利用電通量試驗分析高性能混凝土抗?jié)B透性能

王婷

摘要：為分析高性能混凝土在氯化鈉溶液-凍融循環(huán)綜合因素下抗?jié)B透性能變化規(guī)律，研究分析摻合料類型、摻量及多因素耦合對其性能影響。結(jié)果表明，3種材料對抗?jié)B透性能影響規(guī)律為R硅灰＞R聚丙烯纖維＞R粉煤灰；粉煤灰與聚丙烯纖維對電通量值的影響規(guī)律一致，隨著摻量的增加，電通量值呈先下降、后增加的趨勢變化；隨著硅灰摻量的增加，電通量值呈持續(xù)下降的趨勢變化；隨著氯鹽-凍融循環(huán)次數(shù)的增加，電通量值呈下降后增加的趨勢變化，當凍融循環(huán)大于100次后，電通量值變化幅度逐漸平穩(wěn)，超過150次后電通量值開始顯著提高。由此可知，工程技術(shù)人員應(yīng)加強對服役混凝土結(jié)構(gòu)表面的防護，以延長其使用壽命。

關(guān)鍵詞：高性能混凝土；抗氯離子滲透性能；凍融循環(huán)；硅灰

中圖分類號：U416.217? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）02-0035-04

0 引言

水泥混凝土作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要結(jié)構(gòu)材料，其性能優(yōu)劣程度直接影響工程結(jié)構(gòu)的耐久性，如2021年我國砂石骨料消耗178.94億t，水泥混凝土消耗達到32.93億m?，隨著我國對大型基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)完善，水泥混凝土的用量將顯著增加，其中高性能混凝土因具備良好的韌性、耐久性而被推廣應(yīng)用，成為未來建筑材料領(lǐng)域主要的研究方向之一。肖換芳等［1］研究蒸養(yǎng)護環(huán)境下對多元摻合料配置的超高性能混凝土（STC）抗壓強度的影響，結(jié)果顯示，硅灰-納米SiO2復合材料降低STC的拌和工作性，水泥/微珠膠凝體系能夠較好地改善結(jié)構(gòu)的力學性能，高溫蒸養(yǎng)時間過長將增加STC內(nèi)部結(jié)構(gòu)的孔隙率，降低其密實性。文韜等［2］分析不同聚丙烯纖維摻量對高性能混凝土受彎性能的影響，指出聚丙烯纖維摻量與抗折強度呈正比關(guān)系，當纖維用量超過3%時，其抗折強度逐漸下降，通過增加纖維模量和控制摻量方式能夠較好地提高混凝土的抗變形能力。張平等［3］采用鋼纖維＼聚丙烯纖維復合配置高性能混凝土，通過優(yōu)化水膠比（0.20）和石英砂用量（20～40目與40～120目的比例為2.06∶1），提出水泥、礦粉、硅灰的基本配置比例為70∶15∶15，其抗折、抗壓強度達到35 MPa和130 MPa。劉洋等［4］分析聚乙烯醇（PVA）纖維在高性能混凝土中拉伸性能、彎曲性能的作用原理，總結(jié)了聚乙烯醇纖維（PVA）的施工工藝和工程應(yīng)用經(jīng)驗。李慶華等［5］研究超高韌性水泥混凝土（Ultra high toughness cementitious composites，UHTCC）、活性粉末混凝土（Reactive powder concrete，RPC）和UHTCC/RPC 3種混凝土的抗剪性能，對于不同材料制備的高性能混凝土均表現(xiàn)出良好的韌性，未出現(xiàn)脆性破壞，通過改進澆筑工藝，優(yōu)化黏結(jié)面的粗糙度，可有效地提高UHTCC/RPC的界面剪切強度。江世永等［6］研究不同高厚比的高性能纖維混凝土（ECC）立方體試件的受壓、彎拉性能，ECC混凝土的裂縫發(fā)展模式較為緩慢，與纖維的焊接點存在密切關(guān)聯(lián)，并且高厚比大于1時，力學抗壓強度對尺寸的敏感性逐漸下降，ECC混凝土的彎拉能量與纖維的分布情況、水泥膠漿的黏結(jié)效果有關(guān)。

綜上所述，針對多種摻合料在高性能混凝土中的應(yīng)用，我國工程人員開展很多的力學性能研究與材料用量分析，針對抗氯離子滲透性能的研究也得到部分研究成果。本文在前期研究成果的基礎(chǔ)上開展對硅灰、粉煤灰、聚丙烯纖維等摻合料拌和高性能混凝土后的抗?jié)B透性能變化的研究，旨在進一步掌握各種摻合料在多因素耦合作用下混凝土抗?jié)B透性能的變化規(guī)律，為其推廣應(yīng)用或病害修復提供技術(shù)支持。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料選擇

高性能混凝土原材料選擇如下：優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r細骨料，水泥為普通硅酸鹽水泥P.O42.5，礦料選擇Ⅱ級粉煤灰和硅灰，減水劑為鄭州某公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑（HSC）（摻量為減水劑用量的0.3‰～0.9‰），纖維選擇常州天怡工程纖維公司生產(chǎn)的聚丙烯腈纖維，相關(guān)試驗結(jié)果見表1～表6。

1.2 配合比設(shè)計

研究選擇添加粉煤灰、硅灰和聚丙烯腈纖維材料，分析不同摻合料對高性能混凝土抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律，基準配合比設(shè)計采用正交試驗設(shè)計，確定3因素3水平的正交試驗方案（見表7），設(shè)計9組試驗配合比，試驗方案見表8。

1.3 抗氯離子滲透試驗

依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GBT 50082—2009），采用電通量法開展相關(guān)研究，電通量值計算如下：

Q=，900（I0+2I30+2I60+2Ix+…+2I330+2I360）? ? ? ?（1）

公式（1）中，Q為總電通量，C；I0為初始電流，A；IX為在X時間內(nèi)的電流值，A。

2 摻合料對抗氯離子滲透性能作用分析

高性能混凝土是一種新型的纖維增強材料，具備較強的韌性變形、良好的抗震性能，與普通的混凝土存在顯著差別，一般通過添加摻合料、高模量纖維材料等操作進行水泥混凝土配合比參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計［5］。分析不同摻量的粉煤灰、硅灰及聚丙烯腈纖維對抗氯離子滲透性能的影響，基本配比選用水膠比0.25，依據(jù)上述方案設(shè)計開展?jié)B透性能試驗，在不同的摻合料摻量下，電通量試驗結(jié)果見圖1～圖4，正交設(shè)計試驗數(shù)據(jù)極差分析見表9。

（1）不同摻合料對高性能混凝土的電通量值的影響存在顯著差異，但不同摻合料復合作用下的電通量值又存在接近的變化規(guī)律，圖1中試驗編號1#、4#和7#的電通量值呈先下降、后升高的趨勢，并且Q值均在105 C以上，而3#、6#和9#的Q值均在35～45 C，說明粉煤灰摻合料變化對混凝土抗氯離子滲透性能存在影響，但在硅灰、聚丙烯腈纖維的復合作用后，隨著二者摻量的增加，對抗?jié)B透性能劣化影響顯著下降；2#、5#和8#的Q值在65～77 C，由此發(fā)現(xiàn)正交試驗設(shè)計方案較好地描述了粉煤灰、硅灰和聚丙烯腈纖維對高性能混凝土抗氯離子滲透性能的影響規(guī)律，1#～9#試驗數(shù)據(jù)得出3個不同電通量值的變化區(qū)間（如圖2～圖4）。

（2）隨著粉煤灰摻量的增加，電通量Q值呈先下降、后增長的趨勢；隨著硅灰摻量的增加，電通量Q值呈持續(xù)下降趨勢；隨著聚丙烯纖維摻量增加，電通量Q值呈先下降、后增加的趨勢。3種材料對混凝土抗?jié)B性能的影響具有較大差異，粉煤灰與聚丙烯纖維對Q值的影響規(guī)律一致，最佳摻量均為25%和1.5%，超過最佳摻量后，粉煤灰與水泥組分水化后可形成C-S-H凝膠， C-S-H凝膠可以較好地吸附部分氯化物、優(yōu)化混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、封閉擴散通道，當摻加的粉煤灰未全部進行水化形成C-S-H凝膠時，多余的粉末勢必影響界面黏結(jié)，在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中形成自由體；而聚丙烯腈纖維摻量超過1.5%后，容易在拌和過程中形成抱團現(xiàn)象，導致澆筑的混凝土局部出現(xiàn)缺陷進而影響其抗?jié)B性能。

（3）為進一步分析3種外摻料對混凝土抗氯離子滲透性能的影響程度，對主次因素的影響程度進行極差分析，R值表征在多個因素作用下抗?jié)B透性能的優(yōu)劣，R值越大，外摻料對高性能混凝土的抗氯離子滲透性能的影響越顯著。通過分析表9中的數(shù)據(jù)得出3種材料的R值規(guī)律為R硅灰＞R聚丙烯纖維＞R粉煤灰，硅灰極差分析R值是R聚丙烯纖維的6.6倍，是R粉煤灰值的23.1倍，說明硅灰對高性能混凝土氯離子抗?jié)B透性能的改善效果最好，聚丙烯纖維次之，粉煤灰的效果最小；這是因為硅灰的主要成分為SiO2和AL2O3，平均粒徑為0.1～0.15 [μ]ｍ，比表面積較大，在水泥混凝土拌合過程中，硅灰顆粒容易溶解，SiO2與Ca離子經(jīng)過短時間混溶可促進水化作用，形成C-S-H凝膠，增加混凝土的水化物成分，提高其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度，同時能進一步改善混凝土拌和物的工作性；而粉煤灰中的有效成分低于硅灰，并且眾多研究也得出超量的粉煤灰對水泥混凝土的力學性能存在相應(yīng)的劣化作用的結(jié)果。

3 多因素綜合作用對抗氯離子滲透性能作用分析

在我國寒冷地區(qū)，氯離子侵蝕與凍融循環(huán)耦合作用是影響高性能混凝土的耐久性能的主要因素［5］。本研究分析凍融循環(huán)與氯鹽復合作用下，高性能混凝土電通量值的變化規(guī)律，試驗結(jié)果如圖5所示。

（1）隨著氯鹽-凍融循環(huán)次數(shù)的增加，電通量值呈下降趨勢，當氯鹽-凍融循環(huán)超過100次后，電通量值變化幅度逐漸平穩(wěn)，而氯鹽-凍融循環(huán)超過150次后的電通量值開始逐漸增大，說明高性能混凝土的抗氯離子滲透性能與凍融侵蝕作用次數(shù)存在直接關(guān)系。相關(guān)研究表明，低水膠比的混凝土在3%NaCl溶液-凍融環(huán)境條件下，隨NaCl溶液的不斷侵蝕，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生結(jié)晶物質(zhì)，促使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，填補初期因水化產(chǎn)生的微觀孔隙，但是對該物質(zhì)的成分仍需要進一步分析。

（2）對于9組試驗配比的混凝土試件，受氯鹽-凍融循環(huán)耦合作用的電通量值變化規(guī)律與未劣化的電通量值接近，仍然以1#、4#、7#、2#、5#、8#、3#、6#、9#進行分級，每一等級的3組試件氯鹽-凍融循環(huán)150次后，電通量值表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律。

（3）隨著劣化作用的不斷加深，混凝土內(nèi)部逐漸出現(xiàn)微裂縫，孔隙結(jié)構(gòu)顯著增加，而水泥的水化作用已處于平衡期，水化產(chǎn)物的增加并不能填補凍融結(jié)冰膨脹的劣化作用，因此抗?jié)B透性能開始逐漸下降，電通量值在循環(huán)150次后開始升高。

（4）結(jié)合不同氯鹽-凍融循環(huán)次數(shù)下電通量值數(shù)據(jù)，通過擬合公式方法進行線性回歸（見表10），經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，高性能混凝土的電通量值與凍融循環(huán)次數(shù)存在密切關(guān)系，二者呈二次項關(guān)系曲線，相關(guān)系數(shù)R均在0.97以上，對于混凝土結(jié)構(gòu)，外部環(huán)境持續(xù)的凍融變化對表面結(jié)構(gòu)侵蝕最嚴重，發(fā)生剝離破壞情況。目前，正在服役的橋梁樁基結(jié)構(gòu)多數(shù)發(fā)生剝離問題，存在嚴重的露筋現(xiàn)象，說明高性能混凝土的抗氯離子性能與氯鹽-凍融循環(huán)耦合作用具有密切關(guān)系，受兩種或多種綜合因素的影響較為顯著，在混凝土結(jié)構(gòu)物服役過程中加強對外觀保護層的密封與防護，能夠有效提高其耐久性，延長使用壽命。

4 結(jié)論

（1）不同類型的摻合料對高性能混凝土的抗氯離子滲透性能的影響存在較大差異，采用極差值能夠較好地評價摻合料的影響程度，3種材料對抗?jié)B透性能的影響規(guī)律為R硅灰＞R聚丙烯纖維＞R粉煤灰，摻量為13%～17%的硅灰對混凝土抗?jié)B透性能的影響最大，對高性能混凝土的抗?jié)B透性能具有良好的改善效果；聚丙烯纖維的影響程度次之，摻量在1.5%時的改善效果最佳；粉煤灰的效果最小，摻量在30%的改善效果最佳。

（2）粉煤灰與聚丙烯纖維對電通量值的影響規(guī)律一致，隨著材料摻量的持續(xù)增加，電通量值呈先下降、后升高的趨勢；隨著硅灰摻量的增加，電通量值呈持續(xù)下降的趨勢，當硅灰摻量達到17%時，電通量值均在50 C以內(nèi)，其抗?jié)B透性能最佳。

（3）高性能混凝土的電通量值與氯鹽-凍融循環(huán)因素存在密切關(guān)聯(lián)，二者呈二次項關(guān)系。隨著氯鹽-凍融循環(huán)次數(shù)的增加，電通量值呈先下降、后升高的趨勢，當氯鹽-凍融循環(huán)超過100次后，電通量值變化幅度逐漸平穩(wěn)，氯鹽-凍融循環(huán)超過150次后電通量值開始升高。

5 參考文獻

［1］肖換芳，張華，宋海宏，等. 不同蒸養(yǎng)制度下多元膠凝體系超高性能混凝土的性能［J］.鐵道建筑，2022，62（5）：152-155.

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［3］張平，陳旭，李凱，等. 超高韌性能混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化及力學性能研究［J］.新型建筑材料，2020，47（8）：69-72，118.

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