长寿命高性能混凝土的研究*

刘立，赵顺增，李长成，贾福杰

（中国建筑材料科学研究总院 绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

长寿命高性能混凝土的研究*

刘立，赵顺增，李长成，贾福杰

（中国建筑材料科学研究总院 绿色建筑材料国家重点实验室，北京 100024）

本文采用粉煤灰、磨细矿渣粉和硅灰等活性矿物材料作为掺合料，使用与胶凝材料具有良好相容性的高性能聚羧酸减水剂，选取了双膨胀源高性能膨胀剂作为功能性矿物外加剂，配制了长寿命高性能混凝土，研究结果表明，混凝土抗变形能力强、结构密实、抗侵蚀性优异。

高性能混凝土；长寿命；膨胀剂；补偿收缩

0　前言

混凝土结构高耐久和长寿命化可显著降低成本和环境影响，是国际混凝土研究的趋势和热点[1]。我国混凝土通常难满足设计使用寿命要求，每年因此损失巨大[2]。研究开发出结构密实、抗侵蚀性优、抗变形能力强的混凝土，实现长寿命高性能混凝土在重点工程、海洋工程等领域的应用，对我国建设持续发展具有不可估量的社会效益和经济效益。

本文采用粉煤灰、磨细矿渣粉和硅灰等活性矿物材料作为掺合料，使用与胶凝材料具有良好相容性的高性能聚羧酸高效减水剂，选取了双膨胀源膨胀剂作为功能性矿物外加剂，配制了长寿命高性能混凝土，并对其性能进行研究。

1　试验材料及试验方法

1.1原材料

水泥： 42.5MPa 普通硅酸盐水泥；粉煤灰：Ⅱ 级粉煤灰；磨细矿渣粉：S95 级，比表面积 400m2/kg；硅灰：山西产；膨胀剂：硫铝酸钙－氧化钙类 Ⅱ 型混凝土膨胀剂HCSA，天津产，化学成分见表 1；减水剂：聚羧酸减水剂；砂子：中砂，细度模数 2.5；石子：石灰岩碎石，最大粒径25mm。水泥、粉煤灰、磨细矿渣粉和硅灰的化学成分见表1。

表1　原材料化学成分

1.2试验方法

1.2.1混凝土新拌性能

混凝土的新拌试验按照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

1.2.2混凝土强度性能

混凝土抗压强度按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定进行。

1.2.3混凝土限制收缩率

采用内约束法测量不同龄期的限制收缩率。混凝土限制膨胀收缩装置如图 1 所示，将混凝土浇筑在装置中，试件成型后，带模养护 48h 拆模，从搅拌加水时算起 3d 从标准养护室移至恒温恒湿试验室测定初始长度，试验室温度为(20±2)℃，相对湿度为 (60±5)%。测量 1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d、120d、150d、180d 的收缩变形。试件每组 3 块，取平均值作为试验结果。

图1　混凝土限制膨胀收缩装置

1.2.4混凝土抗渗透性能

混凝土的电通量和氯离子扩散系数按照 GB/T 50082—2009《混凝土长期性能和耐久性试验方法》规定的方法进行。

1.2.5混凝土耐侵蚀性能

混凝土抗硫酸盐、海水侵蚀按照 GB/T 50082—2009《混凝土长期性能和耐久性试验方法》规定方法进行，腐蚀介质分别为 5% 硫酸钠溶液和盐度 3.34% 的海水。

2　结果与讨论

采用粉煤灰、磨细矿渣粉和硅灰等活性矿物材料作为掺合料，其掺量为胶凝材料总质量的 50%，使用聚羧酸减水剂，混凝土单方用水量控制在 160kg/m3，配制水胶比分别为0.40、0.36、0.32 的高性能混凝土（HPC）；选取双膨胀源高性能膨胀剂 HCSA 作为功能性矿物外加剂，按照 40kg/m3、45kg/m3、50kg/m3掺入 0.40、0.36、0.32 的高性能混凝土中，等量取代水泥，形成高性能补偿收缩混凝土（HPEC）配合比，混凝土配合比见表 2。

表2　混凝土配合比

2.1强度性能

不同水胶比、不同龄期的混凝土抗压强度数据见表 3。表中数据显示，混凝土强度等级在 C45～C60 之间，掺入膨胀剂的 HPEC 高性能混凝土 28d 强度略有降低，长龄期强度与 HPC 高性能混凝土持平。

本文配制的长寿命高性能混凝土强度性能可满足冻融、氯化物、化学腐蚀等典型环境对强度的要求。

表3　混凝土抗压强度

2.2变形性能

为了评价本文所配制的长寿命高性能混凝土的变形性能，配制了相同水胶比的高水泥用量、高用水量的普通混凝土，采用 1.2.3 中的内约束法对其收缩性能进行了研究，普通混凝土配合比见表 4。

表4　普通混凝土的配合比

表5　长寿命高性能混凝土与普通混凝土的收缩率　　%

表 5 为长寿命高性能混凝土和普通混凝土 180d 的限制收缩数据，图 2 为对应的收缩特征曲线。从图中试验结果可知，按照混凝土 180d 限制收缩值从高到低依次分为三个层级：（1）0.04%～0.05% 的普通混凝土体系：特征为高水泥用量、高用水量；（2）0.02%～0.03% 的 HPC 高性能混凝土：特征为水泥与粉煤灰、矿粉、硅灰复合体系，水泥及胶凝材料用量低，用水量低；（3）0.01%～0.02% 的 HPEC 补偿收缩高性能混凝土：除了低胶凝材料、低用水、高掺合料的特征外，引入了双膨胀源膨胀剂。

在复合矿物掺合料与高效减水剂相互作用下，高性能混凝土的收缩率比普通混凝土降低 40%，而随后引入的膨胀剂，具有膨胀能高，绝湿能膨胀的特点，使得混凝土膨胀与干燥收缩同时进行，1～7d 的初期膨胀速率大于干缩速率，变形表现为膨胀，其后干燥收缩速率大于膨胀速率，混凝土开始收缩，最终补偿收缩高性能混凝土的收缩率最低，仅是普通混凝土的 30%。

试验结果表明，膨胀剂是有效降低混凝土收缩的关键材料，是实现混凝土长寿化、高性能化的重要手段。

2.3抗渗透性能

长寿命高性能混凝土的抗渗透性能用电通量、氯离子扩散系数表征，长寿命高性能混凝土的电通量、氯离子扩散系数见表 6。

图2　混凝土的限制收缩曲线

表 6 长寿命高性能混凝土抗渗透性能

表6中的抗渗透性数据显示，随着水胶比的降低和测试龄期的延长，电通量、氯离子扩散系数依次降低；膨胀剂的掺入显著降低混凝土的电通量值，提高了混凝土的密实性。

本文研制的长寿命高性能混凝土的 56d 电通量在 120～220C 之间，84d 氯离子扩散系数在 1.0×10-12m2/s 左右，根据 JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》的评定标准，混凝土的电通量、抗氯离子渗透性能均处于最高等级，达到 GB/T 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》中100 年寿命的渗透性要求，实现了高性能混凝土的长寿命要求。

2.4耐腐蚀性能

（1）耐硫酸盐腐蚀性能

表 7 为长寿命高性能混凝土的耐硫酸盐腐蚀结果。表中数据显示，随着水胶比的降低，混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力逐步提高；膨胀剂对混凝土抗硫酸盐侵蚀无不利影响，150 次硫酸盐溶液干湿循环后，掺加膨胀剂的 HPEC 高性能混凝土抗压耐蚀系数与 HPC 混凝土大致相同，都在 80%～90% 的范围，达到了混凝土抗硫酸盐腐蚀性能的最高等级。

试验结果表明，长寿命高性能混凝土的抗硫酸盐侵蚀等级均大于 KS150，具有优异抗硫酸盐侵蚀能力。

表7　混凝土的耐硫酸盐腐蚀性能

（2）耐海水腐蚀性能

采用 GB/T 50082—2009 《混凝土长期性能和耐久性试验方法》规定的耐硫酸盐腐蚀加速试验方法，腐蚀介质采用盐度 3.34% 的海水，研究海水干湿循环条件下，混凝土抗压强度的变化以及氯离子渗入混凝土的深部变化，用来评估不同水胶比的长寿命高性能混凝土抵抗海水腐蚀的能力。

试验结果见 8。表中数据显示，HPC 长寿命高性能混凝土在海水中 150 次干湿循环后，混凝土抗压耐腐蚀系数大于80%，氯离子在混凝土中渗透深度为 13～18mm；掺加膨胀剂的 HPEC 高性能混凝土抗压耐腐蚀系数与 HPC 混凝土相当，抗压耐腐蚀系数在 83.4%～98.1%，而氯离子在混凝土中渗透深度低于 HPC 混凝土，渗透深度为 12～16mm，表明 HPEC混凝土具有更高的抗海水腐蚀和氯离子渗透能力。

表8　长寿命高性能混凝土的耐海水腐蚀性能

3　结论

（1）长寿命高性能混凝土的强度等级处于 C45～C60 之间，能满足冻融、氯化物、化学腐蚀等典型环境对强度的要求；

（2）通过掺加矿物掺合料、高效减水剂和高性能膨胀剂，长寿命高性能混凝土的收缩可降低 50%～70%，获得良好的抗变形能力；

（3）长寿命高性能混凝土具有优异的密实性，抗渗透性指标高于使用寿命 100 年的技术要求，达到混凝土抗渗透性的最高水平；

（4）长寿命高性能混凝土具有优良的耐蚀性能，抗硫酸盐侵蚀能力达到行业标准要求最高等级，在海水中 150 次混凝土抗压腐蚀系数大于 80%，氯离子渗透高度小于 20mm。

[1] 陈改新．混凝土耐久性的研究、应用和发展趋势[J]．中国水利水电科学研究院学报，2009(6): 280-285．

[2] 徐强，俞海勇．大型海工混凝土结构耐久性耐久性研究与实践[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008．

[3] 赵顺增，刘立，吴勇，等．HCSA 高性能混凝土膨胀剂性能研究[J]．膨胀剂与膨胀混凝土，2005(3): 3-8．

［通讯地址］北京市朝阳区管庄东里 1 号（100024）

“十二五”国家科技支撑计划课题（2102BAJ20B03）

刘立（1968—），男，教授级高级工程师。