活性粉末混凝土酷寒與氯鹽綜合作用下的耐久性研究

王亞斌，嚴(yán)心娥

摘要：酷寒和氯鹽循環(huán)綜合作用是導(dǎo)致混凝土耐久性失效的重要因素，對酷寒、氯鹽耦合作用下活性粉末混凝土的耐久性指標(biāo)如基礎(chǔ)性能、強(qiáng)度性能等進(jìn)行實驗分析。結(jié)果表明，在酷寒與氯鹽綜合作用下，活性粉末混凝土的相對動彈性模量最低值、平均質(zhì)量損失率最高值分別為88.95%和0%，優(yōu)于一般C50高性能混凝土的0%和1.19%；活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度最低值、抗壓強(qiáng)度損失率最高值分別為160.18 MPa和10.55%，優(yōu)于一般C50高性能混凝土的69.98 MPa和60.37%?；谒唷⒐璺?、粉煤灰等制備的活性粉末混凝土在酷寒與氯鹽綜合作用下的耐久性表現(xiàn)，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于一般C50高性能混凝土。

關(guān)鍵詞：活性粉末混凝土；凍融環(huán)境；氯鹽；綜合作用；耐久性

中圖分類號：TU528.57；TQ178文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0115-04

Study on the durability of reactive powder concrete under the combined action of cold and chlorine salts

WANG Yabin，YAN Xine

（Xian Traffic Engineering Institute，Xian 710300，China）

Abstract：The combined effect of cold and chloride cycle is an important factor leading to durability failure of concrete，the durability indexes such as foundation properties and strength properties of reactive powder concrete under the action of cold and chloride coupling were experimentally analyzed.The results showed that the lowest relative elastic modulus and the highest average mass loss rate of active powder concrete were 88.95% and 0% respectively under the combined action of cold and chlorine salt，which were better than 0% and 1.19% of common C50 high performance concrete.The lowest compressive strength and the highest compressive strength loss rate of reactive powder concrete were 160.18 MPa and 10.55%，respectively，which were better than 69.98 MPa and 60.37% of common C50 high performance concrete.The durability performance of reactive powder concrete prepared based on cement，silica powder and fly ash under the combined action of cold and chlorine salt was much better than that of general C50 high performance concrete.

Key words：reactive powder concrete;freeze-thaw environment;chlorine salts;comprehensive effect;durability

混凝土是建筑工程領(lǐng)域最常用的材料之一。發(fā)展至今，混凝土的組成、種類及應(yīng)用場景已經(jīng)發(fā)生了越來越多的變化，不同外部環(huán)境下所使用的混凝土材料往往在組成與性能等方面略有不同[1-3]。當(dāng)前混凝土領(lǐng)域越來越傾向于使用不同的材料制備、配比方法以獲得具有性能差異性的混凝土材料。在各種外部環(huán)境指標(biāo)中，酷寒和氯鹽是影響混凝土材料耐久性的重要因素。當(dāng)二者同時存在并形成耦合作用后，混凝土材料的耐久性失效速度和程度往往同時加劇，嚴(yán)重時會導(dǎo)致混凝土建筑整體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞。活性粉末混凝土（H-J）是一種較為理想的抗酷寒、抗氯鹽綜合作用的新型混凝土材料。以活性粉末混凝土材料為研究對象，對其耐久性及影響其耐久性的部分因素進(jìn)行分析，旨在為高氯、酷寒環(huán)境下混凝土材料的開發(fā)等提供借鑒。

1實驗材料與方法

1.1實驗材料與設(shè)備

1.1.1實驗材料

實驗材料主要包括活性粉末混凝土（H-J）、C50混凝土等[4]。其中，活性粉末混凝土通過自制獲取，所需材料有水泥、硅粉、粉煤灰等；C50通過直接購買獲取，以提升實驗結(jié)果可靠性。實驗材料基本性能指標(biāo)如表1所示。

1.1.2實驗設(shè)備

實驗所需設(shè)備如表2所示。

1.2實驗方法

實驗共包括試件制備和性能測試2個主要環(huán)節(jié)。實驗主要為分析活性粉末混凝土在酷寒和高鹽作用下的耐久性變化并總結(jié)能夠影響其耐久性的指標(biāo)。能夠直觀反映活性粉末混凝土耐久性的指標(biāo)主要包括基礎(chǔ)性能指標(biāo)（相對動彈性模量、平均質(zhì)量損失率等）、強(qiáng)度性能指標(biāo)（抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度損失率等）[5-8]。

1.2.1基準(zhǔn)活性粉末混凝土配置

表3為本次實驗所需基準(zhǔn)活性粉末混凝土（H-J）配合方法，C50為直接購買獲得。

1.2.2試件制備

根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》），制備若干標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件[9-10]?；炷猎嚰闹苽渲饕?個主要步驟：

模具預(yù)處理→攪拌→成型→拆?！B(yǎng)護(hù)。

模具預(yù)處理包括使用砂紙對鋼結(jié)構(gòu)模具內(nèi)壁進(jìn)行打磨、校準(zhǔn)模具尺寸及對模具內(nèi)部噴涂擦拭脫模劑等；攪拌環(huán)節(jié)指的是將制備活性粉末混凝土按照一般混凝土制作順序放入攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌；成型指的是將攪拌好的混凝土放入模具中并置于振動臺上進(jìn)行成型并放入養(yǎng)護(hù)室中；拆模前需要混凝土試件在養(yǎng)護(hù)室中24 h；養(yǎng)護(hù)則指的是將拆模后的試件放入恒濕養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別保持45 ℃（2 h）、60 ℃（2 h）及75 ℃（72 h）狀態(tài)后完成[11]。

1.2.3酷寒與氯鹽綜合作用環(huán)境搭建

酷寒與氯鹽綜合作用環(huán)境搭建的主要目的是模仿高寒和高鹽的自然環(huán)境，如我國東北、華北部分沿海環(huán)境等。實驗以凍融箱提供酷寒凍融環(huán)境，以質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液模擬氯鹽環(huán)境，在混凝土試件從養(yǎng)護(hù)箱中取出后放入水中浸泡，保持浸泡時間超過24 h；待取出后用濕布擦除試件表面水分并放入凍融箱中；在試件中注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液，保證溶液超出試件最高度約5 mm即可；每隔50次凍融循環(huán)更換一次質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液。

1.2.4耐久性分析

活性粉末混凝土的耐久性分析主要包括2方面：一方面為對比活性粉末混凝土與C50混凝土在相同凍融與氯鹽作用下的基礎(chǔ)性能指標(biāo)差異；另一方面為分析活性粉末混凝土與C50混凝土在相同凍融與氯鹽作用下的強(qiáng)度性能指標(biāo)差異。物理指標(biāo)借助動彈儀進(jìn)行獲取，每25次凍融記錄一次試件的相對動彈性模量；平均質(zhì)量損失率由天平秤獲取，同樣每25次凍融記錄1次。強(qiáng)度性能指標(biāo)主要通過壓力機(jī)對試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，同樣每25次凍融記錄1次。

2實驗結(jié)果與分析

2.1基礎(chǔ)性能指標(biāo)差異對比

活性粉末混凝土（H-J）與C50混凝土基礎(chǔ)性能指標(biāo)差異主要是通過對比在酷寒與氯鹽綜合作用下相對動彈性模量和平均質(zhì)量損失率的差異。表4為不同凍融循環(huán)次數(shù)時H-J與C50混凝土基礎(chǔ)性能指標(biāo)差異對比結(jié)果。

由表4可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，C50的相對動彈性模量處于不斷下降的變化趨勢，在凍融循環(huán)次數(shù)為125次時，C50的相對動彈性模量已經(jīng)下降至62.25%左右；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為200時，C50混凝土的相對動彈性模量已經(jīng)為0，此時試件已不具備基本的混凝土性能?；炷猎嚰南鄬訌椥阅Ａ靠芍庇^反映混凝土的劣化程度，通常當(dāng)混凝土試件的相對動彈性模量降為60%以下時，就可以判斷該試件的基本結(jié)構(gòu)受到破壞，會形成混凝土內(nèi)部疏松、開裂或其他缺陷[12-14]。H-J在125、200次相同凍融循環(huán)次數(shù)時的相對動彈性模量分別為93.85%和95.68%，2項數(shù)據(jù)不僅遠(yuǎn)優(yōu)于C50混凝土試件，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對混凝土材料的一般要求。此外，H-J試件的相對動彈性模量不隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降，而是處于一種輕微波動的變化狀態(tài)，在凍融循環(huán)次數(shù)為100次時，相對動彈性模量值最低；但之后相對動彈性模量值又逐漸提升。顯然，這種由基礎(chǔ)配置的活性粉末混凝土材料制備而成的試件在酷寒與氯鹽環(huán)境下的相對動彈性模量變化更小，耐久性更強(qiáng)。

在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次后，C50混凝土試件的質(zhì)量損失率達(dá)到1.19%，已超過了《標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)要求，H-J試件的質(zhì)量損失率為-0.99%，質(zhì)量略有下降。顯然，從這一指標(biāo)來看，C50混凝土試件在凍融循環(huán)和鹽分的作用下內(nèi)部吸收的鹽分、水分等均較多，微空隙對水分和鹽分的吸收情況明顯更不理想。這可能是因為活性粉末混凝土中添加的減水劑等成分能夠很好地阻隔時間與氯鹽，從而避免試件內(nèi)部的微空隙結(jié)構(gòu)吸收過多的鹽分與水分導(dǎo)致試件耐久性的下降[15-16]。

2.2強(qiáng)度性能指標(biāo)差異對比

H-J與C50混凝土強(qiáng)度性能指標(biāo)差異主要通過對比酷寒與氯鹽綜合作用下基礎(chǔ)配置活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度損失率的差異[17]。表5為不同凍融循環(huán)次數(shù)時H-J與C50混凝土強(qiáng)度性能指標(biāo)對比結(jié)果。

由表5可知，強(qiáng)度性能指標(biāo)差異對比可以反映不同凍融循環(huán)次數(shù)下2種混凝土試件在抗壓性能方面的差異。從抗壓強(qiáng)度指標(biāo)來看，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提升，C50組混凝土試件的抗壓強(qiáng)度處于先不斷下降后逐漸穩(wěn)定的變化狀態(tài)，在175、200次凍融循環(huán)時盡管略有波動，但不影響整體規(guī)律；而H-J組試件隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提升抗壓強(qiáng)度并不處于一直下降變化狀態(tài)，在凍融循環(huán)次數(shù)為125次時，達(dá)到最低值160.18 MPa，但隨后又逐漸提升并處于相對穩(wěn)定的波動狀態(tài)。從二者數(shù)值對比來看，顯然H-J組試件的抗壓強(qiáng)度值始終高于C50組試件，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提升，這種優(yōu)勢越來越明顯。

由于H-J、C50試件在原始抗壓強(qiáng)度方面本身存在一定差異，因而單獨對比抗壓強(qiáng)度指標(biāo)還不能完全反映2種材料的耐久性差異，需要引入抗壓強(qiáng)度損失率這一指標(biāo)。從抗壓強(qiáng)度損失率指標(biāo)來看，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的提升，C50組試件的抗壓強(qiáng)度損失率逐漸由0%提升至60%左右[19-20]；而H-J組試件的抗壓強(qiáng)度損失率則始終處于波動變化狀態(tài)，最高損失率為10.55%，此時凍融循環(huán)次數(shù)為125次。顯然，H-J組試件的抗壓強(qiáng)度損失率遠(yuǎn)低于C50組試件。結(jié)合抗壓強(qiáng)度指標(biāo)來看，活性粉末混凝土在酷寒與氯鹽綜合作用下的耐久性遠(yuǎn)優(yōu)于一般C50高性能混凝土[21]。

3結(jié)語

以活性粉末混凝土材料為研究對象，分析了在各種外部環(huán)境指標(biāo)中，酷寒和氯鹽循環(huán)綜合作用是導(dǎo)致混凝土耐久性失效的重要因素，對酷寒、氯鹽耦合作用下活性粉末混凝土的耐久性指標(biāo)如基礎(chǔ)性能、強(qiáng)度性能等進(jìn)行實驗分析。結(jié)果表明，在酷寒與氯鹽綜合作用下，活性粉末混凝土的相對動彈性模量、平均質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度損失率等指標(biāo)均優(yōu)于一般C50高性能混凝土，這種優(yōu)異主要體現(xiàn)在2方面：一方面活性粉末混凝土在酷寒與氯鹽綜合作用下的相對動彈性模量、平均質(zhì)量損失率及抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度損失率優(yōu)于一般高性能混凝土；另一方面，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，活性粉末混凝土各項指標(biāo)的波動情況更小，性能更穩(wěn)定?；钚苑勰┗炷潦且环N較為理想的抗酷寒、抗氯鹽綜合作用的新型混凝土材料。

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