高性能混凝土耐久性-

探讨掺合料对高性能混凝土耐久性的影响

摘要：

高性能混凝土具有高强度、良好工作性、高耐久性和高体积稳定性等性能，被认为是目前全世界性能最为全面的混凝土，至今已在不少重要工程中被采用。本文参考前人对高性能混凝土的耐久性试验，结合试验数据，探讨掺合料对其抗渗性、抗冻性、抗硫酸盐侵蚀等耐久性进行研究，总结影响高性能混凝土耐久性的因素，并提出提高耐久性的方法。

关键词：

高性能混凝土、耐久性、掺合料

Abstract：

High-performance concrete is considered as the most widely used concrete for its high strength, high workability and high durability features in high-speed railways and other large-scale projects. By referring to high-performance concrete durability test, combined with the test data, this dissertation is aimed at studying theimpermeability, frost resistance, sulfate resistance, durability of HPC, and summarizing the factors that affect the durability of HPC with a view to improve its durability.

Key Words：High-performance-concrete、Durability、Additive

高性能混凝土是具有高强度、高耐久性和良好的工作性的新型绿色混凝土。混凝土结构的耐久性主要包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、抗碳化及抗碱骨反应。而耐久性是高性能混凝土设计的最重要指标，它是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素作用下保持其正常工作能力的性能。耐久性是衡量材料乃至结构在长期使用条件的安全性能。很多工程实际表明，造成结构物破坏的原因是多方面的，仅仅由强度不足引起的破坏事例并不多见，而耐久性不良往往是引起结构物破坏的最主要的原因。高性能混凝土之所以在很多重要工程中得以应用，主要是因为其水胶比低、密实度高、体积稳定性好而具有的良好耐久性。高性能混凝土的耐久性主要涉及混凝土的抗裂性、抗渗性、抗冻性、抗硫酸盐侵蚀能力等，其中任一性能指标不能达到规定要求，都会影响整个混凝土结构的耐久性；据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。而由于耐久性导致建筑工程报废的现象也并不少见，如北京的“西直门立交桥”等便因此被迫拆除。因此，从工程经济效

益的角度考虑，我们在施工建设中应加大对耐久性设计的关注，使工程的长远经济效益达到最大化。

一、 掺合料改善高性能混凝土耐久性的机理

1、 超细掺和料填充效应(填充颗粒间空隙，降低孔隙率)

混凝土是一种连续颗粒级配的堆聚结构体系，粗骨料颗粒空隙由细骨料颗粒填充，细骨料的颗粒空隙则由水泥颗粒或水泥石填充，水泥颗粒之间的空隙或水泥石的孔隙需要更细的颗粒来填充。超细掺和料颗粒尺寸比水泥颗粒小，比表面积比水泥大，水泥的比表面积一般在330～35Om²／kg；而S75级矿渣微粉为450m²／kg左右；I级粉煤灰则在5lOm²／kg左右；硅灰颗粒粒级是水泥颗粒的1／100～1／5O，比表面积高达20，O00m²／kg。超细掺和料的颗粒粒径是高性能混凝土连续颗粒级配中最小的颗粒，起到了颗粒级配的微集料作用，能有效填充水泥颗粒空隙和水泥石孔隙，大大提高混凝土的密实性，从而大幅度提高混凝土的抗压强度、抗渗性、抗侵蚀能力和抗冻性。实验证明水胶比为0.36、矿渣粉掺量40％、坍落度达22cm的高性能混凝土，实测抗渗等级达S37仍不透水，将6个抗渗试件劈裂观察渗水高度，平均渗水高度10.3mm，最大渗水高度26mm，最小渗水高度2mm。这充分证明了高性能混凝土的密实程度。博湖东泵站使用32．5普通水泥，掺加40％和45％的矿渣粉，采用0.35水胶比配制的二级配高性能混凝土的2 8天设计龄期抗压强度分别达到55．1Mpa和53.OMpa。用32．5强度等级水泥配制出强度为50Mpa的混凝土，没有超细掺和料微集料的填充效应是不可能的，当然也离不开高效减水剂的减水作用。

2、 降低水化热

水泥水化是一个放热反应，主要是水泥熟料矿物成分C3A、C3S等水化放出水化热。水化热导致混凝土内部温度升高，当混凝土受外界大气环境温度变化影响时会引发温度裂缝，裂缝又会降低混凝土的抗渗性、抗侵蚀性等一系列耐久性，尤其是大体积混凝土易出现这种现象。防止和控制混凝土温度裂缝的有效措施是减少混凝土中的水泥用量或采用中、低热水泥，高性能混凝土中掺加大掺量超细掺和料等量替代水泥既可以减少水泥用量，又可以起到使用中、低热水泥的效用，其作用将明显降低混凝土所使用胶凝材料的水化热。经试验，采用GB／T12959—1991《溶解热》方法对掺矿渣粉、粉煤灰(I级)的水泥浆体进行3 d、7 d水化热检测，其结果见掺矿渣粉、粉煤灰可有效降低水泥或混凝土的水化热。粉煤灰降低水化热效果优于矿渣粉；矿渣粉和粉煤灰混合使用降热更优；矿渣粉过细不利于降低不化热；由此推论硅灰由于比表面积太大，不利于降低水化热，混凝土使用硅灰时，应采用适当降温措施。

3、 提高混凝土抗侵蚀性的效应

大量的混凝土侵蚀试验证明，混凝土的侵蚀实质是水泥的侵蚀，更确切地讲是

水泥石的侵蚀。混凝土发生侵蚀有内外因，内因是混凝土中水泥凝结硬化形成的水泥石结构内的水化产物CA（OH）2和水化、铝酸钙(CAH)以及水泥石中的开口孔隙，当侵蚀介质随载体环境水侵入水泥石孔隙内(主要是开!El孔隙)，c“OH 和CAH成为水泥石结构的不稳定成分，易和侵蚀介质(如硫酸盐、镁盐、侵蚀性c 、酸等)发生化学反应生成侵蚀产物。随侵蚀介质类型的不同，生成的侵蚀产物不同，有的是易分解、溶蚀的物质，有的是结晶膨胀产物。易分解或溶蚀的侵蚀产物会造成水泥石结构的疏松；过量的结晶膨胀侵蚀产物会使水泥石结构因膨胀而破坏。水泥石结构的破坏必然导致混凝土的破坏。混凝土的侵蚀是外因通过内因起作用，因此，防治侵蚀的有效措施之一是减少侵蚀内因。高性能混凝土以大掺量超细掺和料等量替代水泥是实施这个有效措施的一个重要途径，大掺量超细掺和料等量替混凝土侵蚀试验研究发现，超细掺和料的细度、掺量多少和高性能混凝土采用的水胶比大小是其减少侵蚀内因或提高抗侵蚀性的关键；无疑，超细掺和料具有改善和提高高性能混凝土抗侵蚀性的显著效应。

二、 试验研究及数据

在高性能混凝土中常用的活性细掺合料有硅粉(SF)、磨细矿渣粉(BFS)、粉煤灰(FA)、天然沸石粉(NZ)等。

1、 抗渗性试验研究

本文采用电通量法来测定混凝土的抗氯离子渗透能力，通过对水胶比为0.29，矿掺量为10%、15%、20%三个水平的混凝土试件做电通量试验，检验高性能混凝土抗氯离子渗透性能，从而评定并比较不同配比条件下高性能混凝土的抗渗性能。

1.1 试验方法

按规定配合比制备3 组混凝土试件，每组有3个相同配比的试件，试件为圆柱体形，尺寸为Φ 100mm×50mm，在标准养护条件下养护28d。试验需要可输出60V 直流电压的直流稳压电源；数字式直流表，量程为20A，精度±1.0%；真空泵，真空度可达133Pa 以下；真空干燥器内径不小于250mm。试验所需溶液为用分析纯试剂配制的3.0%氯化钠溶液和0.3mol/L 氢氧化钠液。试验原理装置图见图1。

计算结果绘制电流与时间的关系图，将各点数据以光滑曲线连接起来，

对曲线

做面积积分，即可得到试验6h 通过的电量。取同组3个试件通过的电量的平均值，作为该试件的电通量；当3个试件中有1个超过平均值的15%时，取另外2个试件的平均值作为该组试件的电通量；当3个试件中有2个超过平均值的15%时，该次试验无效。

1.2 试验结果和分析

各组试验混凝土试件的电通量见表1。

由表1 的试验结果可知：三组高性能混凝土试件的电通量值都满足标准规定值，即所配制高性能混凝土具有较好的抗渗性能；随着矿掺量的增加，由10%增至15%，混凝土试件的6h 电通量减小，说明混凝土的抗氯离子渗透能力提高，抗渗性能提高，这是由于矿掺料的加入使混凝土形成了密实充填结构和细观层次的自紧密堆积体系，大大改善了混凝土的内部结构，提高了密实度，从而提高了抗渗性能；矿掺量由15%增至20%，混凝土试件的电通量增加，说明混凝土的抗氯离子渗透能力减弱，抗渗性能降低，这是由于矿掺料掺入过多使混凝土强度降低，混凝土内部结构变差，抗渗性能降低。由试验结果和理论分析可知：高性能混凝土的抗渗性能主要由混凝土的密实程度决定；提高混凝土的抗渗性能除了选择优质原材料之外，要合理设计混凝土配合比，掺入适量的矿物掺和料，优选高效减水剂减少用水量，降低水胶比，增大混凝土密实度，从而提高抗渗性能。

然而本组试验采用“控制变量法”

且试验数据过于单薄并不能全面

合理的得出具体有效的配合比。此外，本试验“单一变量”原理研究矿掺量对抗渗性的影响，未综合考虑各方面的配比对抗渗性的影响，因此本次试验笔者认为仍可作为参考数据，进一步深入科学的试验仍有待进行。

2、 抗冻性试验研究

主要研究水胶比及矿掺量对高性能混凝土抗冻性的影响规律，按不同配合比设计混凝土，通过多组试验对比来分析各因素对混凝土抗冻性的影响情况。

2.1 试验方法

本文采用《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中抗冻性能试验的快冻法，使用TDRⅠ型混凝土快速冻融试验机进行试验。在冻结和融化终了时，试件中心温度分别控制在-17±2℃~8±2℃，3h左右完成一次冻融循环。试件尺寸为100mm×100mm×400mm，标准养护室内养护至28d，试验前4d取出试件，在15~20℃水中浸泡4d，水面至少高出试件20mm，然后取出试件，擦干表面后进行试验。冻融温度为：冻-15~-20℃，融15~20℃。每组试验至少制备3个试件，取试验结果的平均值。

2.2 试验结果和分析

混凝土试验配合比见表2，冻融试验结果见表3。

我国现行标准GBJ82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》对混凝土抗冻等级的规定是：同时满足相对动弹模值不小于60％和质量损失率不超过5％时的冻融次数。由冻融试验可知，所配制各组高性能混凝土的抗冻等级都达到300 次以上，具有较好的抗冻性能。比较各组试验结果可发现，水胶比对高性能混凝土的抗冻性有明显影响，水胶比越小，抗冻性能越好；同一水胶比的试验组中，矿掺量大的抗冻性较好，说明矿掺量也会影响混凝土抗冻性。这主要是因为水胶比越小，混凝土密实度越高，强度也就越高；

矿掺料的掺入使混凝土胶凝体系得

到改善，变得更致密，从而提高了混凝土的抗冻性能。

3、 抗硫酸盐侵蚀性试验研究

影响混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的因素很多，本文通过试验，主要研究矿掺量对高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响规律，并对高性能混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能进行评价。

3.1 试验方法

本文采用干湿循环的加速试验方法测定抗硫酸盐侵蚀能力。混凝土试件尺

寸：100mm×100mm×100mm，养护28d 后进行干湿循环试验。循环过程为：将试 件在80℃烘箱中恒温烘干6h，冷却观察1h，称重后浸泡于浓度为5％的硫酸钠 溶液中16h，取出擦干表面水分，再晾干1h 作为一个干湿循环（一个干湿循环 为24h）。

3.2 试验结果和分析

各组试验混凝土配合比见表4，抗硫酸盐侵蚀试验结果见表5。

为直观分析，根据试验结果做出矿掺量对抗硫酸盐侵蚀性能的影响规律图， 如图3。

由抗硫酸盐侵蚀试验结果可知，高性能混凝土中掺入矿物掺和料有利于提高其抗硫酸盐侵蚀能力，这主要是由于活性矿物掺和料的形态效应、微集料效应和活性效应共同作用的结果，掺和料使得混凝土孔隙率大幅度降低，结构更趋于均匀密实，抗硫酸盐侵蚀能力得到提高；由图3 可看出，当矿掺量超过30%时，抗硫酸盐侵蚀能力突然降低，这说明随着掺和料掺量的继续增加，混凝土强度发展缓慢，难以形成足够的混凝土强度和密实度，使得抗硫酸盐侵蚀能力急剧下降。

三、 掺合料对高性能混凝土耐久性的影响总结与思考

掺合料主要是通过填充混凝土的空隙来降低高性能混凝土的孔隙率，从而使高性能混凝土的结构趋于密实状态，从而提高混凝土抗渗性能，减少混凝土与侵蚀介质的接触，进而改善混凝土的耐久性能。

尽管耐久性的设计日益得到了重视，并且关于耐久性试验的标准指标也日趋完善，然而通过参考和查阅大量的文献不难发现关于耐久性的研究如：抗碳化性能、抗硫酸盐侵蚀性能等与实际寿命的关系无从得知。目前大多数关于耐久性的研究的主要方式仍为“加速试验”，尽管通过快速试验的方法可以直观快捷的得出材料耐久性与材料配比的关系，但这仅仅只是片面和不科学的结果。因此，笔者认为研究掺合料或不同配合比下高性能混凝土耐久性能优劣，应尽量以实际使用年限30年或以上的高性能混凝土构件为试验对象。利用建筑材料、数理统计和数学建模等知识对实际使用年限较长的高性能混凝土材料的碳化、腐蚀等劣化程度进行试验，通过对其取样进行化学和物理方法进行研究分析材料的劣化程度，对其各方面性能进行综合分析，并通过准确建立数学模型展现材料劣化程度对高性能混凝土材料的构件或建筑寿命的影响，最终得出掺合料用量及配合比对高性能混凝土耐久性的影响。

参考文献：

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【2】阿衣木克孜·依布拉音. 高性能混凝土及其耐久性研究

【3】田国栋. 高性能混凝土耐久性试验研究

【4】李凯章, 赵黎明.高性能混凝土在桥梁设计中的应用

【5】周垂强. 论述混凝土结构耐久性及高性能混凝土的应用