利用电通量试验分析高性能混凝土抗渗透性能

王婷

摘要：为分析高性能混凝土在氯化钠溶液-冻融循环综合因素下抗渗透性能变化规律，研究分析掺合料类型、掺量及多因素耦合对其性能影响。结果表明，3种材料对抗渗透性能影响规律为R硅灰＞R聚丙烯纤维＞R粉煤灰；粉煤灰与聚丙烯纤维对电通量值的影响规律一致，随着掺量的增加，电通量值呈先下降、后增加的趋势变化；随着硅灰掺量的增加，电通量值呈持续下降的趋势变化；随着氯盐-冻融循环次数的增加，电通量值呈下降后增加的趋势变化，当冻融循环大于100次后，电通量值变化幅度逐渐平稳，超过150次后电通量值开始显著提高。由此可知，工程技术人员应加强对服役混凝土结构表面的防护，以延长其使用寿命。

关键词：高性能混凝土；抗氯离子渗透性能；冻融循环；硅灰

中图分类号：U416.217    文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）02-0035-04

0 引言

水泥混凝土作为基础设施建设的主要结构材料，其性能优劣程度直接影响工程结构的耐久性，如2021年我国砂石骨料消耗178.94亿t，水泥混凝土消耗达到32.93亿m?，随着我国对大型基础设施的持续完善，水泥混凝土的用量将显著增加，其中高性能混凝土因具备良好的韧性、耐久性而被推广应用，成为未来建筑材料领域主要的研究方向之一。肖换芳等［1］研究蒸养护环境下对多元掺合料配置的超高性能混凝土（STC）抗压强度的影响，结果显示，硅灰-纳米SiO2复合材料降低STC的拌和工作性，水泥/微珠胶凝体系能够较好地改善结构的力学性能，高温蒸养时间过长将增加STC内部结构的孔隙率，降低其密实性。文韬等［2］分析不同聚丙烯纤维掺量对高性能混凝土受弯性能的影响，指出聚丙烯纤维掺量与抗折强度呈正比关系，当纤维用量超过3%时，其抗折强度逐渐下降，通过增加纤维模量和控制掺量方式能够较好地提高混凝土的抗变形能力。张平等［3］采用钢纤维＼聚丙烯纤维复合配置高性能混凝土，通过优化水胶比（0.20）和石英砂用量（20～40目与40～120目的比例为2.06∶1），提出水泥、矿粉、硅灰的基本配置比例为70∶15∶15，其抗折、抗压强度达到35 MPa和130 MPa。刘洋等［4］分析聚乙烯醇（PVA）纤维在高性能混凝土中拉伸性能、弯曲性能的作用原理，总结了聚乙烯醇纤维（PVA）的施工工艺和工程应用经验。李庆华等［5］研究超高韧性水泥混凝土（Ultra high toughness cementitious composites，UHTCC）、活性粉末混凝土（Reactive powder concrete，RPC）和UHTCC/RPC 3种混凝土的抗剪性能，对于不同材料制备的高性能混凝土均表现出良好的韧性，未出现脆性破坏，通过改进浇筑工艺，优化黏结面的粗糙度，可有效地提高UHTCC/RPC的界面剪切强度。江世永等［6］研究不同高厚比的高性能纤维混凝土（ECC）立方体试件的受压、弯拉性能，ECC混凝土的裂缝发展模式较为缓慢，与纤维的焊接点存在密切关联，并且高厚比大于1时，力学抗压强度对尺寸的敏感性逐渐下降，ECC混凝土的弯拉能量与纤维的分布情况、水泥胶浆的黏结效果有关。

綜上所述，针对多种掺合料在高性能混凝土中的应用，我国工程人员开展很多的力学性能研究与材料用量分析，针对抗氯离子渗透性能的研究也得到部分研究成果。本文在前期研究成果的基础上开展对硅灰、粉煤灰、聚丙烯纤维等掺合料拌和高性能混凝土后的抗渗透性能变化的研究，旨在进一步掌握各种掺合料在多因素耦合作用下混凝土抗渗透性能的变化规律，为其推广应用或病害修复提供技术支持。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料选择

高性能混凝土原材料选择如下：优质石灰岩细骨料，水泥为普通硅酸盐水泥P.O42.5，矿料选择Ⅱ级粉煤灰和硅灰，减水剂为郑州某公司生产的聚羧酸高性能减水剂（HSC）（掺量为减水剂用量的0.3‰～0.9‰），纤维选择常州天怡工程纤维公司生产的聚丙烯腈纤维，相关试验结果见表1～表6。

1.2 配合比设计

研究选择添加粉煤灰、硅灰和聚丙烯腈纤维材料，分析不同掺合料对高性能混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律，基准配合比设计采用正交试验设计，确定3因素3水平的正交试验方案（见表7），设计9组试验配合比，试验方案见表8。

1.3 抗氯离子渗透试验

依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GBT 50082—2009），采用电通量法开展相关研究，电通量值计算如下：

Q=，900（I0+2I30+2I60+2Ix+…+2I330+2I360）       （1）

公式（1）中，Q为总电通量，C；I0为初始电流，A；IX为在X时间内的电流值，A。

2 掺合料对抗氯离子渗透性能作用分析

高性能混凝土是一种新型的纤维增强材料，具备较强的韧性变形、良好的抗震性能，与普通的混凝土存在显著差别，一般通过添加掺合料、高模量纤维材料等操作进行水泥混凝土配合比参数的优化设计［5］。分析不同掺量的粉煤灰、硅灰及聚丙烯腈纤维对抗氯离子渗透性能的影响，基本配比选用水胶比0.25，依据上述方案设计开展渗透性能试验，在不同的掺合料掺量下，电通量试验结果见图1～图4，正交设计试验数据极差分析见表9。

（1）不同掺合料对高性能混凝土的电通量值的影响存在显著差异，但不同掺合料复合作用下的电通量值又存在接近的变化规律，图1中试验编号1#、4#和7#的电通量值呈先下降、后升高的趋势，并且Q值均在105 C以上，而3#、6#和9#的Q值均在35～45 C，说明粉煤灰掺合料变化对混凝土抗氯离子渗透性能存在影响，但在硅灰、聚丙烯腈纤维的复合作用后，随着二者掺量的增加，对抗渗透性能劣化影响显著下降；2#、5#和8#的Q值在65～77 C，由此发现正交试验设计方案较好地描述了粉煤灰、硅灰和聚丙烯腈纤维对高性能混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律，1#～9#试验数据得出3个不同电通量值的变化区间（如图2～图4）。

（2）随着粉煤灰掺量的增加，电通量Q值呈先下降、后增长的趋势；随着硅灰掺量的增加，电通量Q值呈持续下降趋势；随着聚丙烯纤维掺量增加，电通量Q值呈先下降、后增加的趋势。3种材料对混凝土抗渗性能的影响具有较大差异，粉煤灰与聚丙烯纤维对Q值的影响规律一致，最佳掺量均为25%和1.5%，超过最佳掺量后，粉煤灰与水泥组分水化后可形成C-S-H凝胶， C-S-H凝胶可以较好地吸附部分氯化物、优化混凝土内部孔隙结构、封闭扩散通道，当掺加的粉煤灰未全部进行水化形成C-S-H凝胶时，多余的粉末势必影响界面黏结，在混凝土内部结构中形成自由体；而聚丙烯腈纤维掺量超过1.5%后，容易在拌和过程中形成抱团现象，导致浇筑的混凝土局部出现缺陷进而影响其抗渗性能。

（3）为进一步分析3种外掺料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响程度，对主次因素的影响程度进行极差分析，R值表征在多个因素作用下抗渗透性能的优劣，R值越大，外掺料对高性能混凝土的抗氯离子渗透性能的影响越显著。通过分析表9中的数据得出3种材料的R值规律为R硅灰＞R聚丙烯纤维＞R粉煤灰，硅灰极差分析R值是R聚丙烯纤维的6.6倍，是R粉煤灰值的23.1倍，说明硅灰对高性能混凝土氯离子抗渗透性能的改善效果最好，聚丙烯纤维次之，粉煤灰的效果最小；这是因为硅灰的主要成分为SiO2和AL2O3，平均粒径为0.1～0.15 [μ]ｍ，比表面积较大，在水泥混凝土拌合过程中，硅灰颗粒容易溶解，SiO2与Ca离子经过短时间混溶可促进水化作用，形成C-S-H凝胶，增加混凝土的水化物成分，提高其内部结构的密实度，同时能进一步改善混凝土拌和物的工作性；而粉煤灰中的有效成分低于硅灰，并且众多研究也得出超量的粉煤灰对水泥混凝土的力学性能存在相应的劣化作用的结果。

3 多因素综合作用对抗氯离子渗透性能作用分析

在我国寒冷地区，氯离子侵蚀与冻融循环耦合作用是影响高性能混凝土的耐久性能的主要因素［5］。本研究分析冻融循环与氯盐复合作用下，高性能混凝土电通量值的变化规律，试验结果如图5所示。

（1）随着氯盐-冻融循环次数的增加，电通量值呈下降趋势，当氯盐-冻融循环超过100次后，电通量值变化幅度逐渐平稳，而氯盐-冻融循环超过150次后的电通量值开始逐渐增大，说明高性能混凝土的抗氯离子渗透性能与冻融侵蚀作用次数存在直接关系。相关研究表明，低水胶比的混凝土在3%NaCl溶液-冻融环境条件下，随NaCl溶液的不断侵蚀，混凝土内部会产生结晶物质，促使混凝土内部结构更加密实，填补初期因水化产生的微观孔隙，但是对该物质的成分仍需要进一步分析。

（2）对于9组试验配比的混凝土试件，受氯盐-冻融循环耦合作用的电通量值变化规律与未劣化的电通量值接近，仍然以1#、4#、7#、2#、5#、8#、3#、6#、9#进行分级，每一等级的3组试件氯盐-冻融循环150次后，电通量值表现出一致的变化规律。

（3）随着劣化作用的不断加深，混凝土内部逐渐出现微裂缝，孔隙结构显著增加，而水泥的水化作用已处于平衡期，水化产物的增加并不能填补冻融结冰膨胀的劣化作用，因此抗渗透性能開始逐渐下降，电通量值在循环150次后开始升高。

（4）结合不同氯盐-冻融循环次数下电通量值数据，通过拟合公式方法进行线性回归（见表10），经分析发现，高性能混凝土的电通量值与冻融循环次数存在密切关系，二者呈二次项关系曲线，相关系数R均在0.97以上，对于混凝土结构，外部环境持续的冻融变化对表面结构侵蚀最严重，发生剥离破坏情况。目前，正在服役的桥梁桩基结构多数发生剥离问题，存在严重的露筋现象，说明高性能混凝土的抗氯离子性能与氯盐-冻融循环耦合作用具有密切关系，受两种或多种综合因素的影响较为显著，在混凝土结构物服役过程中加强对外观保护层的密封与防护，能够有效提高其耐久性，延长使用寿命。

4 结论

（1）不同类型的掺合料对高性能混凝土的抗氯离子渗透性能的影响存在较大差异，采用极差值能够较好地评价掺合料的影响程度，3种材料对抗渗透性能的影响规律为R硅灰＞R聚丙烯纤维＞R粉煤灰，掺量为13%～17%的硅灰对混凝土抗渗透性能的影响最大，对高性能混凝土的抗渗透性能具有良好的改善效果；聚丙烯纤维的影响程度次之，掺量在1.5%时的改善效果最佳；粉煤灰的效果最小，掺量在30%的改善效果最佳。

（2）粉煤灰与聚丙烯纤维对电通量值的影响规律一致，随着材料掺量的持续增加，电通量值呈先下降、后升高的趋势；随着硅灰掺量的增加，电通量值呈持续下降的趋势，当硅灰掺量达到17%时，电通量值均在50 C以内，其抗渗透性能最佳。

（3）高性能混凝土的电通量值与氯盐-冻融循环因素存在密切关联，二者呈二次项关系。随着氯盐-冻融循环次数的增加，电通量值呈先下降、后升高的趋势，当氯盐-冻融循环超过100次后，电通量值变化幅度逐渐平稳，氯盐-冻融循环超过150次后电通量值开始升高。

5 参考文献

［1］肖换芳，张华，宋海宏，等. 不同蒸养制度下多元胶凝体系超高性能混凝土的性能［J］.铁道建筑，2022，62（5）：152-155.

［2］文韬，姜久红，王云飞. 纤维掺量对超高性能混凝土受弯性能的影响［J］.湖北工业大学学报，2021，36（2）：95-98.

［3］张平，陈旭，李凯，等. 超高韧性能混凝土配合比设计优化及力学性能研究［J］.新型建筑材料，2020，47（8）：69-72，118.

［4］刘洋，欧忠文，胡志德，等. 高性能混凝土复合材料研究与应用进展［J］.合成纤维，2019，48（9）：43-46.

［5］李庆华，银星，郭康安，等. 超高性能水泥基复合材料与活性粉末混凝土界面剪切强度试验研究［J］.工程力学，2022，39（8）：232-244.

［6］江世永，陶帅，姚未来，等. 高性能纤维混凝土单轴受压性能及尺寸效应［J］.材料导报，2017，31（24）：161-168，173.