关于对高性能砼的耐久性问题的研究

　　摘要：高性能砼具有力学性能稳定、体积稳定性高、不离析、早期强度高等优点，在工程实践中越来越多地被应用，而耐久性是高性能砼的配制与工程应用中的核心问题。本文首先探讨了提高砼耐久性的常用方法，随后从掺入粉煤灰、磨细矿渣两个方面，探讨了高性能砼耐久性的相关问题。

　　关键词：高性能砼耐久性

　　一、引言

　　高性能砼(High-Performance Concrete, HPC)的概念最初由美国国家标准与技术研究院(NIST)和美国砼协会(ACI)于1990年提出，他们认为高性能砼是具有某些性能要求的匀质砼，必须采用严格的施工工艺、，它涉及到国家和人民的生命财产安全。如果耐久性不足，轻则需要在工程应用后采取加固和维护措施，重则造成工程事故。影响砼的耐久性不良主要是两方面原因:一是砼的劣化，包括热处理、化学和生物反应对性能的影响;二面是钢筋的劣化，即钢筋的锈蚀。本文旨在从耐久性这个核心指标入手，来探讨高性能砼的一些问题。

　　二 、提高砼耐久性的方法

　　要提高砼的耐久性,必须降低砼的孔隙率，特别是毛细管孔隙率，最主要的办法是降低砼的拌和用水量。但如果仅仅降低用水量，砼的工作性将随之降低，又会导致捣实成型困难，反而造成砼结构不致密，甚至出现蜂窝等缺陷，不仅砼强度降低，砼的耐久性也同时降低。目前常用提高砼耐久性的方法是：

　　①添加矿物掺合料：矿物掺合料主要有粉煤灰、磨细矿渣和硅粉等。以粉煤灰为例，含碳量高的粉煤灰需水量大，对砼的流变性、强度和变形都有不利影响。因此，在高性能砼中，宜用含碳量小、细度大、需水量低的优质粉煤灰。优质粉煤灰对水泥浆体有显著的流化与增强效应，并使水泥石结构致密化。

　　②添加高效减水剂：在保证砼拌和物所需流动性的同时,尽可能降低用水量,减少水灰比,使砼的总孔隙,特别是毛细管孔隙率大幅度降低。水泥在加水搅拌后,会产生一种絮凝状结构。在这些絮凝状结构中,包裹着许多拌和水,从而降低了新拌砼的工作性。施工中为了保持砼拌和物所需的工作性,就必须在拌和时相应地增加用水量,这样就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙。当加入减水剂的定向排列,使水泥质点表面均带有相同电荷。在电性斥力的作用下,不但使水泥体系处于相对稳定的悬浮状态,还在水泥颗粒表面形成一层溶剂化水膜,同时使水泥絮凝体内的游离水释放出来,从而达到减水的目的。许多研究表明,当水灰比降低到0.38以下时,消除毛细管孔隙的目标便可以实现,而掺入高效减水剂,完全可以将水灰比降低到0.38以下。

　　③消除砼自身的结构破坏因素：要提高砼的耐久性,就要限制或消除从原材料引入的碱、SO3、CL-等可以引起破坏结构和侵蚀钢筋物质的含量,加强施工控制环节,避免收缩温度裂缝产生，以提高砼的耐久性。本文将着重从添加矿物掺合料方面对砼的耐久性进行记述。

　　三 粉煤灰的掺入对高性能砼耐久性的影响

　　本文讨论大掺量粉煤灰砼的耐久性问题：

　　①早期强度大：掺量情况下，其早期性能难以达到工程要求。大量粉煤灰替代水泥后，砼的早期强度发展相当缓慢，但后期强度却提快，一般掺粉煤灰砼其强度在28d后到6个月这期间增长幅度比较大，一年后仍会继续增长，当其掺量较大(如50%，甚至70%)时，这种效应更加明显，粉煤灰对砼强度的贡献主要表现在后期，这样势必严重影响砼生产企业对大掺量粉煤灰砼生产的积极性。针对大掺量粉煤灰砼早期强度相对较低的特点，可以从物理和化学角度提出改善大掺量粉煤灰砼早期强度的几种途径:机械活化粉煤灰是将原状粉煤灰经过装载小型球磨机进行“益化”处理后的粉煤灰。②抗冻性能：砼产生冻融破坏的两个必要条件，一是砼必须接触水或砼中有一定的含水量;另一个必要条件是建筑物所处的自然条件必须存在反复交替的正负温度。粉煤灰具有优异的形态效应、微集料效应和火山灰效应。在掺加粉煤灰以后，增加了水化产物的数量，改善了产物形态，其微观表现为其孔结构无论是从孔的数量多少或是各级孔的级配上都要优于普通砼。掺加粉煤灰使砼抗渗性提高从理论上减少了砼冻害的可能。只要合理控制粉煤灰品质参数和砼配合比，粉煤灰对砼抗冻性的影响不大。

　　③抗碳化性能：影响砼碳化深度有三个主要因素:外界环境的CO2浓度、内部化学因素(主要有Ca(OH)2、少量NaOH和KOH、水化硅酸钙的性质与数量，如果在砼中这些反应物质越多，碳化的进度就必然越慢)、内部的物质和物理化学因素。 粉煤灰砼的碳化深度值随时间的延长而加大，早期的碳化深度值增大较快，后期增大相对较慢。

　　④抗渗性能：有研究资料表明，掺粉煤灰使砼的抗氯离子渗透性能显著提高。首先可能是由于粉煤灰的填充密实效应，阻断了可能形成的渗透通道，使氯离子等侵蚀介质难以进入砼内部;其次是二次水化不仅生成了更加稳定的低碱C-S-H，而且减少了CH的晶粒尺寸，减轻了CH在界面层过渡区定向富集，改善了砼结构。另外，粉煤灰对抓离子产生的物理化学吸附，最终降低了抓离子渗透速度，提高了砼抗抓离子的侵蚀能力。

　　⑤抵抗钢筋锈蚀性能：粉煤灰砼中水泥用量相对较少，加上粉煤灰的二次反应，使砼中的Ca(OH)2含量相对较低，从而影响了它的抗钢筋锈蚀性能，但掺入粉煤灰一般能提高砼的密实性，也能有效限制氯离子的扩散，对抗钢筋锈蚀也有利。优质粉煤灰有利于提高砼的抗钢筋锈蚀性能，因此从理论上大掺量粉煤灰砼是有可能具备抵抗钢筋锈蚀能力的。

　　⑥早期收缩性能。有研究认为高性能砼的收缩，相对于自由收缩而言，约束收缩能更好地反映出高性能砼的抗裂性能。粉煤灰砼与普通砼相比，早期塑性收缩、温度收缩比较大，尤其是自收缩更大，而早期粉煤灰砼强度发展慢，抗拉强度低。粉煤灰掺量从10%提高到30%，砼的约束收缩值降低。根据研究，在前三天粉煤灰延迟水泥颗粒的水化。随着粉煤灰掺量的增加，前三天，粉煤灰—水泥系统水化缓慢，内部相对湿度降低缓慢，从而其自收缩减小，约束收缩值减小。大量研究表明大掺量粉煤灰砼的早期收缩和开裂明显减少。

　　四 磨细矿渣的掺入对高性能砼耐久性的影响

　　主要从三个方面来论述：

　　①对砼坍落度的影响。磨细矿渣颗粒与粉煤灰相比，其颗粒为多棱角、无规则外形，但随着磨细程度的增加，其多棱角、无规则外形会得到很大程度改善，颗粒会越来接近球形，它越易发生转动和滚动，水泥浆体的流动性就会越好。同粉煤灰一样，磨细矿渣的掺入也会减小水泥对减水剂的吸附，从而增加浆体的吸附性;磨细矿渣的密度要小于水泥，他们替代水泥所形成的浆体体积要大;他们的颗粒要小于水泥颗粒，当磨细矿渣的颗粒填充于水泥颗粒时，可将原来填充于颗粒中的水置换出来，成为自由水，使颗粒之间的间隔水层加厚，这也是流动性增大的原因。

　　②对砼氯离子扩散系数的影响。 高性能砼的耐久性与渗透性有很大关系，而砼的渗透性决定于砼的孔隙率及空隙分布状况，经过磨细等加工处理的矿物外加剂颗粒一般比水泥颗粒细，能明显提高砼的抗渗性，原因主要有:火山灰效应和微集料效应。 火山灰效应是指：磨细矿渣改变了胶结料与集料的界面粘结强度，普通砼的浆体与集料的界面粘结受水化产物Ca(OH)2定向排列的影响而强度降低。磨细矿渣吸收水泥水化时形成的Ca(OH)2并进一步水化生成更多有利的C-S-H凝胶可以大幅度降低砼的渗透性，同时也防止了渗水、离析。

　　③对砼强度的影响。掺入磨细矿渣后，通过火山灰反应，Ca(OH)2可以被减少，水化硅酸钙胶凝物质的质量得到提高，组成得到优化，胶凝物质的数量大幅度增加，能使水泥石与集料的界面结构得到改善。因此，砼的强度大幅度提高。另外，由于磨细矿渣的颗粒较小，掺入水泥中也会产生填充密实效应;由于磨细矿渣的活性成分(SiO2，Al203)与水泥浆体中的Ca(OH)2发生火山灰反应，降低了Ca(OH)2在骨料表面的生长及定向排列，并且磨细矿渣的“细化孔隙”“活性充填”作用也有利于减少过渡区的孔隙，改善了水泥石与骨料过渡区结构。这些都能增加砼的密实性，提高砼的强度。

　　五 结束语

　　影响高性能砼性能的因素是多方面的，在具体的配制过程中，也会综合考虑多种掺料的组合，以提高砼的耐久性。文中所论述的粉煤灰和磨细矿渣对砼渗透性的影响机理也可以是物理和化学两个方面。物理方面主要是对孔结构的改善，化学方面主要是由于砼的二次水化生成C3A和C-S-H凝胶，改善了砼水化产物的组成。从而及大的提高了砼的抗渗性，其耐久性也随着提高。

　　参考文献：

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　　[2]刘秉京，砼结构耐久性设计[M].人民交通出版社，2007

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