自密实混凝土抗冻抗渗性能研究现状

杨维康 刘生辉 屈润材 周太郎

(南昌航空大学土建学院，江西南昌 330063)

0 引言

如今，自密实混凝土在国内研究成果逐渐趋向成熟，研究的热点之一就是其耐久性问题。自密实混凝土耐久性不好，主要与其的抗冻性和抗渗性有关，根本原因在于其本身的内部结构。自密实混凝土的孔隙率较高，当中相当大的部分是毛细孔，约占水泥石总体积的30%左右。水分、氧气、各种侵蚀介质、二氧化碳及其他有害物质通过毛细孔通道进入混凝土内部，表明引起混凝土抗冻性和抗渗性不足的根本原因是毛细孔［1］。研究表明:高效减水剂不仅能改变自密实混凝土的流变性能，同时还能改变自密实混凝土硬化后的气泡特征。充足而稳定的气泡是饱和状态下混凝土抗冻融的必要条件。近几年来，人们高度关注高效减水剂对于遭受冻融侵害混凝土的气孔参数和抗冻融耐久性的影响［2］。自密实混凝土的渗透性是指液体、气体或离子等在不同压力下在混凝土内部渗透、扩散、迁移的难易程度［3］。混凝土固有的多孔性导致了混凝土的渗透性。

1 国内外研究动态

1.1 国外研究动态

20世纪80年代，欧美和亚洲等地的十多个国家组成一个技术专家团队，对约近百万座道路桥梁在现场进行了细致和全面的调查、分析和测试。结果指出:在严寒地区，道桥破坏或失效的最主要原因是盐冻剥蚀破坏和钢筋锈蚀破坏［4］。2005年，Kurdowski W等研究了自密实混凝土硬化物的强度、收缩、冻融循环损失等因素下的耐久性，发现自密实混凝土90 d后收缩率为0.4 mm/m～0.55 mm/m，相对普通混凝土较好。2006年，Bertil和Persson［5］研究并得出结论:自密实混凝土的氯离子的抗渗性能比普通混凝土更好;2007年，Stephan Assie等比较研究了 C20，C40，C60自密实混凝土和振捣混凝土的耐久性，主要考虑了水压渗透、汞压渗透、渗氧、氯离子扩散、微观孔径吸附作用等因素。

1.2 国内研究动态

2003年，张文渊［6］研究了影响混凝土抗冻性的主要因素及其对策;2011年，陈春珍等［7］对自密实混凝土抗冻性能进行了研究，得出结论:影响自密实混凝土的抗冻性主要因素是混凝土的内部结构;2011年，张爱玲等［1］研究复合超细粉配制自密实混凝土对其耐久性影响;2012年，靳九贵［3］通过试验研究了不同矿物掺合料对高性能混凝土抗渗性的影响。

2 自密实混凝土的抗冻性

2.1 自密实混凝土冻融循环破坏机理

自密实混凝土是一种多孔性建筑材料，在混凝土拌制时为了增加其流动性得到较好的和易性，会加入多于水泥的水化所需的水。在混凝土形成连通的毛细孔洞中多余的水便以游离水的形式存在，并占有一定的体积。导致自密实混凝土遭受冻害的主要原因就是毛细孔中的自由水，因为水在低温条件结冰会发生体积膨胀，并破坏混凝土内部的结构。根据静水压和渗透压理论，当混凝土的毛细孔壁处于饱水状态且受冻时，将承受两种压力［6］:膨胀压及渗透压。自密实混凝土的抗拉强度低于这两种压力时将会开裂。在反复冻融条件下，混凝土中的裂缝会不断扩大，最终相互贯通，承载能力降低，混凝土遭受破坏。

2.2 影响自密实混凝土抗冻性因素及解决措施

1)自密实混凝土的密实度及强度。

自密实混凝土的密实度及强度越大，则混凝土的抗冻性越好［8］。混凝土的密实度越大，则混凝土内部的空隙结构就越小，不会形成贯通性的孔隙结构，减少自由水的存在，增强了自密实混凝土的抗冻性。随着混凝土龄期的增长其抗冻性也会提高。自密实混凝土的强度和抵抗膨胀的能力随着水泥水化越充分而越高。因此为了提高自密实混凝土的密实度和强度，我们从自密实混凝土的配合比中下手，在混凝土中加入超细粉煤灰与超细矿粉复合时，较单掺超细粉煤灰或超细矿粉时自密实混凝土孔隙率降低，说明它们之间起到了互补的作用，增强了混凝土的密实度和强度。

2)水泥的品种及骨料的质量和它们之间的填充性。

普通硅酸盐水泥混凝土中的水泥活性较一般的混合水泥混凝土高，则混凝土的抗冻性也随之提高。混凝土骨料的级配、大小、互相的填充性对自密实混凝土的抗冻性有很大的影响，混凝土骨料直径相对较小、级配和填充性越好，则抗冻性越好［7］。同时混凝土骨料吸水性及骨料本身抗冻性对混凝土的抗冻性也会有影响。因此从完善骨料的级配和填充性以及从优选择水泥的品种、骨料的质量来提高混凝土的抗冻性。

3)自密实混凝土的饱水状态。

自密实混凝土的孔隙饱水度越小其冻害的程度也越小。一般认为孔隙含水量小于孔隙总体积的90%左右就不会产生冻结膨胀压力。为此可以加入引气剂、减水剂降低混凝土结构中的自由水的含量，使混凝土中的含水量小于极限饱水度状态下的含量，则会降低其冻结膨胀压力。同时混凝土结构的部位及其所处自然环境会影响其饱水状态。

4)自密实混凝土的水灰比。

自密实混凝土的水灰比影响着混凝土结构内部开口孔径的大小以及孔隙率;开口孔径越大、孔隙率越高则混凝土的抗冻性越低。为了降低混凝土内部结构孔洞的开口孔径和孔隙率，通过掺入高效减水剂降低混凝土的水灰比，进而提高自密实混凝土的抗冻性和强度。

5)自密实混凝土的含气量。

含气量会影响混凝土抗冻性，为了提高混凝土抗冻性加入引气剂形成的微细气孔尤为重要。在混凝土内部产生互不连通的微细气泡，截断了渗水通道，使水分不易渗入内部。同时气泡有一定的适应变形能力，对冰冻的破坏起一定的缓冲作用。因此为了提高自密实混凝土抗冻性在其中掺入引气剂或引气减水剂，但要控制引气剂的掺入量，以免影响自密实混凝土的强度。

3 自密实混凝土的抗渗性

3.1 自密实混凝土渗透破坏机理

自密实混凝土的渗透性是指在外界环境下存在内外压力差，使液体或气体从混凝土孔隙中压力较高处向低处迁移、渗透的现象［9］。而抵抗气体或液体的渗透能力则称为抗渗性。自密实混凝土的抗渗性与其耐久性密切相关;密实性高、抗渗性好的混凝土，其耐久性也较好［10］。如果混凝土抗渗性不好，水很容易通过孔隙渗入混凝土内部，则会使其易遭受冻害;如溶解性物质浸透自密实混凝土，易使其内部某些水化物析出，产生溶出型腐蚀，离子交换型侵蚀等，最终导致混凝土的破坏。

3.2 影响自密实混凝土抗渗性因素及解决措施

1)自密实混凝土中膨胀剂的掺量。

为了使混凝土硬化过程中减少收缩以致提高其抗渗性，在自密实混凝土中加入膨胀剂;水泥的水化产物与膨胀剂发生反应生成的钙钒石填充了混凝土前期生成的毛细孔，使混凝土结构更加密实，并且产生的微膨胀可以弥补混凝土的收缩。因此在实验中掺入适当膨胀剂不仅可以减少混凝土收缩，还可以提高其抗渗性。

2)原材料的质量和它们之间的填充性。

混凝土骨料的最大粒径大小、级配、互相的填充性对自密实混凝土的抗渗性有很大的影响，混凝土骨料粒径相对较小、级配和填充性越好，则抗渗性越好。因此从优选择水泥的品种、骨料的质量、适当的砂率，完善骨料的级配和填充性以提高自密实混凝土的抗渗性。

3)自密实混凝土的水灰比。

自密实混凝土的水灰比影响着混凝土结构内部开口孔径的大小以及孔隙率;开口孔径越大、孔隙率越高则混凝土的抗渗性越低。为了提高自密实混凝土的抗渗性，通过掺入高效减水剂降低混凝土的水灰比，以致降低混凝土内部结构孔洞的孔隙率和开口孔径，进而提高自密实混凝土的抗渗性和强度。

4)自密实混凝土的密实度和含气量。

自密实混凝土的密实度及强度越大，则混凝土的抗渗性越好［11］。混凝土的密实度越大，则混凝土的内部的空隙结构就越小，不会形成贯通性的孔隙结构，减少自由水的存在增强了混凝土的抗渗性。混凝土的抗渗性随其龄期的增长而提高。因此为了提高自密实混凝土的密实度和强度，我们从自密实混凝土的配合比中下手，在混凝土中加入超细粉煤灰与超细矿粉复合时，从而进一步增强了混凝土密实度和强度。同时在混凝土中掺入引气剂或引气减水剂，以致在混凝土内部产生互不连通的微细气泡，截断了渗水通道，使水分不易渗入内部，这样也能提高混凝土的抗渗性。

4 自密实混凝土抗冻性和抗渗性检测方法

自密实混凝土的抗冻性和抗渗性能检测［12］，对混凝土的外观、力学性能、抗冻性能、抗渗性能进行检测，检测内容主要有表面缺陷、裂缝、内部缺陷、强度、抗冻性、抗渗性［13］(见表1)。

表1 自密实混凝土抗冻性抗渗性能检测

5 结语

1)各地区在不同环境下，根据实际情况从材料选择、配合比的优化等方面设计出适宜当地环境、抗冻性能和抗渗性能较强的自密实混凝土，最后系统整理得出较好的自密实混凝土配合比优化设计体系。

2)实验室环境下对自密实混凝土试件的抗冻性和抗渗性的研究具有局限性，所以应该在实际自然环境下和实际过程中进行实验研究。

3)目前我国所进行的自密实混凝土配合比设计和抗冻性、抗渗性的测试方法大多参考美国或欧洲的标准，不一定适合我国实际工程，应根据实际情况选择合适的标准和测试方法。

［1］张爱玲，陈晓霞.复合超细粉配制自密实混凝土耐久性试验［J］.河南科技大学学报(自然科学版)，2011，32(5):37-39，44.

［2］Bruce J.Christensen，Frank S.Ong.密实混凝土的抗冻融性能研究［J］.混凝土，2005(9):20-24.

［3］靳九贵.不同矿物掺合料对高性能混凝土抗渗性影响的试验研究［J］.科技致富向导，2012(18):425-426.

［4］张 颖，张粉芹，王起才，等.国内外混凝土的抗冻性试验的分析与探讨［J］.四川建筑，2007，27(3):215-217.

［5］Bertil，Persson.On the internal frost resistance of self-compacting concrete，with and without polypropylene fibres［J］.Materials and Structures，2006，39(7):707-716.

［6］张文渊.影响混凝土抗冻性的主要因素及其对策［J］.建材标准化与质量管理，2003(2):39-40.

［7］陈春珍，张金喜，徐金良，等.自密实混凝土抗冻性能研究［J］.建筑技术，2011，42(5):443-445.

［8］Neuner G，Beikircher B.Critically reduced frost resistance of Picea abies during sprouting could be linked to cytological changes［J］.Protoplasma，2010，243(1):145-152.

［9］V.Boel，K.Audenaert，G.Schutter.Gas permeability and capillary porosity of self-compacting concrete［J］.Materials and Structures，2008，41(7):1283-1290.

［10］郭向勇，冷发光，张仁瑜，等.对自密实混凝土渗透性能的探讨［J］.建筑科学，2007，23(1):49-53，60.

［11］Rafat Siddique.Compressive strength，water absorption，sorptivity，abrasion resistance and permeability of self-compacting concrete containing coal bottom ash［J］.Construction and Building Materials，2013(47):1444-1450.

［12］李凯东，叶 明.混凝土抗渗性测试方法的探讨［J］.辽宁建材，2009(2):37-38.

［13］杨莲葳.混凝土耐久性检测方法［J］.广东建材，2008(7):158-160.