超高性能混凝土抗氯离子渗透性能的试验研究

2021-02-14黄政宇

公路工程 2021年6期

黄政宇, 单欣

(湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)是一种很有发展前景的新型建筑材料，与普通混凝土相比，UHPC具有强度高、韧性好等优点，除此之外，其抗氯离子渗透性也明显优于普通混凝土[1-2]。综合国内外文献，龄期、水胶比、养护条件等因素均对UHPC的抗氯离子渗透性能有较大影响，不同测试方法下的UHPC氯离子迁移系数处于10-13m2/s的数量级，至少比普通混凝土的氯离子迁移系数低一个数量级。

ROUX[3]等通过测量活性粉末混凝土(RPC)的孔隙率、透气性、吸水率、氯离子迁移系数等，发现UHPC的气体渗透性和水渗透性极低，无法用仪器测得。GRAYBEAL[4]等通过6种标准化的耐久性能测试，测试了4种方式养护的UHPC试件，结果显示不论何种方式养护，超高性能混凝土的耐久性都要大大优于普通混凝土和高性能混凝土。DOBIAS[5]等通过试验测得UHPC氯离子迁移系数均小于1.4×10-13m2/s。AHLBORN[6]等发现养护温度改变会影响UHPC的总导电量，即温度升高，UHPC的抗氯离子渗透能力增强。LIU[7]等通过试验得出90 ℃热水养护条件下的UHPC氯离子迁移系数大约为4.1×10-13m2/s，具有出色的抗氯离子渗透性能。安明喆[8]等通过试验测得UHPC的氯离子迁移系数为2.2×10-13m2/s，而高性能混凝土的氯离子迁移系数为15.4×10-13m2/s，可见UHPC的抗渗透能力大大优于高性能混凝土。

从研究现状来看，虽然关于UHPC抗氯离子渗透性能的研究越来越多，但国内对UHPC抗氯离子渗透性能的评定没有统一的标准和规范，基本上仍沿用传统混凝土的试验方法，且目前对于不同组成的UHPC抗氯离子渗透性能试验的系统研究不够充分。另外粗骨料对UHPC抗氯离子渗透性能方面影响的研究也较少，阻碍了含粗骨料超高性能混凝土的应用。同时结合工程实际，大多数UHPC结构的破坏是由于氯离子侵入到结构中钢筋表面，达到一定临界浓度时引起钢筋锈蚀，导致与混凝土的粘结力下降，同时结构保护层开裂破坏，最终导致整个结构破坏[9]。综合上述问题，本文采用RCM法测试UHPC氯离子迁移系数，研究了水胶比、硅灰掺量、钢纤维类型与掺量和粗骨料掺量对UHPC抗氯离子渗透性能的影响，同时从微观角度分析不同因素对UHPC孔结构和抗氯离子渗透性的影响，为UHPC进一步应用提供理论依据，从而推动工程领域的广泛应用。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：P.O42.5级普通硅酸盐水泥，化学组成如下：Fe2O32.7%，Al2O35.5%，SO31.9%，CaO 65.4 %，SiO221.1%，MgO3.4%。硅灰:SiO2含量为94.1%，颗粒平均粒径89 nm，比表面积1.85×104m2/kg，其化学组成如下：SiO294.1%，CaO 1.65%，C 1.05%，K2O 0.87%，Fe2O30.58%，MgO 0.26%，Na2O 0.15%，Loss 2.25%。石英粉：325目，平均粒径为50.2 μm。石英砂：20～40目，粒径范围0.45～0.9 mm；采用聚羧酸高效减水剂，减水率大于40%。钢纤维采用以下3种：平直形长钢纤维(长度为20 mm，直径为0.2 mm)，平直形短钢纤维(长度为13 mm，直径为0.2 mm)，端钩型短钢纤维(长度为13 mm，直径为0.2 mm)，其中钢纤维抗拉强度均为2 000 MPa。粗骨料采用玄武岩碎石，粒径范围为2～8 mm。

1.2 试验方法

试验配合比：见表1，其中A组试验变量为水胶比，B组试验变量为硅灰掺量，C组试验变量为粗骨料掺量，D组试验变量为钢纤维长度与掺量，E组试验变量为钢纤维类型。

试件养护方式包括标准养护和热水养护。标准养护：试件浇模成型1 d后，拆模放置温度(20±2) ℃、相对湿度95%以上的标准养护箱内养护至28 d龄期。热水养护：试件成型48 h后拆模，热水(温度90 ℃)养护48 h。将试件养护至指定龄期后进行如下试验。

a.抗压强度试验。

试件为 100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件，测试方法采用《活性粉末混凝土规范》GB/T 31387-2015。

b.氯离子迁移系数测定。

参照GBT 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的RCM法测定(见图1)。试件尺寸为100 mm×100 mm×30 mm，且饱水时间在96 h以上。测试电压采用60 V，阳极注入0.3 mol/L的NaOH溶液，阴极注入质量浓度为10%的NaCl溶液。试验结束后，取出试件并将表面清洗干净，利用200 t压力试验机将试件沿轴向劈成两半，同时喷撒0.1 mol/L硝酸银溶液，待试件断裂面显色后，沿直径断面划分为10等份，最终测量有效氯离子侵蚀深度，并将其代入式(1)计算氯离子迁移系数：

图1 RCM法测定UHPC氯离子迁移系数

(1)

式中：DRCM为试件的氯离子迁移系数，结果精确至0.1×10-12m2/s；U为试件测试电压，V；t为试件测试时间，h；L为试件的平均厚度，mm；xd为试件Cl-渗透深度的平均值，mm；T为阳极溶液始末温度的平均值，℃。

为便于对比，在抗压强度试验中，A、B、C组配合比均掺入2%的平直形短钢纤维。在氯离子迁移系数测定中，A、B、C试验组剔除钢纤维，D、E组加入设定掺量与类型的钢纤维。

c.孔结构和微观形貌测试方法。

本文选用压汞法(MIP)对混凝土孔结构进行测试。在试件达到规定龄期后采用无水乙醇浸泡7 d，终止其水化，在特定温度烘干箱中烘干至恒重后进行压汞测试。采用JSM-6490LV型扫描电子显微镜观察混凝土水化产物的微观形貌。

表1 试验配合比设计Table 1 Design of test mix ratio编号水胶比水泥石英粉石英砂减水剂/%硅灰/%粗骨料/(kg·m-3)钢纤维/%平直形长钢纤维平直形短钢纤维端钩型短钢纤维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 结果与分析

2.1 不同因素对UHPC抗压强度的影响

如图2所示，在热水养护和标准养护条件下，混凝土抗压强度随着水胶比增大而减小。图3表示不同硅灰掺量对UHPC抗压强度的影响，结果表明在一定掺量范围内，混凝土强度随着硅灰掺量增加而增大。

图2 水胶比对UHPC抗压强度的影响

图3 硅灰掺量对UHPC抗压强度的影响

从图4可以看出，在热水养护条件下，掺入400 kg/m3粗骨料时试件抗压强度达到184 MPa，未掺粗骨料时抗压强度为179 MPa；掺入600 kg/m3和800 kg/m3粗骨料时，UHPC抗压强度分别为166、171 MPa，比空白组抗压强度分别降低7%、4%。在常温养护条件下，粗骨料掺量对UHPC抗压强度影响规律与高温养护条件下大致相同，掺入400 kg/m3粗骨料时抗压强度达到最大值149 MPa，比空白组强度提高6%。从图5结果来看，不同养护条件下UHPC抗压强度随钢纤维掺量增加而增大。

图4 粗骨料掺量对UHPC抗压强度的影响

(a) 标准养护

2.2 不同因素对UHPC抗氯离子渗透性能的影响

2.2.1水胶比、硅灰对UHPC抗氯离子渗透性能的影响

在标准养护条件下，水胶比为0.16、0.18、0.20对应的氯离子迁移系数分别为6.92×10-14、8.87×10-14、13.53×10-14m2/s。由图6可知，随着水胶比增加，UHPC的DRCM值增大，且当水胶比达到0.18时增长幅度变大。在热水养护条件下，DRCM值显著降低，说明热水养护下UHPC具有更高的强度，结构更加密实，因此抗氯离子渗透性能更好。由表2可知，随着龄期增长，UHPC的DRCM值降低。由图6(b)试验结果可知，在高温养护条件下，硅灰掺量为20%、25%、30%对应的氯离子迁移系数分别为11.12×10-14、8.87×10-14、7.97×10-14m2/s；硅灰掺量从25%增至30%时，对应DRCM值减小幅度降低。在热水养护条件下，B组UHPC试件氯离子迁移系数基本为6×10-14m2/s左右，因此热水养护和硅灰掺量的增加均会增强UHPC的抗氯离子渗透性能。

(a) 标准养护

表2 不同龄期UHPC氯离子迁移系数值Table 2 Chloride migration coefficient values of UHPC at different ages试验编号龄期/dDRCM/(m2·s-1)A2288.87×10-14907.32×10-14

混凝土是一种多孔材料，其内部孔隙分布非常复杂，MEHTA[10]等认为，混凝土孔径分布与连通状态对其渗透性有显著影响。试验中混凝土的孔隙率随着水胶比增大而增大，因此从试验结果可以明显验证这一规律。硅灰是一种粒径小、比表面积大的活性掺和料，能填充于水泥颗粒之间，改善混凝土孔结构，降低孔隙率，特别是可使混凝土中大孔比例降低。因此从试验结果来看，随着硅灰掺量增加，混凝土氯离子迁移系数均有所减小。

2.2.2钢纤维对UHPC抗氯离子渗透性能的影响

采用快速氯离子迁移系数法测定标准养护条件下龄期28 d 的UHPC氯离子迁移系数，规律如图7所示。从试验结果可以看出，在常温养护条件下，掺加了钢纤维的UHPC氯离子迁移系数均处于10-13m2/s的数量级，当纤维掺量从1%增加到2%时，DRCM的上升速率相对较小，长钢纤维组别增幅为35%，短钢纤维组别增幅为15%。当钢纤维掺量由2%到3%时，测试试件的DRCM值增大较为明显，其中长钢纤维组别增幅为82%，短钢纤维组别增幅为34%。当添加少量钢纤维时，钢纤维彼此分离，对氯化物扩散影响较小，因此DRCM值相对较小。当钢纤维掺量达到2%以上时，钢纤维间距大幅减小，试件电阻变小，导电性能增强，加速氯离子扩散。因此随着钢纤维掺量增加，UHPC抗氯离子渗透性能降低。并且由试验结果可得，当掺量增加时，长钢纤维组别与短钢纤维相比增幅更大。这主要因为钢纤维与UHPC基体之间的界面是氯离子迁移的通道，同等掺量变化条件下，长钢纤维形成的通道连续且较长，因此长钢纤维对UHPC氯离子迁移系数影响更显著。

图7 标准养护条件下钢纤维对混凝土氯离子迁移系数的影响

由图8可得，在热水养护条件下，钢纤维与水泥砂浆之间的水化产物更致密，使得整个结构更密实，这在一定程度上阻碍了氯离子扩散。因此在热养条件下，UHPC氯离子迁移系数整体比标准养护条件下低，抗氯离子渗透能力相对较强。

图8 热水养护条件下钢纤维对混凝土氯离子迁移系数的影响

2.2.3粗骨料对UHPC抗氯离子渗透性能的影响

从前述抗压强度试验结果可知:粗骨料掺入对UHPC抗压强度影响不大，但会造成UHPC内部孔隙率增大，长大界面增多，孔隙率的增加和长大界面增多，会使得氯离子更易扩散。由图9结果可以看出：随着粗骨料掺量增加，其DRCM值逐渐增大。标准养护条件下掺加粗骨料的组别比空白组增大150%，热水养护条件下增量会相对较小。因为随着温度升高，水化反应更彻底，基体结构更密实，因此其DRCM值更低。从整体来看，掺入粗骨料的UHPC氯离子迁移系数基本处于10-13m2/s的数量级，抗氯离子渗透性能优异。粗骨料类型、掺量和尺寸都会对混凝土孔结构产生影响。在氯离子渗透过程中，通常界面区成为渗透的薄弱部位，当粗骨料掺量增加时，其界面区也随之增加，从而降低UHPC的抗氯离子渗透性能。因此从试验结果来看，混凝土氯离子迁移系数随粗骨料掺量增加而增大。

图9 粗骨料对UHPC氯离子迁移系数影响

2.3 孔隙率

根据吴中伟[11]对混凝土孔结构的研究，基于对其力学性能有害性可划分为无害孔级(<20 nm)、少害孔级(20～100 nm)、有害孔级(100～200 nm)和多害孔级(>200 nm)，同时混凝土中孔径小于20 nm的无害孔对氯离子的传输无太大影响。水泥基材料的离子传输性能与其孔结构、界面过渡区等微观结构密切相关。孔隙率大不一定渗透性就差，因为其具有不同的孔径分布，因此不能单纯从孔隙率大小和强度变化来判断混凝土渗透性。

根据压汞法测试结果得出不同类型、不同掺量钢纤维UHPC孔隙体积分布，如图10所示。分析可得，同等掺量下长钢纤维组的结构更为密实。且随着钢纤维掺量增加，孔隙率逐渐增大。结合图10和表3可知，当掺入1%长钢纤维时，UHPC孔隙率为8.6%，孔径小于20 nm的小孔所占比例为56.34%；当掺入1%短钢纤维时，UHPC孔隙率为9.3%，小孔所占比例比掺入同等掺量长钢纤维时有所减少，为43.6%；掺入3%短钢纤维时UHPC的孔隙率为10.5%，同时小孔所占比例减少到34.73%。由此可见，同等掺量下，随着钢纤维长度增大，UHPC结构会变得密实，有害孔数量也会减少；当钢纤维数量增多时，UHPC孔隙率随之增大，同时有害孔数量增多，从而导致UHPC抗氯离子渗透性能变差。

图10 孔隙体积分布

表3 不同钢纤维类型及掺量UHPC的孔结构参数Table 3 Pore structure parameters of different steel fiber types and content of UHPC试验编号总孔体积/(mL·g-1)孔隙率/%不同孔径(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 微观形貌

由图11可知，根据D2组试件在不同养护条件下的微观形貌得出，在热水养护条件下UHPC基体结构更为密实。在高温作用下基本看不到六方板状Ca(OH)2和柱状钙矾石等水化产物，水化程度较高，水化产物富集现象更为明显。此外在热水养护条件下，钢纤维与混凝土基体间的界面过渡区会增强，所以在热水养护条件下，UHPC具有更高的强度和更好的抗氯离子渗透性能。在标准养护下，呈针状的钙矾石等会形成网状结构。由于钙矾石具有微膨胀作用，会导致试件基体结构相对疏松且孔隙较多。因此在热水养护条件下，UHPC强度更高且抗氯离子渗透性能更好。