高性能混凝土耐久性能研究

宋万万　周振通

摘 要：高性能混凝土具有耐久性好、稳定性强、工作性能优越等特点，在工程中广泛应用。因此，有必要对高性能混凝土的耐久性能开展深入研究，为其发展提供参考依据。本文介绍了高性能混凝土的抗冻融性、抗碳化性、抗氯离子渗透性等耐久性能研究现状。高性能混凝土的耐久性受材料性能、种类、掺量、外加剂和环境等共同影响。掺入适量的矿物掺合料，是提升高性能混凝土耐久性能的一种有效手段。

关键词：高性能混凝土;耐久性;矿物掺合料

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）06-0113-03

Research on Durability of High Performance Concrete

SONG Wanwan ZHOU Zhentong

（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： High-performance concrete has the characteristics of good durability， strong stability， and superior working performance， and is widely used in engineering. Therefore， it is necessary to carry out futher research on the durability of high-performance concrete to provide a reference for its development. This paper introduced the current research status of the durability of high performance concrete such as freeze-thaw resistance， carbonization resistance， and chloride ion permeability resistance. The durability of high performance concrete is affected by material properties， types， dosage， admixtures and environment. Incorporating an appropriate amount of mineral admixtures is an effective means to improve the durability of high-performance concrete.

Keywords： high performance concrete;durability;mineral admixture

随着施工工艺的不断进步，普通混凝土由于抗渗性低、耐久性差，已无法满足现代建筑的需要。与普通混凝土相比，高性能混凝土（High Performance Concrete，HPC）通过掺入粉煤灰、硅灰、矿粉和外加剂等材料，能降低水泥用量，减少CO2的排放，保护生态环境，减少混凝土的水化时间，增强混凝土抗渗性能，使混凝土的耐久性、體积稳定性和工作性能显著提升[1-3]。HPC作为一种兼顾抗压强度、耐久性、经济性和实用性的新材料，具有广阔的发展前景。本文通过对HPC的抗冻融性能、抗碳化性能、抗氯离子渗透性能等进行研究，以期为高性能混凝土的发展提供参考依据。

1 抗冻融性

抗冻融性指的是混凝土在冻融循环条件下未发生疲劳损伤、破坏，保持工作状态的性能。混凝土掺入矿物掺合料和引气剂等，能改善内部的孔隙结构，提高密实度，进而增强抗冻融破坏能力。

姚志雄等通过快速冻融法检测盐水冻融前后的质量变化和横向基频，结果发现，在混凝土中加入粉煤灰和矿粉可有效增强HPC的抗冻融破坏能力，相比掺粉煤灰，掺矿粉改善混凝土抗冻融性能的效果更佳[4]。洪雷等对冻融循环100～275次的相对抗压强度数据进行拟合[5]，发现混凝土的相对抗压强度与相对动弹性模量近似呈线性分布。其对应关系如图1所示。

曹浩鹏等在HPC中单掺粉煤灰，延长养护龄期，显著提升混凝土的抗冻融性能，主要原因是粉煤灰在前期的水化作用较弱，甚至不发生水化反应，单纯充当填充物，后期粉煤灰水化程度较高，与水泥石发生胶结，增强混凝土密实度，显著提高其抗冻融性能[6]。

在HPC中加入活性矿物掺合料，可以产生火山灰效应、微填充效应和超叠加效应，使高性能混凝土中各组分之间的颗粒级配更加均匀，而且胶凝材料水化过程中形成更多的钙矾石凝胶体，显著提高水泥石的致密程度，隔绝混凝土内部结构中的毛细通道，形成自密实混凝土细观结构，进一步提高混凝土抗冻融破坏能力。

2 抗碳化性

混凝土的碳化是指环境中的CO2通过表面微孔渗入混凝土的内部结构，在水的作用下，与混凝土内水泥石中的CA（OH）2和C-S-H凝胶发生反应，生成CaCO3和H2O。早期混凝土碳化时，外层混凝土碳化生成的CaCO3可填充水泥石的孔隙，充实内部结构，有效阻止有害介质的侵入;但持续碳化造成其与CaCO3发生反应，得到微溶于水的Ca（HCO3）2，其遇水发生溶解，混凝土内部孔隙率增多，进而损坏混凝土抑制化学侵蚀的工作性能。混凝土的碳化发展过程主要分为三个阶段：一是CO2侵入与细孔溶液的组成;二是H2CO3与细孔溶液发生反应以及CO32-与Ca2+的反应;三是生成CaCO3沉淀与Ca（OH）2的溶解。掺入矿物掺和料和外加剂的混凝土可以显著减少内部结构中的微孔和毛细通道，混凝土内部结构更加致密，阻止CO2侵入混凝土内部，降低碳化反应，进而增强混凝土的抗碳化能力。

孙振华研究发现，粉煤灰掺量的提升导致混凝土的碳化深度随之延长，硅灰掺量的增加反而降低混凝土的碳化程度，聚丙烯纤维可有效改善混凝土的抗碳化性能，但掺量过大易造成混凝土碳化深度的增加[7]。屠柳青研究发现，大掺量粉煤灰混凝土的碳化速率明显高于普通混凝土，在混凝土中引入膨胀剂，无外部约束时导致混凝土的碳化速率加快[8]。程宇科在HPC中复掺粉煤灰、硅灰和磨细钢渣粉，随着碳化时间的延长，混凝土的碳化深度逐渐增加，表明加入矿物掺合料对混凝土的抗碳化性能没有显著提高;相比养护28 d的HPC，养护60 d的HPC碳化深度平均下降3 mm左右，养护龄期对HPC抗碳化性能有显著作用[9]。

HPC的抗碳化性能受掺合料种类及掺量、外加剂、水胶比、养护条件、养护龄期、外界环境和试验条件等多种因素的共同影响。研究内容侧重的方向不同，对分析试验结果同样产生些许偏差。因此，对HPC抗碳化耐久性能的研究还应综合多种影响因素进行深入探讨，多重影响因素共同作用，促使HPC的抗碳化性能显著提升。

3 抗氯离子渗透性

高性能混凝土是指具有工作性能稳定、抗压强度高和耐久性好等特点的混凝土，其核心是具有良好的耐久性能。而影响高性能混凝土耐久性能的一个重要因素就是氯离子侵蚀。高性能混凝土的耐久性之所以优于普通混凝土，就是因为高性能混凝土中加入适量的矿物掺合料和外加剂，使混凝土结构更加密实，能够阻挡有害离子的侵蚀和破坏，从而使其抗氯离子渗透性能得以有效提升。

ELAHI等通过试验发现，掺入硅灰的HPC的抗渗透性能较之掺矿渣或粉煤灰的HPC效果更好，当硅灰与矿渣或粉煤灰复掺时，混凝土的抗氯离子渗透性能最优。复掺硅灰和纳米二氧化硅可以提高HPC的抗氯离子渗透性能，由于掺入微米级和纳米级颗粒，混凝土内部孔隙结构得以填充，结构更加密实，进一步增强混凝土的耐久性能[10]。杨义等研究了粉煤灰、矿渣和硅灰取代水泥时HPC的抗氯离子渗透性能，大量复掺粉煤灰、矿渣和硅灰可显著改善HPC的抗氯离子渗透能力;对于单掺粉煤灰的HPC，混凝土的抗氯离子渗透能力随粉煤灰掺量的增加而逐渐加强，但当其掺量大于50%时，混凝土的抗氯离子渗透特性明显减弱[11]。贾佳等人运用电通量法研究了高性能混凝土的抗氯离子渗透性能，发现随着水灰比的降低，混凝土的抗氯离子渗透能力逐渐提升，掺入粉煤灰可以显著影响混凝土的抗氯离子渗透性能，如图2所示[12]。在混凝土中掺入粉煤灰，是增强高性能混凝土抗氯离子渗透性能的一种有效绿色途径。

为增强高性能混凝土的抗氯离子渗透特性，众多研究学者[13-16]更倾向于在混凝土中掺入粉煤灰、硅灰和粒化高炉矿渣等矿物掺合料，在复掺的情况下，得到的高性能混凝土具有更加密实的内部结构，各种材料更加致密，抗渗性能得到有效提升。这样可以有效地抵抗氯离子的侵蚀和渗透，提高混凝土的耐久性能和工作寿命。

4 结论

高性能混凝土耐久性的三大特性是抗冻融性能、抗碳化性能和抗氯离子渗透性能，受矿物掺合料、外加剂和外部环境的多重影响，不同因素的变化都会导致混凝土的耐久性受到影响。在混凝土中加入硅灰、粉煤灰等矿物掺合料可有效改善高性能混凝土的耐久性能。复掺适量的矿物掺合料，可以显著提升高性能混凝土的使用寿命。提升高性能混凝土的耐久性是目前国内外研究的重点，科研工作者仍需要不懈努力，不断增强混凝土的耐久性能，研发和推广更加绿色高效的高性能混凝土，并将其早日广泛应用于社会建设中。

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