超高性能混凝土抗氯離子滲透性能的試驗研究

黃政宇, 單 欣

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

超高性能混凝土(UHPC)是一種很有發展前景的新型建筑材料，與普通混凝土相比，UHPC具有強度高、韌性好等優點，除此之外，其抗氯離子滲透性也明顯優于普通混凝土[1-2]。綜合國內外文獻，齡期、水膠比、養護條件等因素均對UHPC的抗氯離子滲透性能有較大影響，不同測試方法下的UHPC氯離子遷移系數處于10-13m2/s的數量級，至少比普通混凝土的氯離子遷移系數低一個數量級。

ROUX[3]等通過測量活性粉末混凝土(RPC)的孔隙率、透氣性、吸水率、氯離子遷移系數等，發現UHPC的氣體滲透性和水滲透性極低，無法用儀器測得。GRAYBEAL[4]等通過6種標準化的耐久性能測試，測試了4種方式養護的UHPC試件，結果顯示不論何種方式養護，超高性能混凝土的耐久性都要大大優于普通混凝土和高性能混凝土。DOBIAS[5]等通過試驗測得UHPC氯離子遷移系數均小于1.4×10-13m2/s。AHLBORN[6]等發現養護溫度改變會影響UHPC的總導電量，即溫度升高，UHPC的抗氯離子滲透能力增強。LIU[7]等通過試驗得出90 ℃熱水養護條件下的UHPC氯離子遷移系數大約為4.1×10-13m2/s，具有出色的抗氯離子滲透性能。安明喆[8]等通過試驗測得UHPC的氯離子遷移系數為2.2×10-13m2/s，而高性能混凝土的氯離子遷移系數為15.4×10-13m2/s，可見UHPC的抗滲透能力大大優于高性能混凝土。

從研究現狀來看，雖然關于UHPC抗氯離子滲透性能的研究越來越多，但國內對UHPC抗氯離子滲透性能的評定沒有統一的標準和規范，基本上仍沿用傳統混凝土的試驗方法，且目前對于不同組成的UHPC抗氯離子滲透性能試驗的系統研究不夠充分。另外粗骨料對UHPC抗氯離子滲透性能方面影響的研究也較少，阻礙了含粗骨料超高性能混凝土的應用。同時結合工程實際，大多數UHPC結構的破壞是由于氯離子侵入到結構中鋼筋表面，達到一定臨界濃度時引起鋼筋銹蝕，導致與混凝土的粘結力下降，同時結構保護層開裂破壞，最終導致整個結構破壞[9]。綜合上述問題，本文采用RCM法測試UHPC氯離子遷移系數，研究了水膠比、硅灰摻量、鋼纖維類型與摻量和粗骨料摻量對UHPC抗氯離子滲透性能的影響，同時從微觀角度分析不同因素對UHPC孔結構和抗氯離子滲透性的影響，為UHPC進一步應用提供理論依據，從而推動工程領域的廣泛應用。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥：P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，化學組成如下：Fe2O32.7%，Al2O35.5%，SO31.9%，CaO 65.4 %，SiO221.1%，MgO3.4%。硅灰:SiO2含量為94.1%，顆粒平均粒徑89 nm，比表面積1.85×104m2/kg，其化學組成如下：SiO294.1%，CaO 1.65%，C 1.05%，K2O 0.87%，Fe2O30.58%，MgO 0.26%，Na2O 0.15%，Loss 2.25%。石英粉：325目，平均粒徑為50.2 μm。石英砂：20～40目，粒徑范圍0.45～0.9 mm；采用聚羧酸高效減水劑，減水率大于40%。鋼纖維采用以下3種：平直形長鋼纖維(長度為20 mm，直徑為0.2 mm)，平直形短鋼纖維(長度為13 mm，直徑為0.2 mm)，端鉤型短鋼纖維(長度為13 mm，直徑為0.2 mm)，其中鋼纖維抗拉強度均為2 000 MPa。粗骨料采用玄武巖碎石，粒徑范圍為2～8 mm。

1.2 試驗方法

試驗配合比：見表1，其中A組試驗變量為水膠比，B組試驗變量為硅灰摻量，C組試驗變量為粗骨料摻量，D組試驗變量為鋼纖維長度與摻量，E組試驗變量為鋼纖維類型。

試件養護方式包括標準養護和熱水養護。標準養護：試件澆模成型1 d后，拆模放置溫度(20±2) ℃、相對濕度95%以上的標準養護箱內養護至28 d齡期。熱水養護：試件成型48 h后拆模，熱水(溫度90 ℃)養護48 h。將試件養護至指定齡期后進行如下試驗。

a.抗壓強度試驗。

試件為 100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，測試方法采用《活性粉末混凝土規范》GB/T 31387-2015。

b.氯離子遷移系數測定。

參照GBT 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的RCM法測定(見圖1)。試件尺寸為100 mm×100 mm×30 mm，且飽水時間在96 h以上。測試電壓采用60 V，陽極注入0.3 mol/L的NaOH溶液，陰極注入質量濃度為10%的NaCl溶液。試驗結束后，取出試件并將表面清洗干凈，利用200 t壓力試驗機將試件沿軸向劈成兩半，同時噴撒0.1 mol/L硝酸銀溶液，待試件斷裂面顯色后，沿直徑斷面劃分為10等份，最終測量有效氯離子侵蝕深度，并將其代入式(1)計算氯離子遷移系數：

圖1 RCM法測定UHPC氯離子遷移系數

(1)

式中：DRCM為試件的氯離子遷移系數，結果精確至0.1×10-12m2/s；U為試件測試電壓，V；t為試件測試時間，h；L為試件的平均厚度，mm；xd為試件Cl-滲透深度的平均值，mm；T為陽極溶液始末溫度的平均值，℃。

為便于對比，在抗壓強度試驗中，A、B、C組配合比均摻入2%的平直形短鋼纖維。在氯離子遷移系數測定中，A、B、C試驗組剔除鋼纖維，D、E組加入設定摻量與類型的鋼纖維。

c.孔結構和微觀形貌測試方法。

本文選用壓汞法(MIP)對混凝土孔結構進行測試。在試件達到規定齡期后采用無水乙醇浸泡7 d，終止其水化，在特定溫度烘干箱中烘干至恒重后進行壓汞測試。采用JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡觀察混凝土水化產物的微觀形貌。

表1 試驗配合比設計Table 1 Design of test mix ratio編號水膠比水泥石英粉石英砂減水劑/%硅灰/%粗骨料/(kg·m-3)鋼纖維/%平直形長鋼纖維平直形短鋼纖維端鉤型短鋼纖維A-10.1610.212.525——2—A-20.1810.212.525——2—A-30.2010.212.525——2—B-10.1810.212.520——2—B-20.1810.212.530——2—C-10.1810.212.525400—2—C-20.1810.212.525600—2—C-30.1810.212.525800—2—D-10.1810.212.525—1——D-20.1810.212.525—2——D-30.1810.212.525—3——D-40.1810.212.525——1—D-50.1810.212.525——3—E-10.1810.212.525———2

2 結果與分析

2.1 不同因素對UHPC抗壓強度的影響

如圖2所示，在熱水養護和標準養護條件下，混凝土抗壓強度隨著水膠比增大而減小。圖3表示不同硅灰摻量對UHPC抗壓強度的影響，結果表明在一定摻量范圍內，混凝土強度隨著硅灰摻量增加而增大。

圖2 水膠比對UHPC抗壓強度的影響

圖3 硅灰摻量對UHPC抗壓強度的影響

從圖4可以看出，在熱水養護條件下，摻入400 kg/m3粗骨料時試件抗壓強度達到184 MPa，未摻粗骨料時抗壓強度為179 MPa；摻入600 kg/m3和800 kg/m3粗骨料時，UHPC抗壓強度分別為166、171 MPa，比空白組抗壓強度分別降低7%、4%。在常溫養護條件下，粗骨料摻量對UHPC抗壓強度影響規律與高溫養護條件下大致相同，摻入400 kg/m3粗骨料時抗壓強度達到最大值149 MPa，比空白組強度提高6%。從圖5結果來看，不同養護條件下UHPC抗壓強度隨鋼纖維摻量增加而增大。

圖4 粗骨料摻量對UHPC抗壓強度的影響

(a) 標準養護

2.2 不同因素對UHPC抗氯離子滲透性能的影響

2.2.1水膠比、硅灰對UHPC抗氯離子滲透性能的影響

在標準養護條件下，水膠比為0.16、0.18、0.20對應的氯離子遷移系數分別為6.92×10-14、8.87×10-14、13.53×10-14m2/s。由圖6可知，隨著水膠比增加，UHPC的DRCM值增大，且當水膠比達到0.18時增長幅度變大。在熱水養護條件下，DRCM值顯著降低，說明熱水養護下UHPC具有更高的強度，結構更加密實，因此抗氯離子滲透性能更好。由表2可知，隨著齡期增長，UHPC的DRCM值降低。由圖6(b)試驗結果可知，在高溫養護條件下，硅灰摻量為20%、25%、30%對應的氯離子遷移系數分別為11.12×10-14、8.87×10-14、7.97×10-14m2/s；硅灰摻量從25%增至30%時，對應DRCM值減小幅度降低。在熱水養護條件下，B組UHPC試件氯離子遷移系數基本為6×10-14m2/s左右，因此熱水養護和硅灰摻量的增加均會增強UHPC的抗氯離子滲透性能。

(a) 標準養護

表2 不同齡期UHPC氯離子遷移系數值Table 2 Chloride migration coefficient values of UHPC at different ages試驗編號齡期/dDRCM/(m2·s-1)A2288.87×10-14907.32×10-14

混凝土是一種多孔材料，其內部孔隙分布非常復雜，MEHTA[10]等認為，混凝土孔徑分布與連通狀態對其滲透性有顯著影響。試驗中混凝土的孔隙率隨著水膠比增大而增大，因此從試驗結果可以明顯驗證這一規律。硅灰是一種粒徑小、比表面積大的活性摻和料，能填充于水泥顆粒之間，改善混凝土孔結構，降低孔隙率，特別是可使混凝土中大孔比例降低。因此從試驗結果來看，隨著硅灰摻量增加，混凝土氯離子遷移系數均有所減小。

2.2.2鋼纖維對UHPC抗氯離子滲透性能的影響

采用快速氯離子遷移系數法測定標準養護條件下齡期28 d 的UHPC氯離子遷移系數，規律如圖7所示。從試驗結果可以看出，在常溫養護條件下，摻加了鋼纖維的UHPC氯離子遷移系數均處于10-13m2/s的數量級，當纖維摻量從1%增加到2%時，DRCM的上升速率相對較小，長鋼纖維組別增幅為35%，短鋼纖維組別增幅為15%。當鋼纖維摻量由2%到3%時，測試試件的DRCM值增大較為明顯，其中長鋼纖維組別增幅為82%，短鋼纖維組別增幅為34%。當添加少量鋼纖維時，鋼纖維彼此分離，對氯化物擴散影響較小，因此DRCM值相對較小。當鋼纖維摻量達到2%以上時，鋼纖維間距大幅減小，試件電阻變小，導電性能增強，加速氯離子擴散。因此隨著鋼纖維摻量增加，UHPC抗氯離子滲透性能降低。并且由試驗結果可得，當摻量增加時，長鋼纖維組別與短鋼纖維相比增幅更大。這主要因為鋼纖維與UHPC基體之間的界面是氯離子遷移的通道，同等摻量變化條件下，長鋼纖維形成的通道連續且較長，因此長鋼纖維對UHPC氯離子遷移系數影響更顯著。

圖7 標準養護條件下鋼纖維對混凝土氯離子遷移系數的影響

由圖8可得，在熱水養護條件下，鋼纖維與水泥砂漿之間的水化產物更致密，使得整個結構更密實，這在一定程度上阻礙了氯離子擴散。因此在熱養條件下，UHPC氯離子遷移系數整體比標準養護條件下低，抗氯離子滲透能力相對較強。

圖8 熱水養護條件下鋼纖維對混凝土氯離子遷移系數的影響

2.2.3粗骨料對UHPC抗氯離子滲透性能的影響

從前述抗壓強度試驗結果可知:粗骨料摻入對UHPC抗壓強度影響不大，但會造成UHPC內部孔隙率增大，長大界面增多，孔隙率的增加和長大界面增多，會使得氯離子更易擴散。由圖9結果可以看出：隨著粗骨料摻量增加，其DRCM值逐漸增大。標準養護條件下摻加粗骨料的組別比空白組增大150%，熱水養護條件下增量會相對較小。因為隨著溫度升高，水化反應更徹底，基體結構更密實，因此其DRCM值更低。從整體來看，摻入粗骨料的UHPC氯離子遷移系數基本處于10-13m2/s的數量級，抗氯離子滲透性能優異。粗骨料類型、摻量和尺寸都會對混凝土孔結構產生影響。在氯離子滲透過程中，通常界面區成為滲透的薄弱部位，當粗骨料摻量增加時，其界面區也隨之增加，從而降低UHPC的抗氯離子滲透性能。因此從試驗結果來看，混凝土氯離子遷移系數隨粗骨料摻量增加而增大。

圖9 粗骨料對UHPC氯離子遷移系數影響

2.3 孔隙率

根據吳中偉[11]對混凝土孔結構的研究，基于對其力學性能有害性可劃分為無害孔級(<20 nm)、 少害孔級(20～100 nm)、 有害孔級(100～200 nm)和多害孔級(>200 nm)，同時混凝土中孔徑小于20 nm的無害孔對氯離子的傳輸無太大影響。水泥基材料的離子傳輸性能與其孔結構、界面過渡區等微觀結構密切相關。孔隙率大不一定滲透性就差，因為其具有不同的孔徑分布，因此不能單純從孔隙率大小和強度變化來判斷混凝土滲透性。

根據壓汞法測試結果得出不同類型、不同摻量鋼纖維UHPC孔隙體積分布，如圖10所示。分析可得，同等摻量下長鋼纖維組的結構更為密實。且隨著鋼纖維摻量增加，孔隙率逐漸增大。結合圖10和表3可知，當摻入1%長鋼纖維時，UHPC孔隙率為8.6%，孔徑小于20 nm的小孔所占比例為56.34%；當摻入1%短鋼纖維時，UHPC孔隙率為9.3%，小孔所占比例比摻入同等摻量長鋼纖維時有所減少，為43.6%；摻入3%短鋼纖維時UHPC的孔隙率為10.5%，同時小孔所占比例減少到34.73%。由此可見，同等摻量下，隨著鋼纖維長度增大，UHPC結構會變得密實，有害孔數量也會減少；當鋼纖維數量增多時，UHPC孔隙率隨之增大，同時有害孔數量增多，從而導致UHPC抗氯離子滲透性能變差。

圖10 孔隙體積分布

表3 不同鋼纖維類型及摻量UHPC的孔結構參數Table 3 Pore structure parameters of different steel fiber types and content of UHPC試驗編號總孔體積/(mL·g-1)孔隙率/%不同孔徑(nm)分布比例/%<2020～100>100D10.0358.656.3422.3321.32D40.0399.343.6017.5038.90D50.04410.534.7313.3651.91

2.4 微觀形貌

由圖11可知，根據D2組試件在不同養護條件下的微觀形貌得出，在熱水養護條件下UHPC基體結構更為密實。在高溫作用下基本看不到六方板狀Ca(OH)2和柱狀鈣礬石等水化產物，水化程度較高，水化產物富集現象更為明顯。此外在熱水養護條件下，鋼纖維與混凝土基體間的界面過渡區會增強，所以在熱水養護條件下，UHPC具有更高的強度和更好的抗氯離子滲透性能。在標準養護下，呈針狀的鈣礬石等會形成網狀結構。由于鈣礬石具有微膨脹作用，會導致試件基體結構相對疏松且孔隙較多。因此在熱水養護條件下，UHPC強度更高且抗氯離子滲透性能更好。

(a) 熱水養護

3 結論

a.UHPC的抗壓強度隨水膠比增大而減小。隨著硅灰摻量增加，其抗壓強度增大。鋼纖維摻入可大幅提高UHPC的抗壓強度，鋼纖維長度與摻量是影響強度的最主要原因。粗骨料的摻入對UHPC抗壓強度基本無不利影響。

b.UHPC氯離子遷移系數隨水膠比增加而增大。當硅灰摻量增加時，UHPC氯離子遷移系數減小，說明其抗氯離子滲透性能增強。未摻鋼纖維或粗骨料的UHPC氯離子遷移系數整體處于10-14m2/s的數量級，在熱水養護條件下，UHPC的DRCM值會大幅減小。

c.在標準養護條件下，摻鋼纖維的UHPC氯離子遷移系數處于10-13m2/s數量級。鋼纖維長度與摻量是影響混凝土氯離子遷移系數的主要原因。在熱水養護條件下，氯離子遷移系數大大減小。

d.在標準養護條件下，摻加了粗骨料的UHPC氯離子遷移系數處于10-13m2/s數量級。隨著粗骨料摻量增加，氯離子遷移系數逐漸增大。在熱水養護條件下，DRCM值約是標準養護條件的一半。