淺談高性能砼的耐久性問(wèn)題

摘要：高性能砼具有力學(xué)性能穩(wěn)定、體積穩(wěn)定性高、不離析、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中越來(lái)越多地被應(yīng)用，而耐久性是高性能砼的配制與工程應(yīng)用中的核心問(wèn)題。本文首先探討了提高砼耐久性的常用方法，隨后從摻入粉煤灰、磨細(xì)礦渣兩個(gè)方面，探討了高性能砼耐久性的相關(guān)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高性能砼耐久性

Abstract: the high performance concrete has the mechanical function stability, high volume stability, segregation between the early strength, advanced advantage in engineering practice is more and more application, and is a high performance concrete durability of preparing and engineering application of core problem. This paper first discusses how to improve the durability of concrete of the commonly used method, then by mixing fly ash, from two aspects of fine grinding slag, discusses the high performance concrete durability of related problems.

Keywords: high performance concrete durability

中圖分類(lèi)號(hào)：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)

一、引言

高性能砼（High-Performance Concrete, HPC）的概念最初由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和美國(guó)砼協(xié)會(huì)(ACI)于1990年提出，他們認(rèn)為高性能砼是具有某些性能要求的勻質(zhì)砼，必須采用嚴(yán)格的施工工藝、，它涉及到國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。如果耐久性不足，輕則需要在工程應(yīng)用后采取加固和維護(hù)措施，重則造成工程事故。影響砼的耐久性不良主要是兩方面原因:一是砼的劣化，包括熱處理、化學(xué)和生物反應(yīng)對(duì)性能的影響;二面是鋼筋的劣化，即鋼筋的銹蝕。本文旨在從耐久性這個(gè)核心指標(biāo)入手，來(lái)探討高性能砼的一些問(wèn)題。

二 、提高砼耐久性的方法

要提高砼的耐久性,必須降低砼的孔隙率，特別是毛細(xì)管孔隙率，最主要的辦法是降低砼的拌和用水量。但如果僅僅降低用水量，砼的工作性將隨之降低，又會(huì)導(dǎo)致?lián)v實(shí)成型困難，反而造成砼結(jié)構(gòu)不致密，甚至出現(xiàn)蜂窩等缺陷，不僅砼強(qiáng)度降低，砼的耐久性也同時(shí)降低。目前常用提高砼耐久性的方法是：

①添加礦物摻合料：礦物摻合料主要有粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅粉等。以粉煤灰為例，含碳量高的粉煤灰需水量大，對(duì)砼的流變性、強(qiáng)度和變形都有不利影響。因此，在高性能砼中，宜用含碳量小、細(xì)度大、需水量低的優(yōu)質(zhì)粉煤灰。優(yōu)質(zhì)粉煤灰對(duì)水泥漿體有顯著的流化與增強(qiáng)效應(yīng)，并使水泥石結(jié)構(gòu)致密化。

②添加高效減水劑：在保證砼拌和物所需流動(dòng)性的同時(shí),盡可能降低用水量,減少水灰比,使砼的總孔隙,特別是毛細(xì)管孔隙率大幅度降低。水泥在加水?dāng)嚢韬?會(huì)產(chǎn)生一種絮凝狀結(jié)構(gòu)。在這些絮凝狀結(jié)構(gòu)中,包裹著許多拌和水,從而降低了新拌砼的工作性。施工中為了保持砼拌和物所需的工作性,就必須在拌和時(shí)相應(yīng)地增加用水量,這樣就會(huì)促使水泥石結(jié)構(gòu)中形成過(guò)多的孔隙。當(dāng)加入減水劑的定向排列,使水泥質(zhì)點(diǎn)表面均帶有相同電荷。在電性斥力的作用下,不但使水泥體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),還在水泥顆粒表面形成一層溶劑化水膜,同時(shí)使水泥絮凝體內(nèi)的游離水釋放出來(lái),從而達(dá)到減水的目的。許多研究表明,當(dāng)水灰比降低到0.38以下時(shí),消除毛細(xì)管孔隙的目標(biāo)便可以實(shí)現(xiàn),而摻入高效減水劑,完全可以將水灰比降低到0.38以下。

③消除砼自身的結(jié)構(gòu)破壞因素：要提高砼的耐久性,就要限制或消除從原材料引入的堿、SO3、CL-等可以引起破壞結(jié)構(gòu)和侵蝕鋼筋物質(zhì)的含量,加強(qiáng)施工控制環(huán)節(jié),避免收縮溫度裂縫產(chǎn)生，以提高砼的耐久性。本文將著重從添加礦物摻合料方面對(duì)砼的耐久性進(jìn)行記述。

三 粉煤灰的摻入對(duì)高性能砼耐久性的影響

本文討論大摻量粉煤灰砼的耐久性問(wèn)題：

①早期強(qiáng)度大：摻量情況下，其早期性能難以達(dá)到工程要求。大量粉煤灰替代水泥后，砼的早期強(qiáng)度發(fā)展相當(dāng)緩慢，但后期強(qiáng)度卻提快，一般摻粉煤灰砼其強(qiáng)度在28d后到6個(gè)月這期間增長(zhǎng)幅度比較大，一年后仍會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)其摻量較大(如50%，甚至70%)時(shí)，這種效應(yīng)更加明顯，粉煤灰對(duì)砼強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在后期，這樣勢(shì)必嚴(yán)重影響砼生產(chǎn)企業(yè)對(duì)大摻量粉煤灰砼生產(chǎn)的積極性。針對(duì)大摻量粉煤灰砼早期強(qiáng)度相對(duì)較低的特點(diǎn)，可以從物理和化學(xué)角度提出改善大摻量粉煤灰砼早期強(qiáng)度的幾種途徑:機(jī)械活化粉煤灰是將原狀粉煤灰經(jīng)過(guò)裝載小型球磨機(jī)進(jìn)行“益化”處理后的粉煤灰。②抗凍性能：砼產(chǎn)生凍融破壞的兩個(gè)必要條件，一是砼必須接觸水或砼中有一定的含水量；另一個(gè)必要條件是建筑物所處的自然條件必須存在反復(fù)交替的正負(fù)溫度。粉煤灰具有優(yōu)異的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)。在摻加粉煤灰以后，增加了水化產(chǎn)物的數(shù)量，改善了產(chǎn)物形態(tài)，其微觀(guān)表現(xiàn)為其孔結(jié)構(gòu)無(wú)論是從孔的數(shù)量多少或是各級(jí)孔的級(jí)配上都要優(yōu)于普通砼。摻加粉煤灰使砼抗?jié)B性提高從理論上減少了砼凍害的可能。只要合理控制粉煤灰品質(zhì)參數(shù)和砼配合比，粉煤灰對(duì)砼抗凍性的影響不大。

③抗碳化性能：影響砼碳化深度有三個(gè)主要因素:外界環(huán)境的CO2濃度、內(nèi)部化學(xué)因素（主要有Ca(OH)2、少量NaOH和KOH、水化硅酸鈣的性質(zhì)與數(shù)量，如果在砼中這些反應(yīng)物質(zhì)越多，碳化的進(jìn)度就必然越慢）、內(nèi)部的物質(zhì)和物理化學(xué)因素。 粉煤灰砼的碳化深度值隨時(shí)間的延長(zhǎng)而加大，早期的碳化深度值增大較快，后期增大相對(duì)較慢。

④抗?jié)B性能：有研究資料表明，摻粉煤灰使砼的抗氯離子滲透性能顯著提高。首先可能是由于粉煤灰的填充密實(shí)效應(yīng)，阻斷了可能形成的滲透通道，使氯離子等侵蝕介質(zhì)難以進(jìn)入砼內(nèi)部;其次是二次水化不僅生成了更加穩(wěn)定的低堿C-S-H，而且減少了CH的晶粒尺寸，減輕了CH在界面層過(guò)渡區(qū)定向富集，改善了砼結(jié)構(gòu)。另外，粉煤灰對(duì)抓離子產(chǎn)生的物理化學(xué)吸附，最終降低了抓離子滲透速度，提高了砼抗抓離子的侵蝕能力。

⑤抵抗鋼筋銹蝕性能：粉煤灰砼中水泥用量相對(duì)較少，加上粉煤灰的二次反應(yīng)，使砼中的Ca(OH)2含量相對(duì)較低，從而影響了它的抗鋼筋銹蝕性能，但摻入粉煤灰一般能提高砼的密實(shí)性，也能有效限制氯離子的擴(kuò)散，對(duì)抗鋼筋銹蝕也有利。優(yōu)質(zhì)粉煤灰有利于提高砼的抗鋼筋銹蝕性能，因此從理論上大摻量粉煤灰砼是有可能具備抵抗鋼筋銹蝕能力的。

⑥早期收縮性能。有研究認(rèn)為高性能砼的收縮，相對(duì)于自由收縮而言，約束收縮能更好地反映出高性能砼的抗裂性能。粉煤灰砼與普通砼相比，早期塑性收縮、溫度收縮比較大，尤其是自收縮更大，而早期粉煤灰砼強(qiáng)度發(fā)展慢，抗拉強(qiáng)度低。粉煤灰摻量從10%提高到30%，砼的約束收縮值降低。根據(jù)研究，在前三天粉煤灰延遲水泥顆粒的水化。隨著粉煤灰摻量的增加，前三天，粉煤灰—水泥系統(tǒng)水化緩慢，內(nèi)部相對(duì)濕度降低緩慢，從而其自收縮減小，約束收縮值減小。大量研究表明大摻量粉煤灰砼的早期收縮和開(kāi)裂明顯減少。

四 磨細(xì)礦渣的摻入對(duì)高性能砼耐久性的影響

主要從三個(gè)方面來(lái)論述：

①對(duì)砼坍落度的影響。磨細(xì)礦渣顆粒與粉煤灰相比，其顆粒為多棱角、無(wú)規(guī)則外形，但隨著磨細(xì)程度的增加，其多棱角、無(wú)規(guī)則外形會(huì)得到很大程度改善，顆粒會(huì)越來(lái)接近球形，它越易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和滾動(dòng)，水泥漿體的流動(dòng)性就會(huì)越好。同粉煤灰一樣，磨細(xì)礦渣的摻入也會(huì)減小水泥對(duì)減水劑的吸附，從而增加漿體的吸附性；磨細(xì)礦渣的密度要小于水泥，他們替代水泥所形成的漿體體積要大；他們的顆粒要小于水泥顆粒，當(dāng)磨細(xì)礦渣的顆粒填充于水泥顆粒時(shí)，可將原來(lái)填充于顆粒中的水置換出來(lái)，成為自由水，使顆粒之間的間隔水層加厚，這也是流動(dòng)性增大的原因。

②對(duì)砼氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響。 高性能砼的耐久性與滲透性有很大關(guān)系，而砼的滲透性決定于砼的孔隙率及空隙分布狀況，經(jīng)過(guò)磨細(xì)等加工處理的礦物外加劑顆粒一般比水泥顆粒細(xì)，能明顯提高砼的抗?jié)B性，原因主要有:火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)。 火山灰效應(yīng)是指：磨細(xì)礦渣改變了膠結(jié)料與集料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，普通砼的漿體與集料的界面粘結(jié)受水化產(chǎn)物Ca(OH)2定向排列的影響而強(qiáng)度降低。磨細(xì)礦渣吸收水泥水化時(shí)形成的Ca(OH)2并進(jìn)一步水化生成更多有利的C-S-H凝膠可以大幅度降低砼的滲透性，同時(shí)也防止了滲水、離析。

③對(duì)砼強(qiáng)度的影響。摻入磨細(xì)礦渣后，通過(guò)火山灰反應(yīng)，Ca(OH)2可以被減少，水化硅酸鈣膠凝物質(zhì)的質(zhì)量得到提高，組成得到優(yōu)化，膠凝物質(zhì)的數(shù)量大幅度增加，能使水泥石與集料的界面結(jié)構(gòu)得到改善。因此，砼的強(qiáng)度大幅度提高。另外，由于磨細(xì)礦渣的顆粒較小，摻入水泥中也會(huì)產(chǎn)生填充密實(shí)效應(yīng);由于磨細(xì)礦渣的活性成分(SiO2，Al203)與水泥漿體中的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，降低了Ca(OH)2在骨料表面的生長(zhǎng)及定向排列，并且磨細(xì)礦渣的“細(xì)化孔隙”“活性充填”作用也有利于減少過(guò)渡區(qū)的孔隙，改善了水泥石與骨料過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)。這些都能增加砼的密實(shí)性，提高砼的強(qiáng)度。

五 結(jié)束語(yǔ)

影響高性能砼性能的因素是多方面的，在具體的配制過(guò)程中，也會(huì)綜合考慮多種摻料的組合，以提高砼的耐久性。文中所論述的粉煤灰和磨細(xì)礦渣對(duì)砼滲透性的影響機(jī)理也可以是物理和化學(xué)兩個(gè)方面。物理方面主要是對(duì)孔結(jié)構(gòu)的改善，化學(xué)方面主要是由于砼的二次水化生成C3A和C-S-H凝膠，改善了砼水化產(chǎn)物的組成。從而及大的提高了砼的抗?jié)B性，其耐久性也隨著提高。

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作者簡(jiǎn)介：李芳、女（1969、09、27—）山西天鎮(zhèn)人，工程師，1995年11月畢業(yè)于西安公路交通大學(xué)道橋?qū)I(yè)本科，2005年6月畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)，地址：山西省大同市擁軍路甲一號(hào)