摘要：通過混凝土透氣性、相對抗?jié)B性、抗氯離子滲透和壓汞等試驗(yàn)分析高性能混凝土（HPC）的密實(shí)性。相對于普通混凝土，HPC的氣體擴(kuò)散系數(shù)和相對抗?jié)B系數(shù)較小，摻加5％硅粉和30％粉煤灰的HPC的相對抗?jié)B系數(shù)只有普通混凝土的0.5％；HPC具有優(yōu)良的抗氯離子滲透性能，摻加5％硅粉和30％粉煤灰的HPC相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)和有效氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別只有1.02×10-12m2/s 和1.96×10-12m2/s，分別是普通混凝土的27.9％和26.7％。高性能混凝土的總孔隙率低，孔結(jié)構(gòu)明顯地改善。試驗(yàn)證明：高性能混凝土比普通混凝土更為密實(shí)，具有更好的抵抗氣體、水和離子滲透的能力。
關(guān)鍵詞：高性能混凝土；密實(shí)性；透氣性；抗?jié)B性；氯離子滲透；孔結(jié)構(gòu)
要維持混凝土的高堿性與鋼筋的鈍化狀態(tài)，必須使混凝土具有較高的抵抗氣體(二氧化碳和氧氣等)、水、離子(氯離子等)滲透的能力，即具有高的密實(shí)性?；炷撩軐?shí)性是平均混凝土耐久性的重要指標(biāo)。本文從混凝土透氣性、相對抗?jié)B性、抗氯離子滲透和壓汞試驗(yàn)分析高性能混凝土（High Performance Concrete, HPC）的密實(shí)性。
1 HPC配合比
試驗(yàn)采用P·O 42.5級水泥，性能指標(biāo)符合GB175-1999標(biāo)準(zhǔn)要求。礦物摻合料有：Ⅱ級粉煤灰、S95級磨細(xì)礦渣和硅粉，化學(xué)成分見表1,根據(jù)《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T 18736-2002）測得粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅粉的活性指數(shù)分別為85.5%、108.2%和107.4%。細(xì)骨料采用細(xì)度模數(shù)為2.78的中砂，粗骨料為5mm～20mm和20mm～40mm碎石。外加劑為萘系高效泵送劑。
經(jīng)過配合比設(shè)計(jì)和試拌，確定普通混凝土和HPC的配合比，表2列出每方混凝土原材料用量，各配合比混凝土的力學(xué)指標(biāo)見表3。其中，I配合比的混凝土為普通混凝土，水膠比為0.45, Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ配合比的混凝土為HPC，水膠比皆為0.35。Ⅱ配合比HPC摻加10％粉煤灰和40％磨細(xì)礦渣, Ⅲ配合比HPC摻加3％硅粉、20％粉煤灰和40％磨細(xì)礦渣, Ⅳ配合比HPC摻加5％硅粉和30％粉煤灰。所有混凝土的砂率為40%，初始坍落度在200mm±10mm之間。普通混凝土含氣量為3.2%，三個(gè)配合比的高性能混凝土含氣量分別為2.2%、2.8%、2.3%和2.3%。
2透氣性
透氣性反映混凝土密實(shí)性，是混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一?；炷量固蓟阅埽饕獩Q定于混凝土的透氣性和混凝土中氧化鈣的含量。混凝土透氣性，直接關(guān)系到供氧速度，從而影響鋼筋的腐蝕速度。采用DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》附錄C進(jìn)行混凝土透氣性試驗(yàn)研究。粒徑大于20mm的骨料用濕篩法篩除，每種技術(shù)條件成型三塊試件，試件尺寸為50mm×ф100mm。成型1天后拆模，試件在20℃±3℃飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護(hù)至56天，測試混凝土的氣體擴(kuò)散系數(shù)。Ⅲ配合比HPC 56天氣體擴(kuò)散系數(shù)只有2.30×10-7m2/s，比普通混凝土降低了36.0％；Ⅳ、Ⅱ配合比HPC的氣體擴(kuò)散系數(shù)依次增大，分別為2.35×10-7m2/s、2.69×10-7m2/s，分別比普通混凝土降低了34.9％、25.5％。試驗(yàn)結(jié)果顯示三個(gè)配合比的HPC具有比普通混凝土更小的氣體擴(kuò)散系數(shù)和更好的密實(shí)性。
3相對抗?jié)B性
混凝土相對抗?jié)B性試驗(yàn)根據(jù)DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》4.22進(jìn)行，每種技術(shù)條件成型六塊試件，成型1天后拆模，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28天，進(jìn)行混凝土相對抗?jié)B性試驗(yàn)。試驗(yàn)水壓1.2MPa，恒壓24小時(shí)，劈開試件測量滲水高度，計(jì)算相對滲透系數(shù)，結(jié)果見表4。
由表4可以看出，普通混凝土（I配合比）的相對滲透系數(shù)最大，達(dá)到652.0×10-8cm/h，混凝土密實(shí)性較差。HPC的相對滲透系數(shù)均小于普通混凝土，說明HPC具有更高的密實(shí)性。Ⅳ配合比HPC最為密實(shí)，其相對滲透系數(shù)最小，只有3.3×10-8cm/h，為普通混凝土的0.5％；Ⅲ配合比HPC也較為密實(shí)，其相對滲透系數(shù)為46.0×10-8cm/h；Ⅱ配合比混凝土相對滲透系數(shù)為148.9×10-8cm/h。
4抗氯離子滲透性能
4.1自然浸泡法
每種技術(shù)條件成型試件9個(gè)，混凝土試件為100×100×100mm3，混凝土成型后一天拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28天，試件取出自然晾干，然后把試件的五個(gè)面圖上兩層環(huán)氧樹脂，另外一個(gè)面作為滲透面，環(huán)氧樹脂固化后，將試件放入3.5％硫酸鈉溶液中，并密封，防止蒸發(fā)，并放入養(yǎng)護(hù)室。試件浸泡5個(gè)月后，鉆取不同深度的混凝土，測試其水溶性氯離子含量，結(jié)果見表5。
假設(shè)混凝土的氯離子滲透符合Fick擴(kuò)散第二定律，其基本關(guān)系式為[1]
式中：x—擴(kuò)散深度，m；
C(x,t)—在浸泡時(shí)間，深度為tx的混凝土的氯離子含量，％；
C0—在浸泡時(shí)間＝0， tx＝0處的混凝土的氯離子含量，即氯離子擴(kuò)散源的氯離子濃度，％；
Dc—有效擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；
t—擴(kuò)散時(shí)間，即浸泡時(shí)間，本文所浸泡時(shí)間為五個(gè)月，1.296×107s；
erf—誤差函數(shù)。
根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)和Fick擴(kuò)散第二定律，運(yùn)用最小二乘法原理進(jìn)行曲線擬合，可得氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)。普通混凝土（配合比Ⅰ）的氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)最大，達(dá)到7.34×10cD-12m2/s；配合比Ⅳ的氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)最小，為0.91×10-12m2/s，只有普通混凝土的12.4%。配合比Ⅱ、Ⅲ的混凝土的氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)分別是1.29×1010-12m2/s和1.96×1010-12m2/s，占普通混凝土的17.6%和26.7%。相對于普通混凝土，高性能混凝土氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)顯著降低，具有更好的抗氯離子侵蝕性能。
4.2抗氯離子滲透快速試驗(yàn)
參照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》4.29條進(jìn)行了混凝土抗氯離子滲透快速試驗(yàn)。該方法作為一種簡便、快速的方法，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用價(jià)值，可作為對自然浸泡法的補(bǔ)充。在直流電壓作用下，氯離子能透過混凝土試塊向正極方向移動(dòng)，測量流過混凝土的電荷量，就能反映出透過混凝土的氯離子量，測量混凝土試件電導(dǎo)，與測量電荷一樣，也能評定混凝土抵抗氯離子滲透性能?；炷量孤入x子滲透快速試驗(yàn)參照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》4.29條進(jìn)行。每種技術(shù)條件成型三個(gè)試件，試件尺寸為直徑100mm、厚50mm的圓盤型混凝土試件，粒徑大于20mm的骨料用濕篩法篩除。試件在20℃±3℃飽和氫氧化鈣溶液中養(yǎng)護(hù)至28天，測試混凝土的電阻，計(jì)算相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果見表6。由表6看出，普通混凝土的相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)最大，達(dá)到3.65×10-12m2/s；Ⅳ配合比HPC相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，為1.02×10-12m2/s，不到普通混凝土的三分之一。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ配合比HPC的相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別是普通混凝土的54.8%、46.0%、27.9%?；炷量孤入x子滲透快速試驗(yàn)證明高性能混凝土具有比普通混凝土更好的抗氯離子滲透能力。
表6 混凝土相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)
5孔結(jié)構(gòu)
取四個(gè)配合比混凝土硬化水泥漿體顆粒，放入烘箱在105℃下烘干，進(jìn)行壓汞分析。Ⅰ配合比普通水泥漿體的總孔隙率最大，達(dá)到0.311cm3/cm3，有害孔和多害孔的孔隙率為0.1047cm3/cm3，占總孔隙率的33.7%，無害孔的孔隙率只有0.0512 cm3/cm3，占總孔隙率的16.5%。Ⅱ配合比HPC的漿體的總孔隙率最小，只有0.210cm3/cm3，比普通水泥漿體降低32.5%，有害孔和多害孔的孔隙率大大降低，為0.0417cm3/cm3，占總孔隙率的19.9%，無害孔的孔隙率為0.1179cm3/cm3，占總孔隙率的56.1%。Ⅲ配合比HPC漿體的總孔隙率小于普通水泥漿體，為0.269cm3/cm3，有害孔和多害孔的孔隙率降低，為0.0548 m3/cm3，占總孔隙率的20.4%，無害孔較多，孔隙率為0.1854cm3/cm3，占總孔隙率的68.9%，比普通水泥漿體增加2.62倍。Ⅳ配合比HPC漿體的總孔隙率小于普通水泥漿體，為0.282cm3/cm3，有害孔和多害孔的孔隙率降低，為0.0398cm3/cm3，占總孔隙率的14.1%，無害孔的孔隙率為0.1130cm3/cm3，占總孔隙率的40.1%。
?、衽浜媳绕胀ɑ炷翝{體最可幾孔的孔徑為86nm；Ⅱ和Ⅲ配合比HPC漿體最可幾孔的孔徑均為4.6nm，顯著小于普通水泥漿體；Ⅳ配合比HPC漿體最可幾孔的孔徑稍大，但也明顯小于普通混凝土將體最可幾孔的孔徑，為40.4nm。
壓汞分析結(jié)果顯示：普通水泥漿體的總孔隙率最大，有害孔和多害孔比例較大，漿體密實(shí)性差；高性能混凝土漿體更為密實(shí)，孔結(jié)構(gòu)得到明顯的改善，總孔隙率降低，有害孔和多害孔明顯減少，無害孔顯著增多，最可幾孔的孔徑顯著減小。這必將減少氯離子、水、氧氣、二氧化碳、鹽類等介質(zhì)的滲透，提高混凝土耐久性能。
高性能混凝土孔結(jié)構(gòu)得到改善的原因有兩個(gè)，一個(gè)是，水膠比低，優(yōu)質(zhì)高效減水劑使得多余的水分減少，減少了多余水分留下的孔隙；另外一個(gè)是，硅粉、粉煤灰、磨細(xì)礦渣等摻合料具有顯著的微集料效應(yīng)、填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)以及多種摻合料共摻時(shí)產(chǎn)生的超疊加效應(yīng)，使得氫氧化鈣晶體減少，二次水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠填充孔隙，使得大孔減少，孔徑變細(xì)，改善了孔的結(jié)構(gòu)。
6結(jié)論
（1）高性能混凝土比普通混凝土更為密實(shí)，具有更小的氣體擴(kuò)散系數(shù)、相對滲透系數(shù)、相對氯離子擴(kuò)散系數(shù)和有效氯離子擴(kuò)散系數(shù),抵抗氣體、水、離子滲透的能力提高。
?。?）高性能混凝土水膠比小，并使用大量礦物摻合料，硬化漿體的總孔隙率低，有害孔和多害孔明顯減少，無害孔顯著增多，最可幾孔的孔徑顯著減小，孔結(jié)構(gòu)得到改善。
參考文獻(xiàn):
[1]P.S.MANGAT, B.T.MOLLOY. Prediction of long term chloride concentration in concrete[J]. Materials and Structures, 1994,27:338-346.
