高性能混凝土配方化學(xué)機(jī)理探究

李 文 莉

(河南省水利科學(xué)研究院 河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州 450003 )

高性能混凝土配方化學(xué)機(jī)理探究

李 文 莉

(河南省水利科學(xué)研究院 河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州 450003 )

當(dāng)前，我國高性能混凝土配方機(jī)理研制還處于較落后狀態(tài)，我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，各種復(fù)雜情況需要高性能混凝土，化工企業(yè)建筑由于所處環(huán)境多為酸堿性較高區(qū)域，加之易燃易爆，這就需要對建筑施工中采用的混凝土進(jìn)行研制。結(jié)合相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對高性能混凝土配方過程中的化學(xué)機(jī)理進(jìn)行探究。

高性能混凝土；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)；化學(xué)機(jī)理

由于混凝土隨著氣候變化、化學(xué)侵蝕、磨損或其他的原因而受到不同程度的破壞，而承受各種破壞的能力就是混凝土的耐久性。耐久的混凝土在暴露的條件下一般會保持其形態(tài)、質(zhì)量及使用功能。

我國大部分地區(qū)在冬季都處于嚴(yán)寒狀態(tài)，因此建筑物的凍融現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。特別在寒冷的東北，水工混凝土結(jié)構(gòu)的建筑物，其工程局部幾乎 100%或大面積都會遭受不同程度的凍融現(xiàn)象。在寒冷的東北地區(qū)會普遍遭受凍融破壞的同時(shí)氣候較為溫和的華東地區(qū)也時(shí)常會遭受到凍融的破壞。

因此，我國的建筑發(fā)生老化病害的主要問題就是混凝土的凍融破壞問題。從而影響了建筑物的使用壽命和安全指數(shù)。為了使工程提高效益使其繼續(xù)發(fā)揮作用，其維修和重建的代價(jià)是很大的。因此對混凝土耐久行方面的研究是非常有必要的。

本文選取合適配比，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論與機(jī)理分析驗(yàn)證，力求提高混凝土性能，作用國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)[1-5]。

1 混凝土凍融理論研究

對于混凝土凍融破壞的研究一直是國內(nèi)外建筑行業(yè)的熱點(diǎn)議題。它的理論研究有很長的歷史，如今的研究也很深入。其大部分的研究方法是以純物理模型為出發(fā)點(diǎn)，通過假設(shè)、推到得出結(jié)論。而對于部分水泥凈漿或砂漿的檢測結(jié)果是由試驗(yàn)得來的。因此，對于混凝土的動容破壞理論迄今為止在國內(nèi)外尚沒有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)知和結(jié)論。

在一般情況下，凍融過程中的吸水飽和混凝土遭到的破壞的主要因素有兩種。第一種是由于混凝土毛細(xì)管中的水在負(fù)溫的的條件下由水轉(zhuǎn)化成冰，其膨脹率為 9%，從而形成膨脹壓力，這種膨脹壓力是由毛細(xì)孔壁的約束形成的，進(jìn)而在孔周圍的微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生拉應(yīng)力。第二種是在混凝土毛細(xì)管中的水轉(zhuǎn)化成冰時(shí)，由于凝膠孔中的過冷水在其微觀的結(jié)構(gòu)中進(jìn)行遷移和重新分布，從而形成滲管壓。并由于其表面張力，造成混凝土毛細(xì)孔孔徑變小，同時(shí)毛細(xì)孔中的水的冰點(diǎn)會隨著其孔徑減小而降低。一般情況下，凝膠孔中的水想要形成冰核的溫度一般要在零下 87 ℃以下，因而冰與過冷水的飽和蒸汽壓差、過冷水之間的鹽的濃度差會引起水分遷移，進(jìn)而形成滲透壓。

當(dāng)混凝土在低溫的環(huán)境下，其膨脹壓力和滲透壓力會對混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)造成損傷。當(dāng)混凝土經(jīng)過多次反復(fù)的凍融循環(huán)之后，其損傷會逐步擴(kuò)大，并將原有的裂縫互相連通，從而降低了混凝土強(qiáng)度，直至其強(qiáng)度完全喪失。在實(shí)踐中，當(dāng)混凝土在干燥的條件下不會發(fā)生凍融破壞情況，一次混凝土的飽水狀態(tài)是其發(fā)生凍融的必要因素之一。此外，環(huán)境的氣溫正負(fù)變化也是混凝土發(fā)生凍融的必要條件，溫度的正負(fù)變化會造成凝土孔隙中的水發(fā)生反復(fù)的凍融循環(huán)。而這兩個(gè)必要條件決定了混凝土凍融破壞的現(xiàn)象，即混凝土表面發(fā)生層層剝蝕。

2 選擇配合比參數(shù)

（1）C30混凝土及其低于C30的混凝土，其凝膠材料的使用總量不應(yīng)高于 400 kg/m3，而C35～C40混凝土的凝膠材料用量不應(yīng)高于 450 kg/m3，C50混凝土及高于C50的混凝土凝膠材料的使用量不應(yīng)高于500 kg/m3。

（2）混凝土中應(yīng)加入適宜量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣粉及硅灰等礦物摻合料。當(dāng)在混凝土中摻入大于30%的粉煤灰時(shí)，水膠的摻入量不應(yīng)大于0.45。有預(yù)應(yīng)力的混凝土及處于凍融環(huán)境的混凝土的粉煤灰摻入量不應(yīng)大于30%。

（3）在混凝土中應(yīng)加入適量的符合技術(shù)條件的外加劑，而選用的外加劑應(yīng)選擇多功能復(fù)合外加劑。

（4）混凝土的最大水膠比和最小膠凝材料用量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，當(dāng)設(shè)計(jì)無要求時(shí)，鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)滿足相應(yīng)的要求；而素混凝土也應(yīng)該滿足相應(yīng)的技術(shù)要求。

（5）當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中時(shí)，下表是混凝土的凝膠材料組成要求，膠凝材料的抗蝕系數(shù)應(yīng)不小于0.80。

（6）當(dāng)骨料的堿—硅酸反應(yīng)砂漿棒膨脹率0.10%～0.20%時(shí)，混凝土的堿含量應(yīng)滿足下表的規(guī)定；當(dāng)骨料的堿—硅酸反應(yīng)砂漿棒膨脹率在0.20%～0.30%時(shí)，除了混凝土的堿含量應(yīng)滿足下表的規(guī)定外，還應(yīng)在混凝土中摻加具有明顯抑制效能的礦物摻合料和復(fù)合外加劑，并應(yīng)通過試驗(yàn)證明抑制有效。

（7）鋼筋混凝土中氯離子總含量（包括水泥、礦物摻合料、粗骨料、細(xì)骨料、水、外加劑等所含氯離子含量之和）不應(yīng)超過膠凝材料總量的0.10%，預(yù)應(yīng)力混凝土的氯離子總含量不應(yīng)超過膠凝材料總量的0.06%。

（8）干硬性混凝土外的混凝土若無抗凍要求，其含氣量不應(yīng)小于2.0%。當(dāng)混凝土有抗凍要求時(shí)，應(yīng)根據(jù)抗凍等級的要求經(jīng)試驗(yàn)確定混凝土的含氣量。

3 改善混凝土抗凍耐久性的主要措施

3.1 使用外加劑

（1）引氣劑的摻入。很多室內(nèi)研究資料及長期的工程實(shí)踐都表明，在混凝土摻合物中摻入一定量的引氣劑可以提高混凝土抗凍耐久性。引氣劑是一種表面活性物質(zhì)，它具有憎水作用，引氣劑的摻入可以使混凝土拌合水的表面張力明顯降低，并在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小穩(wěn)定的封閉氣泡。而由于這種氣泡具有彈性，能緩解混凝土在結(jié)冰過程中產(chǎn)生的壓力，并可以緩沖減壓。在溶解時(shí)，這些氣泡得到恢復(fù)，這時(shí)即使空隙內(nèi)的自由水反復(fù)凍融也不會對孔壁產(chǎn)生過大的壓力。此外，這些氣泡足可以使混凝土內(nèi)部毛細(xì)管與外界環(huán)境的通路堵塞，并可以阻擋外界環(huán)境的水分進(jìn)入，從而減少了混凝土的滲透性。與此同時(shí)，這些氣泡還可以起到潤滑的作用，混凝土的和易性得到改善。在施工時(shí)新拌的混凝土在模具中有很強(qiáng)的填充性，在其硬化后密度得到很大的提高。因此，引氣劑的摻入，能使混凝土內(nèi)部含有一定量的氣體，從而混凝土的抗凍耐久性得到提高。

（2）減水劑的摻入。減水劑是混凝土調(diào)配過程中不可缺少的一部分，減水劑的使用大大降低了混凝土的水灰比（水膠比）。在拌和混凝土?xí)r加入一定量的減水劑，可使水泥顆粒得到均勻的分散，與此同時(shí)可將水泥顆粒包裹的水分得到充分的釋放，從而使混凝土用水量得到明顯減少，并減小了混凝土中氣泡平均尺寸及其間距。進(jìn)而降低了水泥漿中可凍水的百分比。混凝土的強(qiáng)度和致密性的提高，可以增強(qiáng)混凝土抵抗凍融破壞的能力，即提高了混凝土的抗凍耐久性。

3.2 使用活性礦物摻合料

目前，我國的建設(shè)正處在大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)階段，因而在建筑行業(yè)對混凝土的需求就也來越大，對混凝土的品質(zhì)要求就越來越高。而混凝土在各種建筑上又是應(yīng)用最廣、用量最多的建造材料，因此，有效的降低其成本，提高其各種技術(shù)性能，改善其結(jié)構(gòu)提高使用其壽命是混凝土行業(yè)發(fā)展的大趨勢。與此同時(shí)減少自然資源的消耗、保護(hù)生態(tài)平衡也是提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的大前提。

水泥是混凝土基本材料中最昂貴的材料，所以在滿足混凝土質(zhì)量的前提下，單位體積越少使用水泥就越節(jié)省資金。因此，摻入一些具有活性的礦物摻和料(硅灰、礦渣、粉煤灰)來代替一部分水泥是具有非凡的意義。

4 混凝土抗凍性試驗(yàn)方法

試件：100×100×400，三個(gè)為一組;

試驗(yàn)設(shè)備：案秤、凍融試驗(yàn)機(jī)、動彈性模量測定儀;

凍結(jié)溫度：(－17±2)℃;

融化溫度：(8±2)℃;

循環(huán)一次：2～4 h。

試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)志：

抗凍次數(shù)已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

相對動彈性模量降至60%；

試件重量損失達(dá)5%。

5 結(jié)束語

雖然所有的工程研究人員都認(rèn)可在混凝土中加入一定量的引氣劑可以提高混凝土的耐凍性，但在實(shí)際的工程建設(shè)中引氣劑是要根據(jù)實(shí)際情況來配比的，而且對于不同種類的引氣劑是需要經(jīng)過試驗(yàn)研究才能正式的投入與工程之中，這樣才能保證工程的安全性。

此外，對于解決混凝土抗凍耐久性的問題，摻入活性礦物摻和料也是一項(xiàng)重要而有效的措施。21世紀(jì)，隨著科技的發(fā)展混凝土技術(shù)也沿著替代水泥化發(fā)展，因此添加活性礦物摻和料意義重大。目前，對于單礦摻和料的配置及對高生能混凝土的研究有很多，取得一定成果的也不占少數(shù)。然而，對于多種摻合料復(fù)摻來提高混凝土抗凍性的研究甚少，還希望在以后的研究中能在些方面取得一定進(jìn)展。

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表3 可靠性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistic result for reliability %

3 結(jié) 論

由上述分析比較可知，每種油液故障診斷分析技術(shù)各有其適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，采用單一的油液分析技術(shù)無法全面分析飛機(jī)發(fā)動機(jī)的故障。綜合應(yīng)用多種油液分析技術(shù)，從不同角度分析整合獲得的數(shù)據(jù)信息，才能對發(fā)動機(jī)進(jìn)行科學(xué)、高效、全面、準(zhǔn)確和快速的故障診斷。

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Chemical Mechanism of High Performance Concrete Formula

LI Wen-li
（ Henan Water Conservancy Engineering Safety Technology Key Laboratory, Henan Province Water Conservancy Research Institute, Henan Zhengzhou 450003, China）

At present, study on the mechanism of high performance concrete formula is still in a relatively backward state. With rapid development of the economic in our country, all kinds of complicated conditions need high performance concrete, especially chemical enterprise construction whose environment is high acid or high alkaline area, so suitable concrete formula for building construction need be developed. In this paper, combined with the related indoor experiments, the chemical mechanism of high performance concrete formula was explored.

High performance concrete; Indoor experiment; Chemical mechanism

TU 528

A

1671-0460（2014）11-2423-03

2014-05-17

李文莉 (1967-)，女，河南平頂山人， 高級工程師，研究方向：水利水電工程。