自密實混凝土抗凍抗?jié)B性能研究現(xiàn)狀

楊維康 劉生輝 屈潤材 周太郎

(南昌航空大學(xué)土建學(xué)院，江西南昌 330063)

0 引言

如今，自密實混凝土在國內(nèi)研究成果逐漸趨向成熟，研究的熱點之一就是其耐久性問題。自密實混凝土耐久性不好，主要與其的抗凍性和抗?jié)B性有關(guān)，根本原因在于其本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。自密實混凝土的孔隙率較高，當(dāng)中相當(dāng)大的部分是毛細(xì)孔，約占水泥石總體積的30%左右。水分、氧氣、各種侵蝕介質(zhì)、二氧化碳及其他有害物質(zhì)通過毛細(xì)孔通道進(jìn)入混凝土內(nèi)部，表明引起混凝土抗凍性和抗?jié)B性不足的根本原因是毛細(xì)孔［1］。研究表明:高效減水劑不僅能改變自密實混凝土的流變性能，同時還能改變自密實混凝土硬化后的氣泡特征。充足而穩(wěn)定的氣泡是飽和狀態(tài)下混凝土抗凍融的必要條件。近幾年來，人們高度關(guān)注高效減水劑對于遭受凍融侵害混凝土的氣孔參數(shù)和抗凍融耐久性的影響［2］。自密實混凝土的滲透性是指液體、氣體或離子等在不同壓力下在混凝土內(nèi)部滲透、擴散、遷移的難易程度［3］。混凝土固有的多孔性導(dǎo)致了混凝土的滲透性。

1 國內(nèi)外研究動態(tài)

1.1 國外研究動態(tài)

20世紀(jì)80年代，歐美和亞洲等地的十多個國家組成一個技術(shù)專家團(tuán)隊，對約近百萬座道路橋梁在現(xiàn)場進(jìn)行了細(xì)致和全面的調(diào)查、分析和測試。結(jié)果指出:在嚴(yán)寒地區(qū)，道橋破壞或失效的最主要原因是鹽凍剝蝕破壞和鋼筋銹蝕破壞［4］。2005年，Kurdowski W等研究了自密實混凝土硬化物的強度、收縮、凍融循環(huán)損失等因素下的耐久性，發(fā)現(xiàn)自密實混凝土90 d后收縮率為0.4 mm/m～0.55 mm/m，相對普通混凝土較好。2006年，Bertil和Persson［5］研究并得出結(jié)論:自密實混凝土的氯離子的抗?jié)B性能比普通混凝土更好;2007年，Stephan Assie等比較研究了 C20，C40，C60自密實混凝土和振搗混凝土的耐久性，主要考慮了水壓滲透、汞壓滲透、滲氧、氯離子擴散、微觀孔徑吸附作用等因素。

1.2 國內(nèi)研究動態(tài)

2003年，張文淵［6］研究了影響混凝土抗凍性的主要因素及其對策;2011年，陳春珍等［7］對自密實混凝土抗凍性能進(jìn)行了研究，得出結(jié)論:影響自密實混凝土的抗凍性主要因素是混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu);2011年，張愛玲等［1］研究復(fù)合超細(xì)粉配制自密實混凝土對其耐久性影響;2012年，靳九貴［3］通過試驗研究了不同礦物摻合料對高性能混凝土抗?jié)B性的影響。

2 自密實混凝土的抗凍性

2.1 自密實混凝土凍融循環(huán)破壞機理

自密實混凝土是一種多孔性建筑材料，在混凝土拌制時為了增加其流動性得到較好的和易性，會加入多于水泥的水化所需的水。在混凝土形成連通的毛細(xì)孔洞中多余的水便以游離水的形式存在，并占有一定的體積。導(dǎo)致自密實混凝土遭受凍害的主要原因就是毛細(xì)孔中的自由水，因為水在低溫條件結(jié)冰會發(fā)生體積膨脹，并破壞混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。根據(jù)靜水壓和滲透壓理論，當(dāng)混凝土的毛細(xì)孔壁處于飽水狀態(tài)且受凍時，將承受兩種壓力［6］:膨脹壓及滲透壓。自密實混凝土的抗拉強度低于這兩種壓力時將會開裂。在反復(fù)凍融條件下，混凝土中的裂縫會不斷擴大，最終相互貫通，承載能力降低，混凝土遭受破壞。

2.2 影響自密實混凝土抗凍性因素及解決措施

1)自密實混凝土的密實度及強度。

自密實混凝土的密實度及強度越大，則混凝土的抗凍性越好［8］。混凝土的密實度越大，則混凝土內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)就越小，不會形成貫通性的孔隙結(jié)構(gòu)，減少自由水的存在，增強了自密實混凝土的抗凍性。隨著混凝土齡期的增長其抗凍性也會提高。自密實混凝土的強度和抵抗膨脹的能力隨著水泥水化越充分而越高。因此為了提高自密實混凝土的密實度和強度，我們從自密實混凝土的配合比中下手，在混凝土中加入超細(xì)粉煤灰與超細(xì)礦粉復(fù)合時，較單摻超細(xì)粉煤灰或超細(xì)礦粉時自密實混凝土孔隙率降低，說明它們之間起到了互補的作用，增強了混凝土的密實度和強度。

2)水泥的品種及骨料的質(zhì)量和它們之間的填充性。

普通硅酸鹽水泥混凝土中的水泥活性較一般的混合水泥混凝土高，則混凝土的抗凍性也隨之提高。混凝土骨料的級配、大小、互相的填充性對自密實混凝土的抗凍性有很大的影響，混凝土骨料直徑相對較小、級配和填充性越好，則抗凍性越好［7］。同時混凝土骨料吸水性及骨料本身抗凍性對混凝土的抗凍性也會有影響。因此從完善骨料的級配和填充性以及從優(yōu)選擇水泥的品種、骨料的質(zhì)量來提高混凝土的抗凍性。

3)自密實混凝土的飽水狀態(tài)。

自密實混凝土的孔隙飽水度越小其凍害的程度也越小。一般認(rèn)為孔隙含水量小于孔隙總體積的90%左右就不會產(chǎn)生凍結(jié)膨脹壓力。為此可以加入引氣劑、減水劑降低混凝土結(jié)構(gòu)中的自由水的含量，使混凝土中的含水量小于極限飽水度狀態(tài)下的含量，則會降低其凍結(jié)膨脹壓力。同時混凝土結(jié)構(gòu)的部位及其所處自然環(huán)境會影響其飽水狀態(tài)。

4)自密實混凝土的水灰比。

自密實混凝土的水灰比影響著混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部開口孔徑的大小以及孔隙率;開口孔徑越大、孔隙率越高則混凝土的抗凍性越低。為了降低混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔洞的開口孔徑和孔隙率，通過摻入高效減水劑降低混凝土的水灰比，進(jìn)而提高自密實混凝土的抗凍性和強度。

5)自密實混凝土的含氣量。

含氣量會影響混凝土抗凍性，為了提高混凝土抗凍性加入引氣劑形成的微細(xì)氣孔尤為重要。在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生互不連通的微細(xì)氣泡，截斷了滲水通道，使水分不易滲入內(nèi)部。同時氣泡有一定的適應(yīng)變形能力，對冰凍的破壞起一定的緩沖作用。因此為了提高自密實混凝土抗凍性在其中摻入引氣劑或引氣減水劑，但要控制引氣劑的摻入量，以免影響自密實混凝土的強度。

3 自密實混凝土的抗?jié)B性

3.1 自密實混凝土滲透破壞機理

自密實混凝土的滲透性是指在外界環(huán)境下存在內(nèi)外壓力差，使液體或氣體從混凝土孔隙中壓力較高處向低處遷移、滲透的現(xiàn)象［9］。而抵抗氣體或液體的滲透能力則稱為抗?jié)B性。自密實混凝土的抗?jié)B性與其耐久性密切相關(guān);密實性高、抗?jié)B性好的混凝土，其耐久性也較好［10］。如果混凝土抗?jié)B性不好，水很容易通過孔隙滲入混凝土內(nèi)部，則會使其易遭受凍害;如溶解性物質(zhì)浸透自密實混凝土，易使其內(nèi)部某些水化物析出，產(chǎn)生溶出型腐蝕，離子交換型侵蝕等，最終導(dǎo)致混凝土的破壞。

3.2 影響自密實混凝土抗?jié)B性因素及解決措施

1)自密實混凝土中膨脹劑的摻量。

為了使混凝土硬化過程中減少收縮以致提高其抗?jié)B性，在自密實混凝土中加入膨脹劑;水泥的水化產(chǎn)物與膨脹劑發(fā)生反應(yīng)生成的鈣釩石填充了混凝土前期生成的毛細(xì)孔，使混凝土結(jié)構(gòu)更加密實，并且產(chǎn)生的微膨脹可以彌補混凝土的收縮。因此在實驗中摻入適當(dāng)膨脹劑不僅可以減少混凝土收縮，還可以提高其抗?jié)B性。

2)原材料的質(zhì)量和它們之間的填充性。

混凝土骨料的最大粒徑大小、級配、互相的填充性對自密實混凝土的抗?jié)B性有很大的影響，混凝土骨料粒徑相對較小、級配和填充性越好，則抗?jié)B性越好。因此從優(yōu)選擇水泥的品種、骨料的質(zhì)量、適當(dāng)?shù)纳奥剩晟乒橇系募壟浜吞畛湫砸蕴岣咦悦軐嵒炷恋目節(jié)B性。

3)自密實混凝土的水灰比。

自密實混凝土的水灰比影響著混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部開口孔徑的大小以及孔隙率;開口孔徑越大、孔隙率越高則混凝土的抗?jié)B性越低。為了提高自密實混凝土的抗?jié)B性，通過摻入高效減水劑降低混凝土的水灰比，以致降低混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔洞的孔隙率和開口孔徑，進(jìn)而提高自密實混凝土的抗?jié)B性和強度。

4)自密實混凝土的密實度和含氣量。

自密實混凝土的密實度及強度越大，則混凝土的抗?jié)B性越好［11］。混凝土的密實度越大，則混凝土的內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)就越小，不會形成貫通性的孔隙結(jié)構(gòu)，減少自由水的存在增強了混凝土的抗?jié)B性。混凝土的抗?jié)B性隨其齡期的增長而提高。因此為了提高自密實混凝土的密實度和強度，我們從自密實混凝土的配合比中下手，在混凝土中加入超細(xì)粉煤灰與超細(xì)礦粉復(fù)合時，從而進(jìn)一步增強了混凝土密實度和強度。同時在混凝土中摻入引氣劑或引氣減水劑，以致在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生互不連通的微細(xì)氣泡，截斷了滲水通道，使水分不易滲入內(nèi)部，這樣也能提高混凝土的抗?jié)B性。

4 自密實混凝土抗凍性和抗?jié)B性檢測方法

自密實混凝土的抗凍性和抗?jié)B性能檢測［12］，對混凝土的外觀、力學(xué)性能、抗凍性能、抗?jié)B性能進(jìn)行檢測，檢測內(nèi)容主要有表面缺陷、裂縫、內(nèi)部缺陷、強度、抗凍性、抗?jié)B性［13］(見表1)。

表1 自密實混凝土抗凍性抗?jié)B性能檢測

5 結(jié)語

1)各地區(qū)在不同環(huán)境下，根據(jù)實際情況從材料選擇、配合比的優(yōu)化等方面設(shè)計出適宜當(dāng)?shù)丨h(huán)境、抗凍性能和抗?jié)B性能較強的自密實混凝土，最后系統(tǒng)整理得出較好的自密實混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計體系。

2)實驗室環(huán)境下對自密實混凝土試件的抗凍性和抗?jié)B性的研究具有局限性，所以應(yīng)該在實際自然環(huán)境下和實際過程中進(jìn)行實驗研究。

3)目前我國所進(jìn)行的自密實混凝土配合比設(shè)計和抗凍性、抗?jié)B性的測試方法大多參考美國或歐洲的標(biāo)準(zhǔn)，不一定適合我國實際工程，應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)和測試方法。

［1］張愛玲，陳曉霞.復(fù)合超細(xì)粉配制自密實混凝土耐久性試驗［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，32(5):37-39，44.

［2］Bruce J.Christensen，F(xiàn)rank S.Ong.密實混凝土的抗凍融性能研究［J］.混凝土，2005(9):20-24.

［3］靳九貴.不同礦物摻合料對高性能混凝土抗?jié)B性影響的試驗研究［J］.科技致富向?qū)В?012(18):425-426.

［4］張 穎，張粉芹，王起才，等.國內(nèi)外混凝土的抗凍性試驗的分析與探討［J］.四川建筑，2007，27(3):215-217.

［5］Bertil，Persson.On the internal frost resistance of self-compacting concrete，with and without polypropylene fibres［J］.Materials and Structures，2006，39(7):707-716.

［6］張文淵.影響混凝土抗凍性的主要因素及其對策［J］.建材標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量管理，2003(2):39-40.

［7］陳春珍，張金喜，徐金良，等.自密實混凝土抗凍性能研究［J］.建筑技術(shù)，2011，42(5):443-445.

［8］Neuner G，Beikircher B.Critically reduced frost resistance of Picea abies during sprouting could be linked to cytological changes［J］.Protoplasma，2010，243(1):145-152.

［9］V.Boel，K.Audenaert，G.Schutter.Gas permeability and capillary porosity of self-compacting concrete［J］.Materials and Structures，2008，41(7):1283-1290.

［10］郭向勇，冷發(fā)光，張仁瑜，等.對自密實混凝土滲透性能的探討［J］.建筑科學(xué)，2007，23(1):49-53，60.

［11］Rafat Siddique.Compressive strength，water absorption，sorptivity，abrasion resistance and permeability of self-compacting concrete containing coal bottom ash［J］.Construction and Building Materials，2013(47):1444-1450.

［12］李凱東，葉 明.混凝土抗?jié)B性測試方法的探討［J］.遼寧建材，2009(2):37-38.

［13］楊蓮葳.混凝土耐久性檢測方法［J］.廣東建材，2008(7):158-160.