在环境温度为20 ℃，环境相对湿度为70%，CO2体积浓度为20%时，αLC由碳化深度实测值除以计算值得到，范围在0.24 ～0.31，结果见表4。
表4 轻骨料碳化模型的折减系数αLC
Table 4 Reduction coefficient αLC in carbonation model of LWACs
混凝土种类LC30LC40f28 d cu/MPa碳化深度试验值/mm碳化深度计算值/mmαLC30f28 d cu/MPa碳化深度试验值/mm碳化深度计算值/mmαLC40ALWC32.212.650.940.24742.511.640.330.288LSP33.611.849.110.24044.210.339.050.264LWCSFA38.611.243.680.25649.110.935.870.304LWCSCA-4542.710.740.170.26647.59.936.840.269HLWC-5/2541.412.541.210.30348.411.336.290.311
取表4中的αLC平均值，即
则由式(2)计算的碳化深度及相对误差如表5所示。
由表5可知：绝大多数的相对误差绝对值小于10%，说明修正的碳化模型可以用于轻骨料混凝土。另一方面，以全轻混凝土为基准，45%取代率时的石轻混凝土抗碳化能力最好，其次是砂轻混凝土(LC30)和石灰石粉(LC40)。
2.2 抗氯离子渗透性能
对规格为φ100 mm × 50 mm试件，采用设备为北京耐久伟业科技有限公司产NJ-DTL型混凝土氯离子电荷通过测定仪测定经28，56 d养护后6 h通过的电荷量，测试结果如表6和图1所示，并依据表7判断不同混凝土的抗氯离子渗透能力。
表5 式(2)模型的碳化深度预测值及相对误差
Table 5 Predicted values and relative errors calculated by the carbonation model Eq.(2)
混凝土种类LC30LC40试验值/mm计算值/mm相对误差/%δLC30 /%试验值/mm计算值/mm相对误差/%δLC40 /%ALWC12.613.355.9111.611.57-0.21.0LSP11.812.879.06.310.311.218.811.2LWCSFA11.211.442.111.110.910.29-5.56.0LWCSCA-4510.710.52-1.615.19.910.576.714.6HLWC-5/2512.510.80-13.60.811.310.42-7.72.6
注：相对误差=[(计算值-试验值)/试验值]×100%；δ表示以ALWC的碳化深度为基准，不同种类轻骨料混凝土的抗碳化能力提高率，%。
表6 不同轻骨料混凝土的6 h电通量
Table 6 Quantity of electric through different kinds of LWACs within 6 h
混凝土种类LC30LC40Q28d e30/(A·S)Δ28d 30/%Q56d e30/(A·S)Δ56d 30/%Q28d e40/(A·S)Δ28d 40/%Q56d e40/(A·S)Δ56d 40/%ALWC489.81249.21470.51235.01LSP——247.6-0.64——236.50.64LWCSFA366.2-25.2239.5-3.9345.9-26.5221.0-6.0LWCSCA-15420.6-0.14245.2-1.6403.6-14.2226.8-3.5HLWC-10/25564.515.3235.6-5.5540.814.9219.1-6.8CBF347.8-29.0——325.1-30.9——SCLWCSFA344.5-29.7——————SCLWCSCA-25510.64.3——————SCHLWC-10/25889.281.5——————
注：
分别为LC30、LC40混凝土在28，56 d养护后6 h通过的电荷量；
分别表示相对于基准组ALWC 时的电荷量增加率(+)或减少率(-)，%。
a—Qe30； b—Qe40。
图1 不同轻骨料混凝土的6 h通过电荷量
Fig.1 Quantity of electric charge through different kinds of LWACs within 6 h
结合表6、表7和图1可知：经28 d养护试件时的电荷通过量与混凝土种类和强度等级密切相关，但经56 d养护试件均已大幅度降低且相近，表明混凝土种类影响已不显著；同时，所有种类混凝土的电荷通过量均小于1 000 C，且强度等级越高，其电荷通过量越小。其中，对经28 d时养护试件LC30，以取代率为10%和25%时的混轻自密实混凝土电荷通过量为最大；其次是取代率为10%和25%时的混轻混凝土；再次是全轻混凝土和取代率为25%时的石轻自密实混凝土(两者相近)，其他差异不大。对28 d时的LC40，以取代率为10%和25%时的混轻混凝土为最大，其次是全轻混凝土，再次是取代率为15%时的石轻混凝土，其他相近。而自密实混凝土的抗氯离子性能仅有河砂取代时为最好。因此，河砂、CBF和砂轻自密实混凝土均能有效提高轻骨料混凝土的抗氯离子渗透性能。
表7 混凝土氯离子渗透性判断等级
Table 7 Grade judgment of chloride ion permeability for all kinds of concretes
电通量/C>2 0001 000～2 000100～1 000<100氯离子渗透性高低很低忽略
之所以28 d时的电荷通过量与混凝土种类和强度等级有关，是因为混凝土在早期水化反应中会产生塑性收缩[18-20]，其内应力导致内部出现微裂缝，增加氯离子自由迁移通道；而后期则由于水化反应生成物有效地改善了内部孔隙结构和界面结构，不仅提高了基体强度而且也限制了氯离子自由迁移。同时，纤维在混凝土中形成的空间网状结构，进一步提高了砂浆基体与粗骨料界面的强度和韧性；而河砂则主要改善了砂浆界面的结构强度。
2.3 抗硫酸盐侵蚀性能
试件规格尺寸为100 mm × 100 mm × 100 mm，设备为中国建筑科学研究院产CABR-LSB型全自动混凝土硫酸盐干湿循环试验机，依据GB/T 50082—2009和文献[21]中的试验方法以及循环次数(15、21和30次)，结果如表8所示。
其中，混凝土抗压强度耐蚀系数(Kf, n)由式(3)计算得到：
(3)
式中：fcu, n为n次(0, 15, 21, 30次)干湿循环后受硫酸盐腐蚀的一组试件抗压强度测定值；fcu, 0为与受硫酸盐腐蚀试件同龄期、标准养护的一组试件抗压强度测定值。
表8 不同轻骨料混凝土的抗压强度损失率与抗压耐腐蚀系数
Table 8 Compressive strength loss rates and corrosion resistance coefficients of different kinds of LWACs
混凝土种类LC30LC40fcu, 0/MPafcu, 21/MPaKLC30 /%Kf, 21/%fcu,,0/MPafcu, 21/MPaKLC40 /%Kf, 21/%ALWC32.230.1-6.593.242.539.7-6.593.5LSP33.631.6-6.094.044.242.0-5.095.1LWCSFA38.636.6-5.295.149.147.5-3.296.3LWCSCA-1537.835.3-6.693.544.441.8-5.994.3HLWC-5/2038.636.1-6.593.646.843.7-6.693.5CBF38.336.0-6.094.146.744.0-5.894.2
由表8可知：轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能同样与混凝土种类和强度等级有关，并随强度等级提高其抗侵蚀能力增强；在相同干湿循环次数条件下，其抗压强度损失率和耐蚀系数均相近。虽然如此，对于LC30，河砂替代时为最好，其次是CBF和石灰石粉；对于LC40，河砂替代时为最好，其次是石灰石粉。此外，不同强度等级时的K值和Kf值均相近，不仅说明k值和Kf值具有同步性和强相关性，而且也说明本试验是稳定、可靠的。
但对于自密实轻骨料混凝土来说(见表9)，在经历15次循环后，其抗压强度不降反而增加，且其提高率在15%左右(本文对15次循环后的非自密实混凝土没有试验，但依据文献[22-23]可知，其强度损失率和耐蚀系数是降低的)；而在经历30次循环后，其抗压强度损失率和耐蚀系数也几乎同样相近。此时，以河砂和碎石取代率分别为10%和5%时的混轻自密实混凝土为最好，其次是砂轻自密实混凝土。
表9 LC30轻骨料混凝土的抗压强度损失率与 抗压耐腐蚀系数
Table 9 Strength loss ratios and corrosion resstance coefficients of different kinds of self-compacting Luacs for LC30
混凝土种类fcu, 0/MPafcu, 15/MPak15/%Kf, 15/%fcu, 30/MPak30/%Kf, 30/%SCALWC30.034.214.014027.1-9.690.3SCLWCSFA35.139.813.413532.5-7.492.5SCLWCSCA-531.636.214.514728.8-8.891.0SCHLWC-10/531.538.323.115230.6-2.893.3
注：k为LC30、LC40混凝土的抗压强度损失率，%；即k=(fcu,n-fcu, 0)/fcu, 0×100%。
上述分析表明：掺入适量的河砂、石灰石粉、碎石和CBF均有利于轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能。这与文献[24-25]针对石灰石粉和CBF的抗硫酸盐侵蚀性能影响的结论一致。
由于混凝土在硫酸盐环境下初期所发生的化学反应生成的晶体能细化内部孔隙，从而提高混凝土强度，属于强化阶段。但随着反应的持续进行，晶体不仅析出过多，而且还具有一定的膨胀性，从而造成混凝土内部应力集中，诱发内部裂纹萌生、扩展，造成强度降低，属于劣化阶段。由表8中的数值变化规律可知：随着干湿循环次数的增加，k值和Kf值均呈先升高后降低的变化规律。
3 结束语
为了探讨不同轻骨料混凝土的耐久性能，以全轻混凝土为基准，通过适量取代陶砂、陶粒的方法，分别形成相应的砂轻、石轻和混轻混凝土及其对应的自密实混凝土，以及通过单掺石灰石粉和短切玄武岩纤维的方法，比较研究了碳化性能、抗氯离子渗透性能和抗硫酸盐侵蚀性能，结果表明：
1)通过引入轻骨料混凝土的碳化速度系数(KLC)和折减系数(αLC)，普通混凝土的碳化深度模型可以用于轻骨料混凝土，且其预测精度较好，绝大多数的相对误差绝对值在10%以内。其中，对同种混凝土，碳化深度随龄期增长而增大，但随强度等级增大而减小；石灰石粉、普通骨料和CBF均能提高抗碳化性能，而自密实混凝土的抗碳化性能更为显著。
2)不同轻骨料混凝土的抗氯离子侵蚀性能，表现在28 d龄期试件的电荷通过量同样与混凝土种类和强度等级密切相关，但56 d时均已大幅度降低且相近，且均属于“很低”级别，并随强度等级提高而减小。其中，河砂、CBF和砂轻自密实混凝土均能有效提高轻骨料混凝土的抗氯离子渗透性能。
3)不同轻骨料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能同样与混凝土种类和强度等级密切相关，并随强度等级提高而增强；在相同干湿循环次数条件下，其抗压强度损失率(k)和耐蚀系数(Kf)均相近并具有同步性和强相关性；但对于自密实轻骨料混凝土，却随干湿循环次数增大呈先提高后降低的变化趋势。其中，河砂、石灰石粉和CBF及自密实混凝土均能有效提高抗硫酸盐侵蚀性能。
随着新型、特种和功能型混凝土在结构工程中的应用，并伴随着混凝土科学技术的发展，混凝土设计已进入到按需设计阶段，即通过专门材料设计实现某种或综合功能需求。
由静力试验结果
可知：上述试验中的河砂、碎石和CBF，不论是单掺还是混掺，亦即不论是砂轻、石轻和混轻混凝土及石灰石粉、纤维混凝土，还是相应的自密实混凝土，相较于全轻混凝土均能有效提高抗压强度，并以混轻、石轻和砂轻及纤维混凝土强度为最优，但对于上述几种耐久性能指标，其影响与强度并不同步。
譬如，对于28 d时的碳化深度，仅有自密实混凝土相对较低，其他(包括LC30和LC40)均相近；而对于抗氯离子渗透性能，以28 d时LC30砂轻自密实混凝土为最好，LC40以纤维混凝土为最好，56 d时均相近；对于抗硫酸盐侵蚀性能，仅有自密实混凝土在15次循环后的耐蚀系数得到提高，而非自密实混凝土在21次后，虽然LC30和LC40都接近，但均以砂轻混凝土为最好。若对上述各性能指标以矩阵表示，均没有完全一致的情形。这就再次说明，混凝土强度指标与耐久性能指标具有不同步性，因此，混凝土配合比设计应遵循结构功能需求按需设计，而不应按以往主要以强度指标作为评判指标。当然，这里尚未考虑动力性能指标、高温与低温性能指标等其他复杂应力状态和复杂环境状态。
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