混凝土抗?jié)B性能研究的現(xiàn)狀與進展一

1、混凝土抗?jié)B性能研究的現(xiàn)狀與進展 (一 )摘要：闡述了關(guān)注混凝土抗?jié)B性能的重要性， 分析了影響混凝土抗?jié)B性能的各個方面和主要 影響因素， 并且針對這些影響因素， 介紹了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及目前獲得的一些重要結(jié)論， 對 今后混凝土抗?jié)B性能研究的發(fā)展方向也進行了探討。 認為水滲透性試驗、 氯化物滲透性試驗、 空氣滲透性測試各適合于不同的場合和情況， 不存在某一種強于另一種的問題。 提出混凝土 的抗?jié)B研究應(yīng)該更多地關(guān)注混凝土在服役環(huán)境中由于荷載、 裂紋擴展等導(dǎo)致的抗?jié)B性能劣化 的問題。 在荷載作用對混凝土抗?jié)B性能的影響問題上， 目前不同研究人員的研究結(jié)論之所以 相差懸殊，試驗條件不同是一個主要原因。關(guān)鍵詞

2、：混凝土抗?jié)B性能耐久性微裂紋1 前言20 世紀 30 年代，人們開始關(guān)注混凝土的抗?jié)B性能，是始于大型水工工程的建設(shè)，諸如混凝 土水壩、 水渠、 涵管及位于地下水位線以下的地下結(jié)構(gòu)如隧道等； 一旦混凝土的抗?jié)B性能不 足或受到破壞， 會降低這些結(jié)構(gòu)的使用效能， 造成污染、 滲漏等事故。 尤其是水壩之類的大 型水工結(jié)構(gòu)，在設(shè)計中需要確知混凝土抵抗高水壓下水穿透的能力1。從 20 世紀 80 年代起， 人們重新對混凝土抗?jié)B性能產(chǎn)生興趣， 是由于混凝土的耐久性問題日 益為人們所關(guān)注?；炷恋哪途眯?， 與水和其它有害液體、氣體向其內(nèi)部流動的數(shù)量、 范圍 等有關(guān)，因此抗?jié)B性能高的混凝土， 其耐久性就好。近年

3、來， 高性能混凝土的概念大有取代 高強混凝土概念的趨勢 2 ，因為人們認識到強度這一單一的指標并不足以揭示結(jié)構(gòu)材料的 工作狀態(tài)。高性能混凝土首先要求是耐久性有保證的混凝土。因此，要研究高性能混凝土， 就不能不關(guān)注混凝土的抗?jié)B性能。然而，服役期間的混凝土，其抗?jié)B性能并非是一個常數(shù)， 其與齡期、 漿體水化程度等因素絲絲相扣， 與微裂紋的延伸擴展更是密切相關(guān)。 正是因為涉 及的影響因素太多， 試驗耗功耗時， 因此， 目前人們在這方面獲得的研究成果還遠遠不能令 人滿意， 有必要在這方面進一步深入進行研究。 本文正是針對上述問題， 分析了混凝土的抗 滲性能的主要影響因素，并且介紹了研究現(xiàn)狀。2 試驗方法

4、的研究 混凝土的滲透試驗是一項艱難而耗時的工作， 用什么方法能快速而且準確地測量出反映混凝 土滲透性能的數(shù)據(jù)，首先成為有關(guān)研究人員的研究領(lǐng)域。研究混凝土抗?jié)B性能有多種試驗方法； 有傳統(tǒng)的水壓力試驗法， 還有近年來越來越引起人們 重視的抗氯化物滲透試驗法，以及氣體滲透性試驗法等。氣體滲透法比較適合在現(xiàn)場測試， 在我國應(yīng)用相對較少，試驗室測試以前兩種為主。2.1 水壓力法傳 統(tǒng) 的 水 壓 力 試 驗 法 又 分 為 穩(wěn) 定 流 動 法 (constantflowmethod) 、 滲 透 深 度 法 (depthofpenetrationmethod) 和抗?jié)B標號法。穩(wěn)定流動法測量壓力液體流過混

5、凝土的流量、流速， 適用于研究具有較高滲透性， 例如強度不高、齡期不長的混凝土。在該方法中，滲透系數(shù) Kf 可以根據(jù) Darcy 定律來確定，在足夠 緩慢的單向穩(wěn)定流中 Darcy 定律可表示為 :Kf= Qd/A t H(1)在此， Kf流動法測量的滲透系數(shù)； 液體的黏度；Q液體流量；A流動液體穿越的試件截面積；t 流量穿越試件所花時間；d試件高度； H水頭高度。在根據(jù) Darcy 定律計算滲透系數(shù)過程中，測量一般存在相當大的試驗誤差，所以謹慎起見， 要在不同的低流速下進行測量，將流速對壓降作圖，用一條直線來擬合這些數(shù)據(jù)點3 。滲透深度法測量壓力液體穿透混凝土的深度， 適用于研究具有低滲透性

6、的混凝土。 在該方法中， 相對滲透系數(shù)可用下式 計算 4: Kp=.d2 v/2t H(2) 在此， Kp滲透深度法測量的滲透系數(shù)； .d平均滲透高度； v混凝土孔隙率； t恒定壓力時間； H水頭高度。應(yīng)該說，由于孔隙率實測困難而常采用估算值， Kp 值有誤差，一般僅用于進行相對值的比 較。R1P1KhatriandV1Sirivivatnanon5 在研究中， 建立了穩(wěn)定流動法與滲透深度法之間的聯(lián)系， 給出了兩種研究方法的選擇標準。 他們認為， 究竟采用哪種試驗方法為宜， 取決于混凝土的 28 天抗壓強度 F28c 與齡期 T，臨界條件如下 :如果 213(T)2+111(F28c)2104

7、00，采用滲透深 度法；如果 213(T)2+111(F28c)2我國試驗方法標準中采用的是所謂抗?jié)B標號法6，采用 6 個高度為 180mm 的圓臺形試件從0.1MPa 開始施加水壓， 每隔 8 小時水壓增加 011MPa ，直至 6 個試件中有 3 個被壓力水穿透， 停止試驗， 記錄此時的水壓力值； 通過一個簡單的線性換算關(guān)系， 將停止試驗時的水壓力值 換算成一個整數(shù)， 這個整數(shù)即所謂混凝土的抗?jié)B標號； 也可以認為抗?jié)B標號法是滲透深度法 的一種特例。該方法的特點是簡單， 適合工程上評價混凝土抗?jié)B性能， 但對于科學(xué)研究，該 方法獲得的數(shù)據(jù)太少。2.2 氯離子滲透試驗法 近年來隨著新型外加劑的不

8、斷出現(xiàn)，混凝土的水灰比越來越小，所測試的試件越來越密實， 導(dǎo)致水壓力試驗法非常費時， 而且滲透深度小， 計算也易導(dǎo)致較大誤差。 人們希望有一種能 加快試驗速度的試驗方法。 因此，通電增加氯離子滲透速度的試驗方法為許多研究人員采用。 一般而言，抗氯化物滲透性好，往往就意味著抗水及抗氣體滲透性好；反之亦然。當然，它 們也非完全沒有差別。 因為抗氯離子滲透性能不僅僅反映材料的致密程度， 而且反映混凝土 成分與氯離子的化學(xué)反應(yīng)，最能直接反映混凝土的耐久性能。直流電量法是氯離子滲透試驗的代表，它也是AASHTOT277和 ASTMC1202 推薦的測量混凝土滲透性的方法 7，8 。文獻 9 對這一方法進

9、行了較詳細的闡述 :將一個 50mm 厚的混凝土圓 餅試件用裝在兩個腔室里的兩個銅網(wǎng)制成的電極夾緊，氫氧化鈉(013N)和氯化納 (重量 3%)溶液分別被傾倒在混凝土試樣兩面的腔室里， 這樣兩種溶液被混凝土試件分隔開； 然后施加 60 伏的直流電穿過兩個表面。每隔 30 分鐘監(jiān)測一次電流通過混凝土的情況， 持續(xù)試驗時間 6 小時；總的電荷庫侖數(shù)由電流 時間函數(shù)曲線 (單位是安培 秒 ) 下的面積計算。這一試驗的 基本原理是， 氯化物離子的負電荷將被吸引到正電極； 因此， 測試期間電流的傳輸量就是氯 化物滲透混凝土的量。 上述方法存在的問題之一是在長時間電壓作用下溶液產(chǎn)生熱量， 實驗 數(shù)據(jù)受到干

10、擾。 為解決這一問題， 許多學(xué)者進行了探討， 例如有的學(xué)者在盛溶液的容器中加 了水泵和熱交換器來減少溶液溫升的影響10；而有的人則采用降低電壓 (12 伏)而延長試驗時間(30 小時)的方法降低溶液熱量 11；當然，延長試驗時間畢竟不是一個優(yōu)良的選擇，將 導(dǎo)致混凝土齡期對滲透性的影響增加， 尤其齡期較低時是如此。 目前， 有研究人員提出用高 頻而低壓的交流電取代直流電并配以電橋進行混凝土滲透性測量； 其原理是： 由試件與可變 電阻和電容形成電橋的半橋， 兩個標準電阻形成另外半橋。 通過調(diào)節(jié)可變電阻與電容使電橋 平衡，由此可測得試件的阻抗、 電導(dǎo)或通過試件的電量等參數(shù)， 并以此評定混凝土的滲透性

11、。 該方法測試時間短， 電橋調(diào)節(jié)平衡后即讀取數(shù)據(jù)， 結(jié)束試驗， 避免了溶液升溫的影響。 有學(xué) 者認為其可能成為替代 AASHTOT277和 ASTMC1202 標準的方法 12 。 從上面的分析看，似乎氯離子滲透試驗有取代水壓力法試驗的趨勢，其實不然；筆者認為， 影響氯離子滲透試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的影響因素是多方面的， 該方法還有待進一步完善； 另一方 面，近年來許多研究者把研究注意力放在微裂紋對抗?jié)B性能劣化的影響上， 在這一類問題中， 古老的穩(wěn)定流動法有不可替代的優(yōu)勢。 相反， 在裂紋發(fā)展到貫通情況下， 通電的方法就不適 宜了。 因此，目前各種試驗測試方法各有優(yōu)缺點， 不存在某種方法絕對強于另一種

12、方法的說 法。而且近年來，國外研究人員在一項研究中同時測試水滲透性、 氯化物滲透性、 空氣滲透 性然后分別討論結(jié)果的情況增多，可以認為這是一種趨勢。3 材料組分與配合比的影響 混凝土的抗?jié)B性能首先要在配合比設(shè)計方面予以考慮。LarsonandMcVay13 經(jīng)過研究在 93 年提出， 強度與耐久性不是相關(guān)的性能；氯化物滲透性，作為混凝土耐久性的一部分，在配合 比設(shè)計中是能夠采取措施予以保證的； 在配合比設(shè)計中應(yīng)兼顧考慮強度和耐久性兩方面的要 求。3.1 粉煤灰和硅灰 在外摻料對混凝土抗?jié)B性能的影響研究中， 粉煤灰和硅灰大概是被研究得最多的外摻料。 20 世紀 70 年代以來，歐美日等一些發(fā)達國

13、家發(fā)現(xiàn)， 50 年代以后建造的混凝土工程設(shè)施，往往 要比二三十年代建造的工程先出現(xiàn)病害、 開裂、甚至嚴重損害。 日本的新干線使用不到十年， 就出現(xiàn)大面積混凝土開裂， 剝蝕現(xiàn)象。 據(jù)分析，這與近年來水泥產(chǎn)品的細度減小、 活性增加， 使得水化反應(yīng)加速、 放熱加劇、 干燥收縮增加有關(guān)， 最終導(dǎo)致混凝土溫度收縮和干縮產(chǎn)生的 裂紋增加 14， 15。微裂紋和宏觀裂紋的增加對混凝土的抗?jié)B、耐久性能是不利的。為此， 人們在配制高性能混凝土?xí)r， 常常摻加粉煤灰等外摻料取代部分水泥， 一方面降低造價， 另 一方面減少熱開裂。關(guān)于摻粉煤灰和硅灰對提高混凝土抗?jié)B性能有利的文獻數(shù)不勝數(shù)， 難以一一列舉。 但明確粉 煤

14、灰摻量的上限是必要的。文獻16研究了大量摻入粉煤灰對混凝土抗?jié)B性能的影響。研究中不摻粉煤灰的參考加氣混凝土 28 天強度為 41MPa；摻粉煤灰的混凝土配合比中水泥重量 的 0% 70%被粉煤灰取代，試驗中測試了抗壓強度、氯化物滲透性、空氣滲透性和水滲透 性。研究發(fā)現(xiàn) :在28天齡期，無粉煤灰混凝土的空氣滲透性低于高摻量粉煤灰混凝土；在 91天齡期， 50%替代量的混凝土配比，其空氣滲透性最低，水滲透性亦然；通常而言，只要水 泥替代量不超過 50%，粉煤灰的摻入將降低溫凝土的氯離子滲透性。CelikOzyildirim17 在研究礦渣和硅灰摻入混凝土中對滲透性的影響時發(fā)現(xiàn)，少量的硅灰 （3%

15、5%）和高達 47%的礦渣在水灰比為 014 0145 的情況下， 可獲得既經(jīng)濟又具有足夠強度的低滲透性混凝土。他得出結(jié)論 :用礦渣作為膠凝材料的一部分比單純用普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料配制的混凝土， 其抗氯離子滲透的能力更高。在我國和其它許多國家， 受現(xiàn)行規(guī)范的限制， 粉煤灰在結(jié)構(gòu)混凝土中摻量常不超過25%。這表明規(guī)范的觀念已經(jīng)滯后，文獻15認為，應(yīng)該有新的規(guī)范指導(dǎo)抗?jié)B、耐久混凝土的配制使用。眾多的文獻指出，摻入硅灰后對混凝土的強度和抗?jié)B性能增強效應(yīng)極佳17，19， 20；對它的性能研究是目前國際混凝土行業(yè)的熱門方向之一。 但是由于硅灰是電弧爐冶煉硅鐵合金時 的副產(chǎn)品，其來源相對稀少，應(yīng)用中

16、的冷清與研究中的熱情形成較大反差，略顯尷尬局面。3.2 其它組分材料 除硅灰、粉煤灰等人造火山灰質(zhì)材料外，還有其它可能影響混凝土抗?jié)B性能的組分。文獻 21研究了聚丙烯纖維摻入混凝土中，是否會與混凝土的各種外加組分如:粉煤灰、硅灰、或磨細的高爐礦渣發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致抗?jié)B性能下降的問題；通過實驗確定:雖然聚丙烯纖維摻入會 降低溫凝土的抗?jié)B性， 但聚丙烯纖維基本不與上述其它組分發(fā)生反應(yīng)， 上述組分對混凝土抗 滲性能的正面影響在摻入聚丙烯纖維后依然存在， 也就是說混凝土耐久性不會受到合成纖維 的影響。膨脹劑對混凝土抗?jié)B性能的影響，視混凝土內(nèi)、 外部對膨脹的限制情況而定。 孫偉 等人在文獻 22 中對鋼纖維、

17、合成纖維以及膨脹劑在混凝土硬化過程中對收縮開裂的影響進 行了研究， 研究結(jié)果證實： 鋼纖維與膨脹劑混合增強混凝土， 鋼纖維能夠?qū)ε蛎洰a(chǎn)生很大的 內(nèi)部限制， 使得混凝土更加致密， 混合增強的方式能夠取得很好的抑制硬化期間收縮裂紋的 效果，從而極大地改進抗?jié)B性能。一般觀點認為含氣劑有助于提高混凝土的抗?jié)B性；然而文獻1 卻提出：含氣劑有助于混凝土的水密性 (watertight) ，但無助于抗?jié)B性。針對目前流動混凝土用量大增的現(xiàn)狀，文獻23中研究了超塑化劑對混凝土滲透性的影響；通過試驗發(fā)現(xiàn) :當超塑化劑摻量達水泥用量的 110%、坍落度高達 200mm 之上時，硅灰對抗 滲透性非常重要；沒有摻硅灰的混凝土的滲透性是摻硅灰的混凝土的滲透性的35 倍。此外，按照 AASHTOT277標準進行的氯離子滲透試驗卻未能敏感得足以揭示超塑化劑摻量和坍 落度的不同對混凝土材料微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。3.3 水灰比 一般情況下認為，材料的組分與配合比中對混凝土抗摻性最具影響力的因素是水灰(膠 )比；文獻 1更是總結(jié)指出 :事實上，在水灰比小于 013，特別是摻有硅灰的情況下，混凝土對于 水與氯化物來說都可認為是不可滲透的，這樣的混凝土可以在下面的暴露條件下工作： (