低真空条件对混凝土中介质迁移性能的影响

2023-10-30刘梦晶谢友均上官明辉龙广成高策

中南大学学报（自然科学版） 2023年9期

刘梦晶，谢友均，上官明辉，龙广成，高策

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙，410000；2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京，100055)

随着现代经济社会和科学技术发展，混凝土结构不断向高原、高海拔乃至深空等环境延伸，近年来，兴起了低真空管道运输系统建设[1]。混凝土在各种环境下具有较稳定的服役性能，因此，许多学者探讨了混凝土作为建造真空管道结构材料的可行性，提出了提高混凝土气密性和加装真空泵等措施来提高真空管道系统的气密性[2-5]。在实际工程中，水、气、离子等介质在混凝土中的迁移性能是影响混凝土耐久性和气密性的重要因素。混凝土结构中各种介质的迁移情况随服役环境的差异而产生差异。由于低真空管道运输系统建设的兴起，探讨低真空条件对混凝土中介质迁移性能的影响具有重要实践意义。

低真空环境具有显著的干燥作用，试件放入低真空环境中后，其内部水分蒸发量增大，且放入试件的龄期越早，水化程度越低，对试件的耐久性越不利[6]，因此，低真空环境对混凝土材料的性能提出了更高的要求。此外，混凝土的气密性与介质迁移性能密切相关，但国内外学者对混凝土中介质迁移性能的研究多是基于常压条件，针对低真空条件对混凝土中介质迁移性能影响的研究成果非常少，特别是低真空条件对不同组成混凝土中的介质迁移性能影响鲜见报道。

基于此，本文结合低真空管道运输设施建设需求，首先，通过模拟低真空环境条件，进行了混凝土气体渗透、毛细吸水和氯离子渗透性能试验；其次，研究了低真空条件下不同介质在混凝土中的迁移性能,分析了粉煤灰、硅灰、消泡剂和高吸水树脂(SAP)掺量对低真空条件下混凝土中介质迁移性能的影响规律；最后，基于灰色关联理论，探讨了各因素与混凝土中介质迁移性能的关联关系。

1 试验材料、过程和方法

1.1 原材料

选用了强度等级为42.5 MPa 普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)、Ⅱ级粉煤灰(FA)和硅灰(SF)作为胶凝材料组分，其主要化学性质如表1所示。

表1 胶凝材料的主要化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of cementitious materials%

选用粒径分别为(5，10)mm和[10，25)mm的2种粒级石灰岩碎石作为粗骨料，选用细度模数为2.6 的天然砂为细骨料、减水率为25%的PCA-I 型聚羧酸系高效减水剂(SP)，并选用市售880B 型消泡剂(AFA)。所选聚丙烯酸钠高吸水树脂(SAP)的相对分子质量为122.6，粒径为160～250 μm，吸水倍率(去离子水)为450，密度为0.7 g/mL。拌合水为自来水。

1.2 混凝土配合比与试件制备

以管道梁用典型强度等级混凝土为基础，考虑各组成材料的影响，设计了13 组混凝土，各混凝土配合比如表2所示。其中，混凝土水胶比为0.3，胶凝材料总量为480 kg/m3，砂为680 kg/m3，粗骨料(5～10 mm)和粗骨料(10～25 mm)分别为432 kg/m3和648 kg/m3。按照相应配比，采用双卧轴强制式搅拌机搅拌混凝土，制备直径×高度为100 mm×50 mm的圆柱试件，以用于混凝土迁移性能测试。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concretekg/m3

1.3 试验方法

1.3.1 养护与处理方法

为研究低真空条件下干燥作用对混凝土养护过程中的影响，设计混凝土试件成型1 d脱模，在标准养护室养护28 d 后，一部分试件放入实验室自制低真空环境模拟箱，按照GB/T 3163—2007《真空技术术语》规定低真空范围为102～105Pa，本文通过真空泵连续工作，在100 Pa 最不利低真空环境中继续养护28 d；另一部分放入标准养护室继续养护28 d。

1.3.2 混凝土中介质迁移性能测试方法

采用NELD-AV037 混凝土透气性测定仪测试气体渗透系数[7]，其中，混凝土气体渗透系数越高，其抗气体渗透性能越差。为保证试件平整，试验前打磨混凝土试件上下底面，然后，用环氧树脂密封试件侧面和部分上下表面，使透气面仅为上下表面直径为8 cm 的圆形区域。研究表明，混凝土在60 ℃环境中烘干48 h 后，失水率基本上可以达到烘干300 h 后失水率的70%左右，且60 ℃烘干环境对混凝土孔结构的破坏最小[8]。因此，为减小低真空条件和标养条件下初始含水率对混凝土抗气体渗透性能的影响，对混凝土进行抗气体渗透性能测试前需要在60 ℃环境下干燥48 h。试验恒压为300 kPa，取6 h后的气体渗透系数作为最终结果，每组测试3 块。上述试验完成后，密封试件上表面，按照ASTM C1585-13 装置，测量浸水后不同时间的质量，计算毛细吸水系数。最后，根据GB/T 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试电通量。

1.3.3 混凝土孔结构分析

采用Rapid Air 457 孔结构分析仪和彼奥德SSA-4000孔径分析仪测试孔结构。

2 试验结果与分析

2.1 不同组成混凝土的抗气体渗透性能

标养和低真空条件对掺粉煤灰(FA)、硅灰(SF)、消泡剂(AFA)、SAP 系列混凝土的抗气体渗透性能影响如图1所示。从图1可见：相比标养条件，低真空条件下4个系列混凝土的气体渗透系数均增加，但不同掺量外加剂对混凝土气体渗透系数结果的影响存在较大差异。

图1 低真空条件对混凝土抗气体渗透性能的影响Fig.1 Effect of low vacuum on gas permeability of concrete

从图1(a)可见：随着粉煤灰掺入，低真空条件下混凝土的抗气体渗透性能降低；当粉煤灰掺量为30%时，低真空条件下混凝土气体渗透系数最高，为128.89×10-13m/s，相比于56 d 标养试件，气体渗透系数增加了近20 倍。这是因为粉煤灰活性较低，二次水化反应缓慢，28 d标准养护后，体系的水化程度还较低[9-10]，LI等[11]认为粉煤灰混凝土在20 ℃水中养护28 d 后，粉煤灰的水化程度为4%左右，此时，试块放入低真空环境中后会导致体系失水，并阻止正常的水化进程，混凝土抗气体渗透系数降低。同时，低真空干燥作用很可能造成混凝土内部产生微裂缝，混凝土抗气体渗透性能进一步降低。

从图1(b)可知：当硅灰掺量从3%增加到8%时，低真空条件下混凝土气体渗透系数呈现先减小后增大的趋势，硅灰掺量为5%时最小，为36.64×10-13m/s；相较同龄期标准养护的试件，低真空条件下试件的气体渗透系数增大7～8倍，但掺入硅灰可显著降低真空条件处理对混凝土抗气体渗透性的不利影响，这可能主要是掺入超细的、活性较高的硅灰颗粒促进混凝土水化作用，改变了微结构[12-13]，从而提高了体系抗渗性能，有利于抵抗真空干燥作用的不利影响。

从图1(c)可见：对于标养试件，混凝土抗气体渗透性能随着消泡剂掺量增大而减小；当消泡剂掺量为0.05%和0.10%时，混凝土低真空条件下气体渗透系数相差不大，但当掺量从0.10%增加到0.15%时，低真空条件下混凝土气体渗透系数降低了15.29%；当掺量继续增加到0.20%时，在低真空条件下，气体渗透系数降低38.55%。由此可见，掺入消泡剂能够减少大气泡数量[14]，从而提高低真空条件下混凝土抗气体渗透性能。

从图1(d)可见：在低真空条件下，SAP掺量越大，试件气体渗透系数越低，这可能是在低真空条件下，混凝土中水分丧失是一个由表及里的过程，虽然混凝土外部失水比较快，但是内部混凝土中SAP 释水缓慢，增加气体渗透曲折度，气体渗透系数降低。

2.2 不同组成混凝土的毛细吸水性能

混凝土吸水时间越长，其内部越趋于饱和，毛细吸附力越小。因此，为反映混凝土毛细水吸附作用，分析混凝土前6 h 毛细吸水系数[15-16]，试验结果如图2所示。

图2 低真空条件处理对混凝土抗水渗透性能的影响Fig.2 Effect of low vacuum treatment on water permeability of concrete

从图2 可见，相对于56 d 标准养护试件，经28 d 低真空条件下的混凝土毛细吸水系数显著增加；对于掺粉煤灰试件，在低真空条件下的混凝土毛细吸水系数随着粉煤灰掺量增加而增加；当粉煤灰掺量为30%时，其毛细吸水系数相比56 d标养试件增加了2倍多；对于掺硅灰试件，硅灰掺量越大，混凝土低真空条件下的毛细吸水系数越低。当硅灰掺量为8%时，混凝土在低真空条件下的毛细吸水系数最低，此时，相比于56 d标养试件仅增加约1倍。在粉煤灰、硅灰基础上，掺入适量的消泡剂，在低真空条件下的混凝土毛细吸水系数进一步降低，当消泡剂掺量为0.20%时，混凝土在低真空条件下的毛细吸水系数最小。掺入SAP不利于提高低真空条件下的混凝土毛细吸水性能。综上所述，相比于双掺粉煤灰混凝土，硅灰(消泡剂)复掺粉煤灰后，在低真空条件下混凝土的毛细吸水系数降低，与气体渗透系数结果基本一致。

2.3 不同组成混凝土的氯离子渗透性能

低真空条件处理对混凝土氯离子渗透性能的影响如图3所示。从图3可知：不管是标准养护还是低真空条件，未掺外加剂的纯水泥混凝土的电通量均最大，且两者基本相似；掺入粉煤灰降低了2种条件下混凝土的电通量，但当粉煤灰掺量为20%～30%时，低真空条件下的混凝土电通量仍然在1 000 C 以上；硅灰掺入后，标准养护和低真空条件下的混凝土电通量明显降低，且低真空条件下的混凝土电通量要稍低于标养试件的混凝土电通量；当硅灰掺量为8%时，在低真空条件下的混凝土电通量最小，仅为106 C，这可能是活性矿物掺和料能够显著减小混凝土的孔结构，混凝土结合氯离子的能力增强[17]。不管是在低真空条件下还是标养条件下，随着硅灰和粉煤灰掺量增加，混凝土电通量均降低。值得注意的是，进一步掺加消泡剂、SAP 等外加剂，反而还会增加混凝土的电通量。

图3 低真空条件处理对混凝土氯离子渗透性能的影响Fig.3 Effect of low vacuum treatment on chloride ion permeability of concrete

进一步在粉煤灰混凝土中掺入硅灰和消泡剂后，低真空条件下电通量降低，原因可能如下：

1)在低真空条件下，混凝土内外压力差以及低真空环境湿度低导致其内部孔结构坍塌，孔结构趋于复杂化，曲折度增加，产生混凝土抗氯离子渗透性能增强的正效应。

2)在低真空条件下，混凝土内部结构产生微裂缝，孔结构连通性增加，抗氯离子渗透性能降低。

3)在低真空条件下，当孔结构曲折度增加的正效应大于产生微裂缝的负效应时，混凝土电通量降低。根据既有标准对混凝土氯离子渗透性等级进行划分，本文设计的双掺粉煤灰硅灰混凝土在标准养护56 d、标准养护28 d及低真空条件28 d后的氯离子渗透性能均达到非常低的等级，其在低真空条件下仍具有优良的抗氯离子渗透性能。总体上，低真空条件对粉煤灰和硅灰、消泡剂、SAP 复掺混凝土的氯离子渗透性能评价结果影响不大，这与文献[18]中的结果一致。

3 介质渗透性的变化机理

本文从试件水分蒸发量和孔隙结构2个方面探讨低真空条件下不同组成混凝土中不同介质迁移性能的变化机理。

3.1 质量损失率

由道尔顿分压定律可知[10]，混凝土放入模拟低真空箱中后，表面液体蒸发速率增大，质量损失率增加，导致低真空条件下混凝土初始含水率低于标养状态的含水率，其抗气体和抗水渗透性能明显降低。图4所示为掺粉煤灰及复掺硅灰、消泡剂混凝土质量损失率随低真空条件下处理时间的变化结果。考虑试件渗透性试验前烘干处理也将产生质量损失，将低真空条件下的质量损失和烘干处理的质量损失之和称为试件总质量损失。图5所示为2种条件下混凝土的总质量损失率。在低真空条件下，混凝土失水可分为快速失水阶段(0～7 d)和缓慢失水阶段(7 d以后)2个阶段。随着粉煤灰掺量增加，在低真空条件下，混凝土的总体失水率逐渐增加；而复掺硅灰和消泡剂后，低真空条件混凝土的质量损失率明显降低，原因可能是掺入消泡剂后，混凝土大气泡减少，含水量降低，总失水率减少。从图5 可见：相比标养试件，低真空条件下的混凝土总质量损失率显著增大。总体上，在低真空条件下，复掺粉煤灰、硅灰和消泡剂外加剂的混凝土试件的总质量损失率最小。

图4 低真空条件处理后不同掺量混凝土质量损失率Fig.4 Mass loss rate of concrete with different content after low vacuum treatment

图5 不同掺量混凝土经过低真空条件处理和标养后的总质量损失率Fig.5 Total mass loss rate of concrete with different content after low vacuum treatment and standard curing

3.2 孔隙结构

图6所示为采用Rapid Air 457孔结构分析仪所测不同组成混凝土孔径分布分析结果。

图6 不同粉煤灰、SAP掺量混凝土孔径分布Fig.6 Pore size distribution of concrete with different FA and SAP contents

从图6可见：相比于标养状态，在低真空条件下，混凝土中孔径＞100 μm 的孔数量占比明显增大，混凝土形成内部连通孔隙的可能性增大[10]。由此可见，总体上，相比于标准养护过程，在低真空条件下混凝土孔结构发生明显粗化，渗透性能进一步增加。单掺粉煤灰混凝土水化进程受真空干燥条件影响最大，因此，分别对纯水泥组和粉煤灰掺量为20%组标准养护和低真空条件下混凝土取样后进行氮吸附试验，分析结果如图7所示。其中，孔径在20 nm以内的孔是无害孔，对混凝土渗透性能无不良影响[19-21]。图7 表明：相比于标准养护状态，在低真空条件下，纯水泥组混凝土中孔径低于10 nm 凝胶孔占比略有降低，但对粉煤灰掺量为20%组凝胶孔的发育水平影响较大，孔径大于20 nm的毛细孔数量明显增加，可能原因是粉煤灰二次水化反应多发生在28 d后，低真空条件抑制了粉煤灰的二次水化进程，导致孔结构粗化。

图7 不同粉煤灰掺量混凝土氮吸附孔径分布Fig.7 Pore size distribution of nitrogen adsorption in concrete with different FA content

4 灰色关联理论分析

混凝土材料渗透性能是多因素影响的结果，其与孔隙率呈较明显的相关性，含水量以及混凝土的组成成分对混凝土介质渗透性能也具有一定影响[22]。因此，本文基于灰色关联理论和均值化分析方法[23]，将不同介质渗透结果参数设为母序列，总质量损失率、孔隙率(由Rapid Air 457 孔结构分析仪测得)、FA 掺量、SF 掺量、AFA 掺量、SAP 掺量设为子序列，分析其对低真空条件下混凝土渗透性结果的影响程度，计算方法如式(1)、式(2)所示。各影响因素与混凝土渗透性能的关联度如表3所示。

表3 各影响因素与混凝土渗透性能的关联度Table 3 Correlation degree between influencing factors and permeability of concrete

式中：L0i(k)为子序列i与母序列0 的关联系数；r0i为对应的相关度；ρ为分辨系数，取0.5；Δmax与Δmin分别为序列绝对差中的最大值和最小值；xi(k)为k时刻第i列量刚一的数值；N为数据数量。

由表3可知：总质量损失率与低真空条件下混凝土的气体渗透系数关系最为密切，相关度为0.897；FA掺量和总质量损失率与低真空条件下混凝土的毛细吸水系数的相关度分别为0.873 和0.851；孔隙率与低真空条件下混凝土的电通量关系最为密切，相关度为0.870。由此可见，低真空条件主要通过影响混凝土的含水率及孔隙结构来影响气体渗透性能，在气体迁移过程中，混凝土孔隙中液态水导致气体渗透通道变窄或堵塞，孔隙曲折度增大。因此，含水率对气体渗透系数影响较大，但对于水和离子渗透的影响则较大。在进行电通量测试前，需要将试件进行饱水处理。混凝土含水率对电通量影响小。