高性能混凝土耐久性能研究

宋萬萬　周振通

摘 要：高性能混凝土具有耐久性好、穩(wěn)定性強、工作性能優(yōu)越等特點，在工程中廣泛應(yīng)用。因此，有必要對高性能混凝土的耐久性能開展深入研究，為其發(fā)展提供參考依據(jù)。本文介紹了高性能混凝土的抗凍融性、抗碳化性、抗氯離子滲透性等耐久性能研究現(xiàn)狀。高性能混凝土的耐久性受材料性能、種類、摻量、外加劑和環(huán)境等共同影響。摻入適量的礦物摻合料，是提升高性能混凝土耐久性能的一種有效手段。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土;耐久性;礦物摻合料

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）06-0113-03

Research on Durability of High Performance Concrete

SONG Wanwan ZHOU Zhentong

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： High-performance concrete has the characteristics of good durability， strong stability， and superior working performance， and is widely used in engineering. Therefore， it is necessary to carry out futher research on the durability of high-performance concrete to provide a reference for its development. This paper introduced the current research status of the durability of high performance concrete such as freeze-thaw resistance， carbonization resistance， and chloride ion permeability resistance. The durability of high performance concrete is affected by material properties， types， dosage， admixtures and environment. Incorporating an appropriate amount of mineral admixtures is an effective means to improve the durability of high-performance concrete.

Keywords： high performance concrete;durability;mineral admixture

隨著施工工藝的不斷進步，普通混凝土由于抗?jié)B性低、耐久性差，已無法滿足現(xiàn)代建筑的需要。與普通混凝土相比，高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）通過摻入粉煤灰、硅灰、礦粉和外加劑等材料，能降低水泥用量，減少CO2的排放，保護生態(tài)環(huán)境，減少混凝土的水化時間，增強混凝土抗?jié)B性能，使混凝土的耐久性、體積穩(wěn)定性和工作性能顯著提升[1-3]。HPC作為一種兼顧抗壓強度、耐久性、經(jīng)濟性和實用性的新材料，具有廣闊的發(fā)展前景。本文通過對HPC的抗凍融性能、抗碳化性能、抗氯離子滲透性能等進行研究，以期為高性能混凝土的發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 抗凍融性

抗凍融性指的是混凝土在凍融循環(huán)條件下未發(fā)生疲勞損傷、破壞，保持工作狀態(tài)的性能?；炷翐饺氲V物摻合料和引氣劑等，能改善內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，提高密實度，進而增強抗凍融破壞能力。

姚志雄等通過快速凍融法檢測鹽水凍融前后的質(zhì)量變化和橫向基頻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在混凝土中加入粉煤灰和礦粉可有效增強HPC的抗凍融破壞能力，相比摻粉煤灰，摻礦粉改善混凝土抗凍融性能的效果更佳[4]。洪雷等對凍融循環(huán)100～275次的相對抗壓強度數(shù)據(jù)進行擬合[5]，發(fā)現(xiàn)混凝土的相對抗壓強度與相對動彈性模量近似呈線性分布。其對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

曹浩鵬等在HPC中單摻粉煤灰，延長養(yǎng)護齡期，顯著提升混凝土的抗凍融性能，主要原因是粉煤灰在前期的水化作用較弱，甚至不發(fā)生水化反應(yīng)，單純充當填充物，后期粉煤灰水化程度較高，與水泥石發(fā)生膠結(jié)，增強混凝土密實度，顯著提高其抗凍融性能[6]。

在HPC中加入活性礦物摻合料，可以產(chǎn)生火山灰效應(yīng)、微填充效應(yīng)和超疊加效應(yīng)，使高性能混凝土中各組分之間的顆粒級配更加均勻，而且膠凝材料水化過程中形成更多的鈣礬石凝膠體，顯著提高水泥石的致密程度，隔絕混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的毛細通道，形成自密實混凝土細觀結(jié)構(gòu)，進一步提高混凝土抗凍融破壞能力。

2 抗碳化性

混凝土的碳化是指環(huán)境中的CO2通過表面微孔滲入混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在水的作用下，與混凝土內(nèi)水泥石中的CA（OH）2和C-S-H凝膠發(fā)生反應(yīng)，生成CaCO3和H2O。早期混凝土碳化時，外層混凝土碳化生成的CaCO3可填充水泥石的孔隙，充實內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有效阻止有害介質(zhì)的侵入;但持續(xù)碳化造成其與CaCO3發(fā)生反應(yīng)，得到微溶于水的Ca（HCO3）2，其遇水發(fā)生溶解，混凝土內(nèi)部孔隙率增多，進而損壞混凝土抑制化學侵蝕的工作性能?；炷恋奶蓟l(fā)展過程主要分為三個階段：一是CO2侵入與細孔溶液的組成;二是H2CO3與細孔溶液發(fā)生反應(yīng)以及CO32-與Ca2+的反應(yīng);三是生成CaCO3沉淀與Ca（OH）2的溶解。摻入礦物摻和料和外加劑的混凝土可以顯著減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的微孔和毛細通道，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，阻止CO2侵入混凝土內(nèi)部，降低碳化反應(yīng)，進而增強混凝土的抗碳化能力。

孫振華研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰摻量的提升導致混凝土的碳化深度隨之延長，硅灰摻量的增加反而降低混凝土的碳化程度，聚丙烯纖維可有效改善混凝土的抗碳化性能，但摻量過大易造成混凝土碳化深度的增加[7]。屠柳青研究發(fā)現(xiàn)，大摻量粉煤灰混凝土的碳化速率明顯高于普通混凝土，在混凝土中引入膨脹劑，無外部約束時導致混凝土的碳化速率加快[8]。程宇科在HPC中復(fù)摻粉煤灰、硅灰和磨細鋼渣粉，隨著碳化時間的延長，混凝土的碳化深度逐漸增加，表明加入礦物摻合料對混凝土的抗碳化性能沒有顯著提高;相比養(yǎng)護28 d的HPC，養(yǎng)護60 d的HPC碳化深度平均下降3 mm左右，養(yǎng)護齡期對HPC抗碳化性能有顯著作用[9]。

HPC的抗碳化性能受摻合料種類及摻量、外加劑、水膠比、養(yǎng)護條件、養(yǎng)護齡期、外界環(huán)境和試驗條件等多種因素的共同影響。研究內(nèi)容側(cè)重的方向不同，對分析試驗結(jié)果同樣產(chǎn)生些許偏差。因此，對HPC抗碳化耐久性能的研究還應(yīng)綜合多種影響因素進行深入探討，多重影響因素共同作用，促使HPC的抗碳化性能顯著提升。

3 抗氯離子滲透性

高性能混凝土是指具有工作性能穩(wěn)定、抗壓強度高和耐久性好等特點的混凝土，其核心是具有良好的耐久性能。而影響高性能混凝土耐久性能的一個重要因素就是氯離子侵蝕。高性能混凝土的耐久性之所以優(yōu)于普通混凝土，就是因為高性能混凝土中加入適量的礦物摻合料和外加劑，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實，能夠阻擋有害離子的侵蝕和破壞，從而使其抗氯離子滲透性能得以有效提升。

ELAHI等通過試驗發(fā)現(xiàn)，摻入硅灰的HPC的抗?jié)B透性能較之摻礦渣或粉煤灰的HPC效果更好，當硅灰與礦渣或粉煤灰復(fù)摻時，混凝土的抗氯離子滲透性能最優(yōu)。復(fù)摻硅灰和納米二氧化硅可以提高HPC的抗氯離子滲透性能，由于摻入微米級和納米級顆粒，混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得以填充，結(jié)構(gòu)更加密實，進一步增強混凝土的耐久性能[10]。楊義等研究了粉煤灰、礦渣和硅灰取代水泥時HPC的抗氯離子滲透性能，大量復(fù)摻粉煤灰、礦渣和硅灰可顯著改善HPC的抗氯離子滲透能力;對于單摻粉煤灰的HPC，混凝土的抗氯離子滲透能力隨粉煤灰摻量的增加而逐漸加強，但當其摻量大于50%時，混凝土的抗氯離子滲透特性明顯減弱[11]。賈佳等人運用電通量法研究了高性能混凝土的抗氯離子滲透性能，發(fā)現(xiàn)隨著水灰比的降低，混凝土的抗氯離子滲透能力逐漸提升，摻入粉煤灰可以顯著影響混凝土的抗氯離子滲透性能，如圖2所示[12]。在混凝土中摻入粉煤灰，是增強高性能混凝土抗氯離子滲透性能的一種有效綠色途徑。

為增強高性能混凝土的抗氯離子滲透特性，眾多研究學者[13-16]更傾向于在混凝土中摻入粉煤灰、硅灰和?；郀t礦渣等礦物摻合料，在復(fù)摻的情況下，得到的高性能混凝土具有更加密實的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各種材料更加致密，抗?jié)B性能得到有效提升。這樣可以有效地抵抗氯離子的侵蝕和滲透，提高混凝土的耐久性能和工作壽命。

4 結(jié)論

高性能混凝土耐久性的三大特性是抗凍融性能、抗碳化性能和抗氯離子滲透性能，受礦物摻合料、外加劑和外部環(huán)境的多重影響，不同因素的變化都會導致混凝土的耐久性受到影響。在混凝土中加入硅灰、粉煤灰等礦物摻合料可有效改善高性能混凝土的耐久性能。復(fù)摻適量的礦物摻合料，可以顯著提升高性能混凝土的使用壽命。提升高性能混凝土的耐久性是目前國內(nèi)外研究的重點，科研工作者仍需要不懈努力，不斷增強混凝土的耐久性能，研發(fā)和推廣更加綠色高效的高性能混凝土，并將其早日廣泛應(yīng)用于社會建設(shè)中。

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