低真空條件對混凝土中介質(zhì)遷移性能的影響

劉夢晶，謝友均，上官明輝，龍廣成，高策

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410000；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京，100055)

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟社會和科學(xué)技術(shù)發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)不斷向高原、高海拔乃至深空等環(huán)境延伸，近年來，興起了低真空管道運輸系統(tǒng)建設(shè)[1]?；炷猎诟鞣N環(huán)境下具有較穩(wěn)定的服役性能，因此，許多學(xué)者探討了混凝土作為建造真空管道結(jié)構(gòu)材料的可行性，提出了提高混凝土氣密性和加裝真空泵等措施來提高真空管道系統(tǒng)的氣密性[2-5]。在實際工程中，水、氣、離子等介質(zhì)在混凝土中的遷移性能是影響混凝土耐久性和氣密性的重要因素?；炷两Y(jié)構(gòu)中各種介質(zhì)的遷移情況隨服役環(huán)境的差異而產(chǎn)生差異。由于低真空管道運輸系統(tǒng)建設(shè)的興起，探討低真空條件對混凝土中介質(zhì)遷移性能的影響具有重要實踐意義。

低真空環(huán)境具有顯著的干燥作用，試件放入低真空環(huán)境中后，其內(nèi)部水分蒸發(fā)量增大，且放入試件的齡期越早，水化程度越低，對試件的耐久性越不利[6]，因此，低真空環(huán)境對混凝土材料的性能提出了更高的要求。此外，混凝土的氣密性與介質(zhì)遷移性能密切相關(guān)，但國內(nèi)外學(xué)者對混凝土中介質(zhì)遷移性能的研究多是基于常壓條件，針對低真空條件對混凝土中介質(zhì)遷移性能影響的研究成果非常少，特別是低真空條件對不同組成混凝土中的介質(zhì)遷移性能影響鮮見報道。

基于此，本文結(jié)合低真空管道運輸設(shè)施建設(shè)需求，首先，通過模擬低真空環(huán)境條件，進行了混凝土氣體滲透、毛細吸水和氯離子滲透性能試驗；其次，研究了低真空條件下不同介質(zhì)在混凝土中的遷移性能,分析了粉煤灰、硅灰、消泡劑和高吸水樹脂(SAP)摻量對低真空條件下混凝土中介質(zhì)遷移性能的影響規(guī)律；最后，基于灰色關(guān)聯(lián)理論，探討了各因素與混凝土中介質(zhì)遷移性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

1 試驗材料、過程和方法

1.1 原材料

選用了強度等級為42.5 MPa 普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)、Ⅱ級粉煤灰(FA)和硅灰(SF)作為膠凝材料組分，其主要化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of cementitious materials%

選用粒徑分別為(5，10)mm和[10，25)mm的2種粒級石灰?guī)r碎石作為粗骨料，選用細度模數(shù)為2.6 的天然砂為細骨料、減水率為25%的PCA-I 型聚羧酸系高效減水劑(SP)，并選用市售880B 型消泡劑(AFA)。所選聚丙烯酸鈉高吸水樹脂(SAP)的相對分子質(zhì)量為122.6，粒徑為160～250 μm，吸水倍率(去離子水)為450，密度為0.7 g/mL。拌合水為自來水。

1.2 混凝土配合比與試件制備

以管道梁用典型強度等級混凝土為基礎(chǔ)，考慮各組成材料的影響，設(shè)計了13 組混凝土，各混凝土配合比如表2所示。其中，混凝土水膠比為0.3，膠凝材料總量為480 kg/m3，砂為680 kg/m3，粗骨料(5～10 mm)和粗骨料(10～25 mm)分別為432 kg/m3和648 kg/m3。按照相應(yīng)配比，采用雙臥軸強制式攪拌機攪拌混凝土，制備直徑×高度為100 mm×50 mm的圓柱試件，以用于混凝土遷移性能測試。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concretekg/m3

1.3 試驗方法

1.3.1 養(yǎng)護與處理方法

為研究低真空條件下干燥作用對混凝土養(yǎng)護過程中的影響，設(shè)計混凝土試件成型1 d脫模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d 后，一部分試件放入實驗室自制低真空環(huán)境模擬箱，按照GB/T 3163—2007《真空技術(shù)術(shù)語》規(guī)定低真空范圍為102～105Pa，本文通過真空泵連續(xù)工作，在100 Pa 最不利低真空環(huán)境中繼續(xù)養(yǎng)護28 d；另一部分放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護28 d。

1.3.2 混凝土中介質(zhì)遷移性能測試方法

采用NELD-AV037 混凝土透氣性測定儀測試氣體滲透系數(shù)[7]，其中，混凝土氣體滲透系數(shù)越高，其抗氣體滲透性能越差。為保證試件平整，試驗前打磨混凝土試件上下底面，然后，用環(huán)氧樹脂密封試件側(cè)面和部分上下表面，使透氣面僅為上下表面直徑為8 cm 的圓形區(qū)域。研究表明，混凝土在60 ℃環(huán)境中烘干48 h 后，失水率基本上可以達到烘干300 h 后失水率的70%左右，且60 ℃烘干環(huán)境對混凝土孔結(jié)構(gòu)的破壞最小[8]。因此，為減小低真空條件和標(biāo)養(yǎng)條件下初始含水率對混凝土抗氣體滲透性能的影響，對混凝土進行抗氣體滲透性能測試前需要在60 ℃環(huán)境下干燥48 h。試驗恒壓為300 kPa，取6 h后的氣體滲透系數(shù)作為最終結(jié)果，每組測試3 塊。上述試驗完成后，密封試件上表面，按照ASTM C1585-13 裝置，測量浸水后不同時間的質(zhì)量，計算毛細吸水系數(shù)。最后，根據(jù)GB/T 50082《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試電通量。

1.3.3 混凝土孔結(jié)構(gòu)分析

采用Rapid Air 457 孔結(jié)構(gòu)分析儀和彼奧德SSA-4000孔徑分析儀測試孔結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同組成混凝土的抗氣體滲透性能

標(biāo)養(yǎng)和低真空條件對摻粉煤灰(FA)、硅灰(SF)、消泡劑(AFA)、SAP 系列混凝土的抗氣體滲透性能影響如圖1所示。從圖1可見：相比標(biāo)養(yǎng)條件，低真空條件下4個系列混凝土的氣體滲透系數(shù)均增加，但不同摻量外加劑對混凝土氣體滲透系數(shù)結(jié)果的影響存在較大差異。

圖1 低真空條件對混凝土抗氣體滲透性能的影響Fig.1 Effect of low vacuum on gas permeability of concrete

從圖1(a)可見：隨著粉煤灰摻入，低真空條件下混凝土的抗氣體滲透性能降低；當(dāng)粉煤灰摻量為30%時，低真空條件下混凝土氣體滲透系數(shù)最高，為128.89×10-13m/s，相比于56 d 標(biāo)養(yǎng)試件，氣體滲透系數(shù)增加了近20 倍。這是因為粉煤灰活性較低，二次水化反應(yīng)緩慢，28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后，體系的水化程度還較低[9-10]，LI等[11]認(rèn)為粉煤灰混凝土在20 ℃水中養(yǎng)護28 d 后，粉煤灰的水化程度為4%左右，此時，試塊放入低真空環(huán)境中后會導(dǎo)致體系失水，并阻止正常的水化進程，混凝土抗氣體滲透系數(shù)降低。同時，低真空干燥作用很可能造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，混凝土抗氣體滲透性能進一步降低。

從圖1(b)可知：當(dāng)硅灰摻量從3%增加到8%時，低真空條件下混凝土氣體滲透系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，硅灰摻量為5%時最小，為36.64×10-13m/s；相較同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的試件，低真空條件下試件的氣體滲透系數(shù)增大7～8倍，但摻入硅灰可顯著降低真空條件處理對混凝土抗氣體滲透性的不利影響，這可能主要是摻入超細的、活性較高的硅灰顆粒促進混凝土水化作用，改變了微結(jié)構(gòu)[12-13]，從而提高了體系抗?jié)B性能，有利于抵抗真空干燥作用的不利影響。

從圖1(c)可見：對于標(biāo)養(yǎng)試件，混凝土抗氣體滲透性能隨著消泡劑摻量增大而減??；當(dāng)消泡劑摻量為0.05%和0.10%時，混凝土低真空條件下氣體滲透系數(shù)相差不大，但當(dāng)摻量從0.10%增加到0.15%時，低真空條件下混凝土氣體滲透系數(shù)降低了15.29%；當(dāng)摻量繼續(xù)增加到0.20%時，在低真空條件下，氣體滲透系數(shù)降低38.55%。由此可見，摻入消泡劑能夠減少大氣泡數(shù)量[14]，從而提高低真空條件下混凝土抗氣體滲透性能。

從圖1(d)可見：在低真空條件下，SAP摻量越大，試件氣體滲透系數(shù)越低，這可能是在低真空條件下，混凝土中水分喪失是一個由表及里的過程，雖然混凝土外部失水比較快，但是內(nèi)部混凝土中SAP 釋水緩慢，增加氣體滲透曲折度，氣體滲透系數(shù)降低。

2.2 不同組成混凝土的毛細吸水性能

混凝土吸水時間越長，其內(nèi)部越趨于飽和，毛細吸附力越小。因此，為反映混凝土毛細水吸附作用，分析混凝土前6 h 毛細吸水系數(shù)[15-16]，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 低真空條件處理對混凝土抗水滲透性能的影響Fig.2 Effect of low vacuum treatment on water permeability of concrete

從圖2 可見，相對于56 d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護試件，經(jīng)28 d 低真空條件下的混凝土毛細吸水系數(shù)顯著增加；對于摻粉煤灰試件，在低真空條件下的混凝土毛細吸水系數(shù)隨著粉煤灰摻量增加而增加；當(dāng)粉煤灰摻量為30%時，其毛細吸水系數(shù)相比56 d標(biāo)養(yǎng)試件增加了2倍多；對于摻硅灰試件，硅灰摻量越大，混凝土低真空條件下的毛細吸水系數(shù)越低。當(dāng)硅灰摻量為8%時，混凝土在低真空條件下的毛細吸水系數(shù)最低，此時，相比于56 d標(biāo)養(yǎng)試件僅增加約1倍。在粉煤灰、硅灰基礎(chǔ)上，摻入適量的消泡劑，在低真空條件下的混凝土毛細吸水系數(shù)進一步降低，當(dāng)消泡劑摻量為0.20%時，混凝土在低真空條件下的毛細吸水系數(shù)最小。摻入SAP不利于提高低真空條件下的混凝土毛細吸水性能。綜上所述，相比于雙摻粉煤灰混凝土，硅灰(消泡劑)復(fù)摻粉煤灰后，在低真空條件下混凝土的毛細吸水系數(shù)降低，與氣體滲透系數(shù)結(jié)果基本一致。

2.3 不同組成混凝土的氯離子滲透性能

低真空條件處理對混凝土氯離子滲透性能的影響如圖3所示。從圖3可知：不管是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護還是低真空條件，未摻外加劑的純水泥混凝土的電通量均最大，且兩者基本相似；摻入粉煤灰降低了2種條件下混凝土的電通量，但當(dāng)粉煤灰摻量為20%～30%時，低真空條件下的混凝土電通量仍然在1 000 C 以上；硅灰摻入后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和低真空條件下的混凝土電通量明顯降低，且低真空條件下的混凝土電通量要稍低于標(biāo)養(yǎng)試件的混凝土電通量；當(dāng)硅灰摻量為8%時，在低真空條件下的混凝土電通量最小，僅為106 C，這可能是活性礦物摻和料能夠顯著減小混凝土的孔結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)合氯離子的能力增強[17]。不管是在低真空條件下還是標(biāo)養(yǎng)條件下，隨著硅灰和粉煤灰摻量增加，混凝土電通量均降低。值得注意的是，進一步摻加消泡劑、SAP 等外加劑，反而還會增加混凝土的電通量。

圖3 低真空條件處理對混凝土氯離子滲透性能的影響Fig.3 Effect of low vacuum treatment on chloride ion permeability of concrete

進一步在粉煤灰混凝土中摻入硅灰和消泡劑后，低真空條件下電通量降低，原因可能如下：

1)在低真空條件下，混凝土內(nèi)外壓力差以及低真空環(huán)境濕度低導(dǎo)致其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)坍塌，孔結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化，曲折度增加，產(chǎn)生混凝土抗氯離子滲透性能增強的正效應(yīng)。

2)在低真空條件下，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫，孔結(jié)構(gòu)連通性增加，抗氯離子滲透性能降低。

3)在低真空條件下，當(dāng)孔結(jié)構(gòu)曲折度增加的正效應(yīng)大于產(chǎn)生微裂縫的負(fù)效應(yīng)時，混凝土電通量降低。根據(jù)既有標(biāo)準(zhǔn)對混凝土氯離子滲透性等級進行劃分，本文設(shè)計的雙摻粉煤灰硅灰混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護56 d、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d及低真空條件28 d后的氯離子滲透性能均達到非常低的等級，其在低真空條件下仍具有優(yōu)良的抗氯離子滲透性能?？傮w上，低真空條件對粉煤灰和硅灰、消泡劑、SAP 復(fù)摻混凝土的氯離子滲透性能評價結(jié)果影響不大，這與文獻[18]中的結(jié)果一致。

3 介質(zhì)滲透性的變化機理

本文從試件水分蒸發(fā)量和孔隙結(jié)構(gòu)2個方面探討低真空條件下不同組成混凝土中不同介質(zhì)遷移性能的變化機理。

3.1 質(zhì)量損失率

由道爾頓分壓定律可知[10]，混凝土放入模擬低真空箱中后，表面液體蒸發(fā)速率增大，質(zhì)量損失率增加，導(dǎo)致低真空條件下混凝土初始含水率低于標(biāo)養(yǎng)狀態(tài)的含水率，其抗氣體和抗水滲透性能明顯降低。圖4所示為摻粉煤灰及復(fù)摻硅灰、消泡劑混凝土質(zhì)量損失率隨低真空條件下處理時間的變化結(jié)果?？紤]試件滲透性試驗前烘干處理也將產(chǎn)生質(zhì)量損失，將低真空條件下的質(zhì)量損失和烘干處理的質(zhì)量損失之和稱為試件總質(zhì)量損失。圖5所示為2種條件下混凝土的總質(zhì)量損失率。在低真空條件下，混凝土失水可分為快速失水階段(0～7 d)和緩慢失水階段(7 d以后)2個階段。隨著粉煤灰摻量增加，在低真空條件下，混凝土的總體失水率逐漸增加；而復(fù)摻硅灰和消泡劑后，低真空條件混凝土的質(zhì)量損失率明顯降低，原因可能是摻入消泡劑后，混凝土大氣泡減少，含水量降低，總失水率減少。從圖5 可見：相比標(biāo)養(yǎng)試件，低真空條件下的混凝土總質(zhì)量損失率顯著增大?？傮w上，在低真空條件下，復(fù)摻粉煤灰、硅灰和消泡劑外加劑的混凝土試件的總質(zhì)量損失率最小。

圖4 低真空條件處理后不同摻量混凝土質(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate of concrete with different content after low vacuum treatment

圖5 不同摻量混凝土經(jīng)過低真空條件處理和標(biāo)養(yǎng)后的總質(zhì)量損失率Fig.5 Total mass loss rate of concrete with different content after low vacuum treatment and standard curing

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)

圖6所示為采用Rapid Air 457孔結(jié)構(gòu)分析儀所測不同組成混凝土孔徑分布分析結(jié)果。

圖6 不同粉煤灰、SAP摻量混凝土孔徑分布Fig.6 Pore size distribution of concrete with different FA and SAP contents

從圖6可見：相比于標(biāo)養(yǎng)狀態(tài)，在低真空條件下，混凝土中孔徑＞100 μm 的孔數(shù)量占比明顯增大，混凝土形成內(nèi)部連通孔隙的可能性增大[10]。由此可見，總體上，相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護過程，在低真空條件下混凝土孔結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯粗化，滲透性能進一步增加。單摻粉煤灰混凝土水化進程受真空干燥條件影響最大，因此，分別對純水泥組和粉煤灰摻量為20%組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護和低真空條件下混凝土取樣后進行氮吸附試驗，分析結(jié)果如圖7所示。其中，孔徑在20 nm以內(nèi)的孔是無害孔，對混凝土滲透性能無不良影響[19-21]。圖7 表明：相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護狀態(tài)，在低真空條件下，純水泥組混凝土中孔徑低于10 nm 凝膠孔占比略有降低，但對粉煤灰摻量為20%組凝膠孔的發(fā)育水平影響較大，孔徑大于20 nm的毛細孔數(shù)量明顯增加，可能原因是粉煤灰二次水化反應(yīng)多發(fā)生在28 d后，低真空條件抑制了粉煤灰的二次水化進程，導(dǎo)致孔結(jié)構(gòu)粗化。

圖7 不同粉煤灰摻量混凝土氮吸附孔徑分布Fig.7 Pore size distribution of nitrogen adsorption in concrete with different FA content

4 灰色關(guān)聯(lián)理論分析

混凝土材料滲透性能是多因素影響的結(jié)果，其與孔隙率呈較明顯的相關(guān)性，含水量以及混凝土的組成成分對混凝土介質(zhì)滲透性能也具有一定影響[22]。因此，本文基于灰色關(guān)聯(lián)理論和均值化分析方法[23]，將不同介質(zhì)滲透結(jié)果參數(shù)設(shè)為母序列，總質(zhì)量損失率、孔隙率(由Rapid Air 457 孔結(jié)構(gòu)分析儀測得)、FA 摻量、SF 摻量、AFA 摻量、SAP 摻量設(shè)為子序列，分析其對低真空條件下混凝土滲透性結(jié)果的影響程度，計算方法如式(1)、式(2)所示。各影響因素與混凝土滲透性能的關(guān)聯(lián)度如表3所示。

表3 各影響因素與混凝土滲透性能的關(guān)聯(lián)度Table 3 Correlation degree between influencing factors and permeability of concrete

式中：L0i(k)為子序列i與母序列0 的關(guān)聯(lián)系數(shù)；r0i為對應(yīng)的相關(guān)度；ρ為分辨系數(shù)，取0.5；Δmax與Δmin分別為序列絕對差中的最大值和最小值；xi(k)為k時刻第i列量剛一的數(shù)值；N為數(shù)據(jù)數(shù)量。

由表3可知：總質(zhì)量損失率與低真空條件下混凝土的氣體滲透系數(shù)關(guān)系最為密切，相關(guān)度為0.897；FA摻量和總質(zhì)量損失率與低真空條件下混凝土的毛細吸水系數(shù)的相關(guān)度分別為0.873 和0.851；孔隙率與低真空條件下混凝土的電通量關(guān)系最為密切，相關(guān)度為0.870。由此可見，低真空條件主要通過影響混凝土的含水率及孔隙結(jié)構(gòu)來影響氣體滲透性能，在氣體遷移過程中，混凝土孔隙中液態(tài)水導(dǎo)致氣體滲透通道變窄或堵塞，孔隙曲折度增大。因此，含水率對氣體滲透系數(shù)影響較大，但對于水和離子滲透的影響則較大。在進行電通量測試前，需要將試件進行飽水處理?；炷梁蕦﹄娡坑绊懶　?/p>

5 結(jié)論

1)與標(biāo)養(yǎng)條件相比，低真空條件顯著增大了混凝土尤其是單摻粉煤灰混凝土的氣體滲透性和毛細吸水性，但復(fù)摻粉煤灰和硅灰(和消泡劑)混凝土的電通量無明顯變化。

2)摻入粉煤灰與硅灰、消泡劑復(fù)合可較好地降低低真空條件下的混凝土氣體滲透性和毛細吸水性，并且混凝土抗氯離子滲透性能較好。摻SAP 對低真空條件下混凝土抗?jié)B性無明顯改善作用。

3)總質(zhì)量損失率對低真空條件混凝土的氣體滲透系數(shù)和毛細吸水系數(shù)影響最顯著，孔隙率對低真空條件下混凝土的電通量影響最顯著。

4)在低真空條件下，混凝土總質(zhì)量損失率顯著增加，含水率降低，同時，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生粗化，其中，孔徑＞100 μm孔數(shù)量占比明顯增大，且孔徑＜20 nm 孔隙占比降低明顯。這是低真空條件影響混凝土中介質(zhì)遷移性能發(fā)生變化的主要原因。