双重劣化机制下高性能混凝土抗氯离子渗透性研究*

汪胜义 姜天华 张秀成 颜 斌 王 威

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司 武汉 430050； 2.武汉科技大学城市建设学院 武汉 430065；3.东南沿海工程结构防灾减灾福建省高校工程研究中心(JDGC03) 莆田 351100)

环境中的氯离子扩散速度取决于结构致密性、裂缝形态及开展程度。在沿海寒冷地区，桥梁等建筑结构物长期受到氯离子侵蚀和冻融破坏等多重因素的共同作用，加剧了混凝土结构的钢筋锈蚀速率， 导致预期寿命将会远远低于设计寿命[1]。因此，提高混凝土耐久性是当前亟需研究的课题。

中外学者通过不断地研究和探索，发现加入粉煤灰、硅灰、聚丙烯纤维等掺合料制成的高性能混凝土可以有效地减少混凝土中微裂缝的产生及延缓裂缝的扩展，显著提高混凝土密实性[2-4]，且效果明显优于单掺一种矿物。目前针对高性能混凝土的抗氯离子渗透性能研究主要集中在受单一特定环境因素的影响，王建刚等[5]运用RCM法分别测试了混凝土在标准养护、干湿循环、碳化和冻融循环等环境因素下的氯离子扩散系数。对于多重因素作用下的抗渗性研究主要集中在普通混凝土上，而在复杂环境多因素作用下高性能混凝土与普通混凝土在性能上存在较大差异，仍有待进一步研究。

基于此，本文设计制作了9组不同配合比的高性能混凝土，在氯盐-冻融双重劣化条件下探究聚丙烯纤维、粉煤灰、硅灰等因素对高性能混凝土抗渗性的影响，并测试比较试块劣化前后电通量值，探究高性能混凝土抗氯离子渗透机理，以期为其推广使用提供一定试验依据与理论参考。

1 试验概况

1.1 原材料和配合比

实验采用华新水泥股份有限公司生产的P.O 42.5级普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用需水量比为93%的河南侯刚牌一级粉煤灰；硅灰为河南四通化建有限公司生产，SiO2含量为93.67%的高含量优质硅灰；细骨料采用普通河砂，堆积密度为1 560 kg/m3，表观密度为2 560 kg/m3，细度模数为2.58；减水剂减水率为25%～35%，为青岛虹厦HSC聚羧酸高性能减水剂；纤维为长度12 mm，弹性模量大于4.8 GPa的长沙汇祥公司生产的聚丙烯纤维。

为确定试验各材料配合比的合理范围，固定水胶比和砂胶比，以粉煤灰、硅灰、聚丙烯纤维为3个变量因素，分别选取3个水平。通过正交试验设计的方法L9(34)，确定了9组不同配合比。单位体积(m3)高性能混凝土各成分的质量见表1。

表1 高性能混凝土各成分的质量 kg

1.2 试验方法

试验所用9组不同配合比的试块尺寸均为直径×高度=100 mm×50 mm的圆柱体。试块在养护箱标养28 d后，分5个批次放入TDR-10快速冻融试验机，用质量分数为3%的氯化钠溶液分别进行0，50，100，150，200次氯盐-冻融循环试验(试验步骤参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》)[6]。每个批次氯盐-冻融循环试验结束后，将试块从冻融试验机拿出，待其表面干燥，用树脂密封材料将圆柱侧面表面孔洞涂刷密封，再放入真空饱水机中进行饱水(依次进行干抽1 h、湿抽3 h和静停20 h)，最后利用YC-RCM系列测定仪进行电通量测试。

2 试验结果与分析

2.1 双重劣化前抗氯离子渗透性

第一批试块(0次氯盐-冻融循环)6 h电通量试验结果见表2和图1。

表2 劣化前电通量试验结果表

图1 劣化前电通量试验结果柱状图

表3 电通量极差分析表 C

分析表3结果表明：R(硅灰)>R(聚丙烯纤维)>R(粉煤灰)，说明对高性能混凝土抗氯离子性能影响最大的是硅灰，聚丙烯纤维对其影响次之，粉煤灰影响最小。

综合以上数据可知，粉煤灰质量分数由20%向40%变化时，电通量值先降后增。分析认为粉煤灰自身粒径小于水泥，颗粒呈圆珠状，填充了一定间隙，使内部界面结构优化，增加密实度，提高抗渗透能力；同时，粉煤灰中含量较高的铝会与氯离子和Ca(OH)反应生成Friedel盐，进一步降低氯离子的渗透速度。但当粉煤灰掺量继续增加，水泥掺量就会减少，二次水化反应进行不完全，水化产物减少，孔隙率增大[7]，因此出现电通量值增大的现象。

当硅灰掺量在8%～12%范围内，随着硅灰质量分数的增加，电通量下降了66.57%，说明硅灰对提高混凝土抗氯离子渗透性能效果显著。其作用机理与粉煤灰类似，硅灰作为小粒径颗粒，能够有效填充材料间的孔隙，优化界面结构，发挥细集料的填充效应，同时和粉煤灰复掺，可以发挥叠加效应进一步促进二次水化反应，更大幅度提升高性能混凝土抗氯离子渗透性能。

而聚丙烯纤维体积分数在1%～2%变化时，电通量值先降后增。分析认为当掺入适量聚丙烯纤维时，水泥失水面积减小，使失水收缩形成的毛细管张力有所减小，减少内部缺陷。其次纤维存在一定配筋作用，抑制了贯通性裂缝的产生，阻断了氯离子的渗透通道。但当纤维掺量过大时，纤维与水泥基的界面面积也会随之加大，由于纤维的不亲水性，界面处的混凝土强度较低，成型后的混凝土塑性收缩界面处易出现微裂缝；且纤维量过大浇筑混凝土时，纤维不易分散，出现结团现象[8]。

2.2 双重劣化后抗氯离子渗透性

第2～5批次试块分别进行50，100，150，200次氯盐-冻融循环试验后，再进行电通量试验，试验结果见图2。

图2 电通量结果点线图

9组试块经过氯盐-冻融循环试验后，电通量值与双重劣化前相比均有所下降，且随着氯盐-冻融双重劣化次数的增加，电通量值总体趋势呈先减小后增大，第1组试块在200次氯盐-冻融循环试验后与未经过双重劣化前相比，电通量下降了46.6%。

出现这种变化的原因是粉煤灰和硅灰发生火山灰效应，生成水化硅酸钙(C-S-H)胶凝，降低内部孔隙率，使混凝土更加密实[9]，从而提高混凝土抗氯离子渗透能力。从水化角度分析，掺加粉煤灰和硅灰后，混凝土养护28 d后水化反应还在继续进行，水化反应产生的凝胶类物质不断增多，分散到水泥基体的孔隙中，阻断氯离子扩散路径；当氯盐-冻融循环次数超过100次时，混凝土水化反应已基本完成，但双重劣化条件下侵蚀还在继续，劣化的负面作用大于水化反应的积极作用，混凝土内部出现开裂，氯离子渗透通道逐渐贯通，电通量上升。

但对比劣化前后试块电通量值的变化情况，发现高性能混凝土在经历200次氯盐-冻融循环后，电通量值仍然低于130 C，说明掺加粉煤灰、硅灰、聚丙烯纤维的高性能混凝土能有效抵御氯盐-冻融双重劣化的破坏。

3 结论

通过对9组高性能混凝土进行不同次数劣化的电通量试验，得到以下结论：

1) 试块在未进行氯盐-冻融循环双重劣化试验前，9组试块的电通量值均低于130 C，按照ASTMC1202评定等级，属于可以忽略的级别。极差分析结果表明硅灰对高性能混凝土抗氯离子渗透性能影响最为明显，试块电通量值随硅灰质量分数的增大而降低。

2) 试块在进行氯盐-冻融循环试验后，由于水化反应还在继续，随着双重劣化次数的增加，电通量值变化趋势为先减小后增大，但进行200次双重劣化后，9组试块电容量值仍低于100 C，说明9组高性能混凝土均具备良好的抗氯离子渗透性能。

3) 粉煤灰、硅灰、聚丙烯纤维的填充效应均降低了混凝土内部的孔隙率，同时粉煤灰、硅灰的火山灰效应与水泥水化产物反应生成的C-S-H凝胶可进一步填充孔隙，增大混凝土密实度，有效提高混凝土抗氯离子渗透性，对提高混凝土耐久性具有重要意义。

4) 对于沿海寒冷地区高性能混凝土的改性，建议采用硅灰质量分数为8%～12%、粉煤灰质量分数为30%～40%、聚丙烯纤维体积分数为1%～1.5%。