活性粉末混凝土酷寒與氯鹽綜合作用下的耐久性研究

王亞斌，嚴心娥

摘要：酷寒和氯鹽循環綜合作用是導致混凝土耐久性失效的重要因素，對酷寒、氯鹽耦合作用下活性粉末混凝土的耐久性指標如基礎性能、強度性能等進行實驗分析。結果表明，在酷寒與氯鹽綜合作用下，活性粉末混凝土的相對動彈性模量最低值、平均質量損失率最高值分別為88.95%和0%，優于一般C50高性能混凝土的0%和1.19%；活性粉末混凝土的抗壓強度最低值、抗壓強度損失率最高值分別為160.18 MPa和10.55%，優于一般C50高性能混凝土的69.98 MPa和60.37%。基于水泥、硅粉、粉煤灰等制備的活性粉末混凝土在酷寒與氯鹽綜合作用下的耐久性表現，其性能遠優于一般C50高性能混凝土。

關鍵詞：活性粉末混凝土；凍融環境；氯鹽；綜合作用；耐久性

中圖分類號：TU528.57；TQ178文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）12-0115-04

Study on the durability of reactive powder concrete under the combined action of cold and chlorine salts

WANG Yabin，YAN Xine

（Xian Traffic Engineering Institute，Xian 710300，China）

Abstract：The combined effect of cold and chloride cycle is an important factor leading to durability failure of concrete，the durability indexes such as foundation properties and strength properties of reactive powder concrete under the action of cold and chloride coupling were experimentally analyzed.The results showed that the lowest relative elastic modulus and the highest average mass loss rate of active powder concrete were 88.95% and 0% respectively under the combined action of cold and chlorine salt，which were better than 0% and 1.19% of common C50 high performance concrete.The lowest compressive strength and the highest compressive strength loss rate of reactive powder concrete were 160.18 MPa and 10.55%，respectively，which were better than 69.98 MPa and 60.37% of common C50 high performance concrete.The durability performance of reactive powder concrete prepared based on cement，silica powder and fly ash under the combined action of cold and chlorine salt was much better than that of general C50 high performance concrete.

Key words：reactive powder concrete;freeze-thaw environment;chlorine salts;comprehensive effect;durability

混凝土是建筑工程領域最常用的材料之一。發展至今，混凝土的組成、種類及應用場景已經發生了越來越多的變化，不同外部環境下所使用的混凝土材料往往在組成與性能等方面略有不同[1-3]。當前混凝土領域越來越傾向于使用不同的材料制備、配比方法以獲得具有性能差異性的混凝土材料。在各種外部環境指標中，酷寒和氯鹽是影響混凝土材料耐久性的重要因素。當二者同時存在并形成耦合作用后，混凝土材料的耐久性失效速度和程度往往同時加劇，嚴重時會導致混凝土建筑整體出現結構破壞。活性粉末混凝土（H-J）是一種較為理想的抗酷寒、抗氯鹽綜合作用的新型混凝土材料。以活性粉末混凝土材料為研究對象，對其耐久性及影響其耐久性的部分因素進行分析，旨在為高氯、酷寒環境下混凝土材料的開發等提供借鑒。

1實驗材料與方法

1.1實驗材料與設備

1.1.1實驗材料

實驗材料主要包括活性粉末混凝土（H-J）、C50混凝土等[4]。其中，活性粉末混凝土通過自制獲取，所需材料有水泥、硅粉、粉煤灰等；C50通過直接購買獲取，以提升實驗結果可靠性。實驗材料基本性能指標如表1所示。

1.1.2實驗設備

實驗所需設備如表2所示。

1.2實驗方法

實驗共包括試件制備和性能測試2個主要環節。實驗主要為分析活性粉末混凝土在酷寒和高鹽作用下的耐久性變化并總結能夠影響其耐久性的指標。能夠直觀反映活性粉末混凝土耐久性的指標主要包括基礎性能指標（相對動彈性模量、平均質量損失率等）、強度性能指標（抗壓強度、抗壓強度損失率等）[5-8]。

1.2.1基準活性粉末混凝土配置

表3為本次實驗所需基準活性粉末混凝土（H-J）配合方法，C50為直接購買獲得。

1.2.2試件制備

根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（以下簡稱《標準》），制備若干標準混凝土試件[9-10]。混凝土試件的制備主要包括5個主要步驟：

模具預處理→攪拌→成型→拆模→養護。

模具預處理包括使用砂紙對鋼結構模具內壁進行打磨、校準模具尺寸及對模具內部噴涂擦拭脫模劑等；攪拌環節指的是將制備活性粉末混凝土按照一般混凝土制作順序放入攪拌機中進行攪拌；成型指的是將攪拌好的混凝土放入模具中并置于振動臺上進行成型并放入養護室中；拆模前需要混凝土試件在養護室中24 h；養護則指的是將拆模后的試件放入恒濕養護室中進行養護，分別保持45 ℃（2 h）、60 ℃（2 h）及75 ℃（72 h）狀態后完成[11]。

1.2.3酷寒與氯鹽綜合作用環境搭建

酷寒與氯鹽綜合作用環境搭建的主要目的是模仿高寒和高鹽的自然環境，如我國東北、華北部分沿海環境等。實驗以凍融箱提供酷寒凍融環境，以質量分數3.5%的NaCl溶液模擬氯鹽環境，在混凝土試件從養護箱中取出后放入水中浸泡，保持浸泡時間超過24 h；待取出后用濕布擦除試件表面水分并放入凍融箱中；在試件中注入質量分數3.5%的NaCl溶液，保證溶液超出試件最高度約5 mm即可；每隔50次凍融循環更換一次質量分數3.5%的NaCl溶液。

1.2.4耐久性分析

活性粉末混凝土的耐久性分析主要包括2方面：一方面為對比活性粉末混凝土與C50混凝土在相同凍融與氯鹽作用下的基礎性能指標差異；另一方面為分析活性粉末混凝土與C50混凝土在相同凍融與氯鹽作用下的強度性能指標差異。物理指標借助動彈儀進行獲取，每25次凍融記錄一次試件的相對動彈性模量；平均質量損失率由天平秤獲取，同樣每25次凍融記錄1次。強度性能指標主要通過壓力機對試件的抗壓強度進行測試，同樣每25次凍融記錄1次。

2實驗結果與分析

2.1基礎性能指標差異對比

活性粉末混凝土（H-J）與C50混凝土基礎性能指標差異主要是通過對比在酷寒與氯鹽綜合作用下相對動彈性模量和平均質量損失率的差異。表4為不同凍融循環次數時H-J與C50混凝土基礎性能指標差異對比結果。

由表4可知，隨著凍融循環次數的增加，C50的相對動彈性模量處于不斷下降的變化趨勢，在凍融循環次數為125次時，C50的相對動彈性模量已經下降至62.25%左右；當凍融循環次數為200時，C50混凝土的相對動彈性模量已經為0，此時試件已不具備基本的混凝土性能。混凝土試件的相對動彈性模量可直觀反映混凝土的劣化程度，通常當混凝土試件的相對動彈性模量降為60%以下時，就可以判斷該試件的基本結構受到破壞，會形成混凝土內部疏松、開裂或其他缺陷[12-14]。H-J在125、200次相同凍融循環次數時的相對動彈性模量分別為93.85%和95.68%，2項數據不僅遠優于C50混凝土試件，也遠遠超過了相關標準對混凝土材料的一般要求。此外，H-J試件的相對動彈性模量不隨凍融循環次數的增加而下降，而是處于一種輕微波動的變化狀態，在凍融循環次數為100次時，相對動彈性模量值最低；但之后相對動彈性模量值又逐漸提升。顯然，這種由基礎配置的活性粉末混凝土材料制備而成的試件在酷寒與氯鹽環境下的相對動彈性模量變化更小，耐久性更強。

在凍融循環次數達到200次后，C50混凝土試件的質量損失率達到1.19%，已超過了《標準》中的相關要求，H-J試件的質量損失率為-0.99%，質量略有下降。顯然，從這一指標來看，C50混凝土試件在凍融循環和鹽分的作用下內部吸收的鹽分、水分等均較多，微空隙對水分和鹽分的吸收情況明顯更不理想。這可能是因為活性粉末混凝土中添加的減水劑等成分能夠很好地阻隔時間與氯鹽，從而避免試件內部的微空隙結構吸收過多的鹽分與水分導致試件耐久性的下降[15-16]。

2.2強度性能指標差異對比

H-J與C50混凝土強度性能指標差異主要通過對比酷寒與氯鹽綜合作用下基礎配置活性粉末混凝土的抗壓強度和抗壓強度損失率的差異[17]。表5為不同凍融循環次數時H-J與C50混凝土強度性能指標對比結果。

由表5可知，強度性能指標差異對比可以反映不同凍融循環次數下2種混凝土試件在抗壓性能方面的差異。從抗壓強度指標來看，隨著凍融循環次數的提升，C50組混凝土試件的抗壓強度處于先不斷下降后逐漸穩定的變化狀態，在175、200次凍融循環時盡管略有波動，但不影響整體規律；而H-J組試件隨著凍融循環次數的提升抗壓強度并不處于一直下降變化狀態，在凍融循環次數為125次時，達到最低值160.18 MPa，但隨后又逐漸提升并處于相對穩定的波動狀態。從二者數值對比來看，顯然H-J組試件的抗壓強度值始終高于C50組試件，且隨著凍融循環次數的提升，這種優勢越來越明顯。

由于H-J、C50試件在原始抗壓強度方面本身存在一定差異，因而單獨對比抗壓強度指標還不能完全反映2種材料的耐久性差異，需要引入抗壓強度損失率這一指標。從抗壓強度損失率指標來看，隨著凍融循環次數的提升，C50組試件的抗壓強度損失率逐漸由0%提升至60%左右[19-20]；而H-J組試件的抗壓強度損失率則始終處于波動變化狀態，最高損失率為10.55%，此時凍融循環次數為125次。顯然，H-J組試件的抗壓強度損失率遠低于C50組試件。結合抗壓強度指標來看，活性粉末混凝土在酷寒與氯鹽綜合作用下的耐久性遠優于一般C50高性能混凝土[21]。

3結語

以活性粉末混凝土材料為研究對象，分析了在各種外部環境指標中，酷寒和氯鹽循環綜合作用是導致混凝土耐久性失效的重要因素，對酷寒、氯鹽耦合作用下活性粉末混凝土的耐久性指標如基礎性能、強度性能等進行實驗分析。結果表明，在酷寒與氯鹽綜合作用下，活性粉末混凝土的相對動彈性模量、平均質量損失率、抗壓強度、抗壓強度損失率等指標均優于一般C50高性能混凝土，這種優異主要體現在2方面：一方面活性粉末混凝土在酷寒與氯鹽綜合作用下的相對動彈性模量、平均質量損失率及抗壓強度、抗壓強度損失率優于一般高性能混凝土；另一方面，隨著凍融循環次數的增加，活性粉末混凝土各項指標的波動情況更小，性能更穩定。活性粉末混凝土是一種較為理想的抗酷寒、抗氯鹽綜合作用的新型混凝土材料。

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