超高性能混凝土抗氯離子滲透性能的試驗(yàn)研究

黃政宇, 單 欣

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)是一種很有發(fā)展前景的新型建筑材料，與普通混凝土相比，UHPC具有強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，除此之外，其抗氯離子滲透性也明顯優(yōu)于普通混凝土[1-2]。綜合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，齡期、水膠比、養(yǎng)護(hù)條件等因素均對(duì)UHPC的抗氯離子滲透性能有較大影響，不同測(cè)試方法下的UHPC氯離子遷移系數(shù)處于10-13m2/s的數(shù)量級(jí)，至少比普通混凝土的氯離子遷移系數(shù)低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

ROUX[3]等通過測(cè)量活性粉末混凝土(RPC)的孔隙率、透氣性、吸水率、氯離子遷移系數(shù)等，發(fā)現(xiàn)UHPC的氣體滲透性和水滲透性極低，無法用儀器測(cè)得。GRAYBEAL[4]等通過6種標(biāo)準(zhǔn)化的耐久性能測(cè)試，測(cè)試了4種方式養(yǎng)護(hù)的UHPC試件，結(jié)果顯示不論何種方式養(yǎng)護(hù)，超高性能混凝土的耐久性都要大大優(yōu)于普通混凝土和高性能混凝土。DOBIAS[5]等通過試驗(yàn)測(cè)得UHPC氯離子遷移系數(shù)均小于1.4×10-13m2/s。AHLBORN[6]等發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)溫度改變會(huì)影響UHPC的總導(dǎo)電量，即溫度升高，UHPC的抗氯離子滲透能力增強(qiáng)。LIU[7]等通過試驗(yàn)得出90 ℃熱水養(yǎng)護(hù)條件下的UHPC氯離子遷移系數(shù)大約為4.1×10-13m2/s，具有出色的抗氯離子滲透性能。安明喆[8]等通過試驗(yàn)測(cè)得UHPC的氯離子遷移系數(shù)為2.2×10-13m2/s，而高性能混凝土的氯離子遷移系數(shù)為15.4×10-13m2/s，可見UHPC的抗?jié)B透能力大大優(yōu)于高性能混凝土。

從研究現(xiàn)狀來看，雖然關(guān)于UHPC抗氯離子滲透性能的研究越來越多，但國(guó)內(nèi)對(duì)UHPC抗氯離子滲透性能的評(píng)定沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，基本上仍沿用傳統(tǒng)混凝土的試驗(yàn)方法，且目前對(duì)于不同組成的UHPC抗氯離子滲透性能試驗(yàn)的系統(tǒng)研究不夠充分。另外粗骨料對(duì)UHPC抗氯離子滲透性能方面影響的研究也較少，阻礙了含粗骨料超高性能混凝土的應(yīng)用。同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際，大多數(shù)UHPC結(jié)構(gòu)的破壞是由于氯離子侵入到結(jié)構(gòu)中鋼筋表面，達(dá)到一定臨界濃度時(shí)引起鋼筋銹蝕，導(dǎo)致與混凝土的粘結(jié)力下降，同時(shí)結(jié)構(gòu)保護(hù)層開裂破壞，最終導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞[9]。綜合上述問題，本文采用RCM法測(cè)試UHPC氯離子遷移系數(shù)，研究了水膠比、硅灰摻量、鋼纖維類型與摻量和粗骨料摻量對(duì)UHPC抗氯離子滲透性能的影響，同時(shí)從微觀角度分析不同因素對(duì)UHPC孔結(jié)構(gòu)和抗氯離子滲透性的影響，為UHPC進(jìn)一步應(yīng)用提供理論依據(jù)，從而推動(dòng)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，化學(xué)組成如下：Fe2O32.7%，Al2O35.5%，SO31.9%，CaO 65.4 %，SiO221.1%，MgO3.4%。硅灰:SiO2含量為94.1%，顆粒平均粒徑89 nm，比表面積1.85×104m2/kg，其化學(xué)組成如下：SiO294.1%，CaO 1.65%，C 1.05%，K2O 0.87%，F(xiàn)e2O30.58%，MgO 0.26%，Na2O 0.15%，Loss 2.25%。石英粉：325目，平均粒徑為50.2 μm。石英砂：20～40目，粒徑范圍0.45～0.9 mm；采用聚羧酸高效減水劑，減水率大于40%。鋼纖維采用以下3種：平直形長(zhǎng)鋼纖維(長(zhǎng)度為20 mm，直徑為0.2 mm)，平直形短鋼纖維(長(zhǎng)度為13 mm，直徑為0.2 mm)，端鉤型短鋼纖維(長(zhǎng)度為13 mm，直徑為0.2 mm)，其中鋼纖維抗拉強(qiáng)度均為2 000 MPa。粗骨料采用玄武巖碎石，粒徑范圍為2～8 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)配合比：見表1，其中A組試驗(yàn)變量為水膠比，B組試驗(yàn)變量為硅灰摻量，C組試驗(yàn)變量為粗骨料摻量，D組試驗(yàn)變量為鋼纖維長(zhǎng)度與摻量，E組試驗(yàn)變量為鋼纖維類型。

試件養(yǎng)護(hù)方式包括標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和熱水養(yǎng)護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)：試件澆模成型1 d后，拆模放置溫度(20±2) ℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。熱水養(yǎng)護(hù)：試件成型48 h后拆模，熱水(溫度90 ℃)養(yǎng)護(hù)48 h。將試件養(yǎng)護(hù)至指定齡期后進(jìn)行如下試驗(yàn)。

a.抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

試件為 100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，測(cè)試方法采用《活性粉末混凝土規(guī)范》GB/T 31387-2015。

b.氯離子遷移系數(shù)測(cè)定。

參照GBT 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的RCM法測(cè)定(見圖1)。試件尺寸為100 mm×100 mm×30 mm，且飽水時(shí)間在96 h以上。測(cè)試電壓采用60 V，陽(yáng)極注入0.3 mol/L的NaOH溶液，陰極注入質(zhì)量濃度為10%的NaCl溶液。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試件并將表面清洗干凈，利用200 t壓力試驗(yàn)機(jī)將試件沿軸向劈成兩半，同時(shí)噴撒0.1 mol/L硝酸銀溶液，待試件斷裂面顯色后，沿直徑斷面劃分為10等份，最終測(cè)量有效氯離子侵蝕深度，并將其代入式(1)計(jì)算氯離子遷移系數(shù)：

圖1 RCM法測(cè)定UHPC氯離子遷移系數(shù)

(1)

式中：DRCM為試件的氯離子遷移系數(shù)，結(jié)果精確至0.1×10-12m2/s；U為試件測(cè)試電壓，V；t為試件測(cè)試時(shí)間，h；L為試件的平均厚度，mm；xd為試件Cl-滲透深度的平均值，mm；T為陽(yáng)極溶液始末溫度的平均值，℃。

為便于對(duì)比，在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，A、B、C組配合比均摻入2%的平直形短鋼纖維。在氯離子遷移系數(shù)測(cè)定中，A、B、C試驗(yàn)組剔除鋼纖維，D、E組加入設(shè)定摻量與類型的鋼纖維。

c.孔結(jié)構(gòu)和微觀形貌測(cè)試方法。

本文選用壓汞法(MIP)對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。在試件達(dá)到規(guī)定齡期后采用無水乙醇浸泡7 d，終止其水化，在特定溫度烘干箱中烘干至恒重后進(jìn)行壓汞測(cè)試。采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡觀察混凝土水化產(chǎn)物的微觀形貌。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Table 1 Design of test mix ratio編號(hào)水膠比水泥石英粉石英砂減水劑/%硅灰/%粗骨料/(kg·m-3)鋼纖維/%平直形長(zhǎng)鋼纖維平直形短鋼纖維端鉤型短鋼纖維A-10.1610.212.525——2—A-20.1810.212.525——2—A-30.2010.212.525——2—B-10.1810.212.520——2—B-20.1810.212.530——2—C-10.1810.212.525400—2—C-20.1810.212.525600—2—C-30.1810.212.525800—2—D-10.1810.212.525—1——D-20.1810.212.525—2——D-30.1810.212.525—3——D-40.1810.212.525——1—D-50.1810.212.525——3—E-10.1810.212.525———2

2 結(jié)果與分析

2.1 不同因素對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

如圖2所示，在熱水養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著水膠比增大而減小。圖3表示不同硅灰摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明在一定摻量范圍內(nèi)，混凝土強(qiáng)度隨著硅灰摻量增加而增大。

圖2 水膠比對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 硅灰摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

從圖4可以看出，在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，摻入400 kg/m3粗骨料時(shí)試件抗壓強(qiáng)度達(dá)到184 MPa，未摻粗骨料時(shí)抗壓強(qiáng)度為179 MPa；摻入600 kg/m3和800 kg/m3粗骨料時(shí)，UHPC抗壓強(qiáng)度分別為166、171 MPa，比空白組抗壓強(qiáng)度分別降低7%、4%。在常溫養(yǎng)護(hù)條件下，粗骨料摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律與高溫養(yǎng)護(hù)條件下大致相同，摻入400 kg/m3粗骨料時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值149 MPa，比空白組強(qiáng)度提高6%。從圖5結(jié)果來看，不同養(yǎng)護(hù)條件下UHPC抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量增加而增大。

圖4 粗骨料摻量對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度的影響

(a) 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

2.2 不同因素對(duì)UHPC抗氯離子滲透性能的影響

2.2.1水膠比、硅灰對(duì)UHPC抗氯離子滲透性能的影響

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，水膠比為0.16、0.18、0.20對(duì)應(yīng)的氯離子遷移系數(shù)分別為6.92×10-14、8.87×10-14、13.53×10-14m2/s。由圖6可知，隨著水膠比增加，UHPC的DRCM值增大，且當(dāng)水膠比達(dá)到0.18時(shí)增長(zhǎng)幅度變大。在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，DRCM值顯著降低，說明熱水養(yǎng)護(hù)下UHPC具有更高的強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，因此抗氯離子滲透性能更好。由表2可知，隨著齡期增長(zhǎng)，UHPC的DRCM值降低。由圖6(b)試驗(yàn)結(jié)果可知，在高溫養(yǎng)護(hù)條件下，硅灰摻量為20%、25%、30%對(duì)應(yīng)的氯離子遷移系數(shù)分別為11.12×10-14、8.87×10-14、7.97×10-14m2/s；硅灰摻量從25%增至30%時(shí)，對(duì)應(yīng)DRCM值減小幅度降低。在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，B組UHPC試件氯離子遷移系數(shù)基本為6×10-14m2/s左右，因此熱水養(yǎng)護(hù)和硅灰摻量的增加均會(huì)增強(qiáng)UHPC的抗氯離子滲透性能。

(a) 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

表2 不同齡期UHPC氯離子遷移系數(shù)值Table 2 Chloride migration coefficient values of UHPC at different ages試驗(yàn)編號(hào)齡期/dDRCM/(m2·s-1)A2288.87×10-14907.32×10-14

混凝土是一種多孔材料，其內(nèi)部孔隙分布非常復(fù)雜，MEHTA[10]等認(rèn)為，混凝土孔徑分布與連通狀態(tài)對(duì)其滲透性有顯著影響。試驗(yàn)中混凝土的孔隙率隨著水膠比增大而增大，因此從試驗(yàn)結(jié)果可以明顯驗(yàn)證這一規(guī)律。硅灰是一種粒徑小、比表面積大的活性摻和料，能填充于水泥顆粒之間，改善混凝土孔結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，特別是可使混凝土中大孔比例降低。因此從試驗(yàn)結(jié)果來看，隨著硅灰摻量增加，混凝土氯離子遷移系數(shù)均有所減小。

2.2.2鋼纖維對(duì)UHPC抗氯離子滲透性能的影響

采用快速氯離子遷移系數(shù)法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下齡期28 d 的UHPC氯離子遷移系數(shù)，規(guī)律如圖7所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在常溫養(yǎng)護(hù)條件下，摻加了鋼纖維的UHPC氯離子遷移系數(shù)均處于10-13m2/s的數(shù)量級(jí)，當(dāng)纖維摻量從1%增加到2%時(shí)，DRCM的上升速率相對(duì)較小，長(zhǎng)鋼纖維組別增幅為35%，短鋼纖維組別增幅為15%。當(dāng)鋼纖維摻量由2%到3%時(shí)，測(cè)試試件的DRCM值增大較為明顯，其中長(zhǎng)鋼纖維組別增幅為82%，短鋼纖維組別增幅為34%。當(dāng)添加少量鋼纖維時(shí)，鋼纖維彼此分離，對(duì)氯化物擴(kuò)散影響較小，因此DRCM值相對(duì)較小。當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到2%以上時(shí)，鋼纖維間距大幅減小，試件電阻變小，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，加速氯離子擴(kuò)散。因此隨著鋼纖維摻量增加，UHPC抗氯離子滲透性能降低。并且由試驗(yàn)結(jié)果可得，當(dāng)摻量增加時(shí)，長(zhǎng)鋼纖維組別與短鋼纖維相比增幅更大。這主要因?yàn)殇摾w維與UHPC基體之間的界面是氯離子遷移的通道，同等摻量變化條件下，長(zhǎng)鋼纖維形成的通道連續(xù)且較長(zhǎng)，因此長(zhǎng)鋼纖維對(duì)UHPC氯離子遷移系數(shù)影響更顯著。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下鋼纖維對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)的影響

由圖8可得，在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，鋼纖維與水泥砂漿之間的水化產(chǎn)物更致密，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)更密實(shí)，這在一定程度上阻礙了氯離子擴(kuò)散。因此在熱養(yǎng)條件下，UHPC氯離子遷移系數(shù)整體比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下低，抗氯離子滲透能力相對(duì)較強(qiáng)。

圖8 熱水養(yǎng)護(hù)條件下鋼纖維對(duì)混凝土氯離子遷移系數(shù)的影響

2.2.3粗骨料對(duì)UHPC抗氯離子滲透性能的影響

從前述抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可知:粗骨料摻入對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度影響不大，但會(huì)造成UHPC內(nèi)部孔隙率增大，長(zhǎng)大界面增多，孔隙率的增加和長(zhǎng)大界面增多，會(huì)使得氯離子更易擴(kuò)散。由圖9結(jié)果可以看出：隨著粗骨料摻量增加，其DRCM值逐漸增大。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下?lián)郊哟止橇系慕M別比空白組增大150%，熱水養(yǎng)護(hù)條件下增量會(huì)相對(duì)較小。因?yàn)殡S著溫度升高，水化反應(yīng)更徹底，基體結(jié)構(gòu)更密實(shí)，因此其DRCM值更低。從整體來看，摻入粗骨料的UHPC氯離子遷移系數(shù)基本處于10-13m2/s的數(shù)量級(jí)，抗氯離子滲透性能優(yōu)異。粗骨料類型、摻量和尺寸都會(huì)對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。在氯離子滲透過程中，通常界面區(qū)成為滲透的薄弱部位，當(dāng)粗骨料摻量增加時(shí)，其界面區(qū)也隨之增加，從而降低UHPC的抗氯離子滲透性能。因此從試驗(yàn)結(jié)果來看，混凝土氯離子遷移系數(shù)隨粗骨料摻量增加而增大。

圖9 粗骨料對(duì)UHPC氯離子遷移系數(shù)影響

2.3 孔隙率

根據(jù)吳中偉[11]對(duì)混凝土孔結(jié)構(gòu)的研究，基于對(duì)其力學(xué)性能有害性可劃分為無害孔級(jí)(<20 nm)、 少害孔級(jí)(20～100 nm)、 有害孔級(jí)(100～200 nm)和多害孔級(jí)(>200 nm)，同時(shí)混凝土中孔徑小于20 nm的無害孔對(duì)氯離子的傳輸無太大影響。水泥基材料的離子傳輸性能與其孔結(jié)構(gòu)、界面過渡區(qū)等微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。孔隙率大不一定滲透性就差，因?yàn)槠渚哂胁煌目讖椒植迹虼瞬荒軉渭儚目紫堵蚀笮『蛷?qiáng)度變化來判斷混凝土滲透性。

根據(jù)壓汞法測(cè)試結(jié)果得出不同類型、不同摻量鋼纖維UHPC孔隙體積分布，如圖10所示。分析可得，同等摻量下長(zhǎng)鋼纖維組的結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。且隨著鋼纖維摻量增加，孔隙率逐漸增大。結(jié)合圖10和表3可知，當(dāng)摻入1%長(zhǎng)鋼纖維時(shí)，UHPC孔隙率為8.6%，孔徑小于20 nm的小孔所占比例為56.34%；當(dāng)摻入1%短鋼纖維時(shí)，UHPC孔隙率為9.3%，小孔所占比例比摻入同等摻量長(zhǎng)鋼纖維時(shí)有所減少，為43.6%；摻入3%短鋼纖維時(shí)UHPC的孔隙率為10.5%，同時(shí)小孔所占比例減少到34.73%。由此可見，同等摻量下，隨著鋼纖維長(zhǎng)度增大，UHPC結(jié)構(gòu)會(huì)變得密實(shí)，有害孔數(shù)量也會(huì)減少；當(dāng)鋼纖維數(shù)量增多時(shí)，UHPC孔隙率隨之增大，同時(shí)有害孔數(shù)量增多，從而導(dǎo)致UHPC抗氯離子滲透性能變差。

圖10 孔隙體積分布

表3 不同鋼纖維類型及摻量UHPC的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Pore structure parameters of different steel fiber types and content of UHPC試驗(yàn)編號(hào)總孔體積/(mL·g-1)孔隙率/%不同孔徑(nm)分布比例/%<2020～100>100D10.0358.656.3422.3321.32D40.0399.343.6017.5038.90D50.04410.534.7313.3651.91

2.4 微觀形貌

由圖11可知，根據(jù)D2組試件在不同養(yǎng)護(hù)條件下的微觀形貌得出，在熱水養(yǎng)護(hù)條件下UHPC基體結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。在高溫作用下基本看不到六方板狀Ca(OH)2和柱狀鈣礬石等水化產(chǎn)物，水化程度較高，水化產(chǎn)物富集現(xiàn)象更為明顯。此外在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，鋼纖維與混凝土基體間的界面過渡區(qū)會(huì)增強(qiáng)，所以在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，UHPC具有更高的強(qiáng)度和更好的抗氯離子滲透性能。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，呈針狀的鈣礬石等會(huì)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于鈣礬石具有微膨脹作用，會(huì)導(dǎo)致試件基體結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松且孔隙較多。因此在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，UHPC強(qiáng)度更高且抗氯離子滲透性能更好。

(a) 熱水養(yǎng)護(hù)

3 結(jié)論

a.UHPC的抗壓強(qiáng)度隨水膠比增大而減小。隨著硅灰摻量增加，其抗壓強(qiáng)度增大。鋼纖維摻入可大幅提高UHPC的抗壓強(qiáng)度，鋼纖維長(zhǎng)度與摻量是影響強(qiáng)度的最主要原因。粗骨料的摻入對(duì)UHPC抗壓強(qiáng)度基本無不利影響。

b.UHPC氯離子遷移系數(shù)隨水膠比增加而增大。當(dāng)硅灰摻量增加時(shí)，UHPC氯離子遷移系數(shù)減小，說明其抗氯離子滲透性能增強(qiáng)。未摻鋼纖維或粗骨料的UHPC氯離子遷移系數(shù)整體處于10-14m2/s的數(shù)量級(jí)，在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，UHPC的DRCM值會(huì)大幅減小。

c.在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，摻鋼纖維的UHPC氯離子遷移系數(shù)處于10-13m2/s數(shù)量級(jí)。鋼纖維長(zhǎng)度與摻量是影響混凝土氯離子遷移系數(shù)的主要原因。在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，氯離子遷移系數(shù)大大減小。

d.在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，摻加了粗骨料的UHPC氯離子遷移系數(shù)處于10-13m2/s數(shù)量級(jí)。隨著粗骨料摻量增加，氯離子遷移系數(shù)逐漸增大。在熱水養(yǎng)護(hù)條件下，DRCM值約是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件的一半。