岩土工作经验交流：混凝土抗渗性能研究的现状与进展（三）
编辑整理：中国岩土工程师考试网 文章日期：2008-9-8 9:41:13 阅读次数：次
3、材料组分与配合比的影响
混凝土的抗渗性能首先要在配合比设计方面予以考虑。Larson and Mc Vay[ 13 ]经过研究在93 年提出，强度与耐久性不是相关的性能；氯化物渗透性，作为混凝土耐久性的一部分，在配合比设计中是能够采取措施予以保证的；在配合比设计中应兼顾考虑强度和耐久性两方面的要求。
3.1 粉煤灰和硅灰
在外掺料对混凝土抗渗性能的影响研究中，粉煤灰和硅灰大概是被研究得最多的外掺料。20 世纪70 年代以来，欧美日等一些发达国家发现，50 年代以后建造的混凝土工程设施，往往要比二三十年代建造的工程先出现病害、开裂、甚至严重损害。日本的新干线使用不到十年，就出现大面积混凝土开裂，剥蚀现象。据分析，这与近年来水泥产品的细度减小、活性增加，使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加有关，最终导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加[ 14 ，15 ] .微裂纹和宏观裂纹的增加对混凝土的抗渗、耐久性能是不利的。为此，人们在配制高性能混凝土时，常常掺加粉煤灰等外掺料取代部分水泥，一方面降低造价，另一方面减少热开裂。
关于掺粉煤灰和硅灰对提高混凝土抗渗性能有利的文献数不胜数，难以一一列举。但明确粉煤灰掺量的上限是必要的。文献[ 16 ]研究了大量掺入粉煤灰对混凝土抗渗性能的影响。研究中不掺粉煤灰的参考加气混凝土28 天强度为41MPa ；掺粉煤灰的混凝土配合比中水泥重量的0 %～70 %被粉煤灰取代，试验中测试了抗压强度、氯化物渗透性、空气渗透性和水渗透性。研究发现：在28 天龄期，无粉煤灰混凝土的空气渗透性低于高掺量粉煤灰混凝土；在91 天龄期，50 %替代量的混凝土配比，其空气渗透性最低，水渗透性亦然；通常而言， 只要水泥替代量不超过50 % ，粉煤灰的掺入将降低温凝土的氯离子渗透性。Celik Ozyildirim[ 17 ] 在研究矿渣和硅灰掺入混凝土中对渗透性的影响时发现，少量的硅灰（3 %～5 %） 和高达47 %的矿渣在水灰比为014～0145 的情况下，可获得既经济又具有足够强度的低渗透性混凝土。他得出结论：用矿渣作为胶凝材料的一部分比单纯用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料配制的混凝土，其抗氯离子渗透的能力更高。
在我国和其它许多国家，受现行规范的限制，粉煤灰在结构混凝土中掺量常不超过25 %.这表明规范的观念已经滞后，文献[15 ]认为，应该有新的规范指导抗渗、耐久混凝土的配制使用。
众多的文献指出，掺入硅灰后对混凝土的强度和抗渗性能增强效应极佳[ 17 ，19 ，20 ] ；对它的性能研究是目前国际混凝土行业的热门方向之一。但是由于硅灰是电弧炉冶炼硅铁合金时的副产品，其来源相对稀少，应用中的冷清与研究中的热情形成较大反差，略显尴尬局面。
3.2 其它组分材料
除硅灰、粉煤灰等人造火山灰质材料外，还有其它可能影响混凝土抗渗性能的组分。文献[21 ]研究了聚丙烯纤维掺入混凝土中，是否会与混凝土的各种外加组分如：粉煤灰、硅灰、或磨细的高炉矿渣发生反应导致抗渗性能下降的问题；通过实验确定：虽然聚丙烯纤维掺入会降低温凝土的抗渗性，但聚丙烯纤维基本不与上述其它组分发生反应，上述组分对混凝土抗渗性能的正面影响在掺入聚丙烯纤维后依然存在，也就是说混凝土耐久性不会受到合成纤维的影响。膨胀剂对混凝土抗渗性能的影响，视混凝土内、外部对膨胀的限制情况而定。孙伟等人在文献[22 ]中对钢纤维、合成纤维以及膨胀剂在混凝土硬化过程中对收缩开裂的影响进行了研究，研究结果证实：钢纤维与膨胀剂混合增强混凝土，钢纤维能够对膨胀产生很大的内部限制，使得混凝土更加致密，混合增强的方式能够取得很好的抑制硬化期间收缩裂纹的效果，从而极大地改进抗渗性能。
一般观点认为含气剂有助于提高混凝土的抗渗性；然而文献[1 ]却提出：含气剂有助于混凝土的水密性（watertight） ，但无助于抗渗性。
针对目前流动混凝土用量大增的现状，文献[23 ]中研究了超塑化剂对混凝土渗透性的影响；通过试验发现：当超塑化剂掺量达水泥用量的110 %、坍落度高达200mm 之上时，硅灰对抗渗透性非常重要；没有掺硅灰的混凝土的渗透性是掺硅灰的混凝土的渗透性的3～5 倍。此外，按照AASHTO T277 标准进行的氯离子渗透试验却未能敏感得足以揭示超塑化剂掺量和坍落度的不同对混凝土材料微结构产生的影响。
3.3 水灰比
一般情况下认为，材料的组分与配合比中对混凝土抗掺性最具影响力的因素是水灰（胶） 比；文献[1 ]更是总结指出：事实上，在水灰比小于013 ，特别是掺有硅灰的情况下，混凝土对于水与氯化物来说都可认为是不可渗透的，这样的混凝土可以在下面的暴露条件下工作：（1） 高水头压力；（2） 需要防止氯化物侵蚀；（3） 恶劣的冻融条件存在；（4） 需抵抗有害化学品侵蚀。只要将水灰比限制在不超过014 ，就能够获得渗透性足够低的混凝土，能够抵抗很高的水压力。笔者认为，如果不考虑时间这个因素，文献[1 ]的这些结论无疑是正确的，但从前面提到的近年来高强与高性能混凝土遭遇到的一些耐久性病害来看，则上述结论难免有偏颇之嫌。配合比设计不仅要考虑新浇筑混凝土的抗渗性能，也要考虑服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化的问题；当然这是一个非常复杂的问题，从下面的介绍可以看到，这方面每前进一步都是十分艰难的。
混凝土的抗渗性能首先要在配合比设计方面予以考虑。Larson and Mc Vay[ 13 ]经过研究在93 年提出，强度与耐久性不是相关的性能；氯化物渗透性，作为混凝土耐久性的一部分，在配合比设计中是能够采取措施予以保证的；在配合比设计中应兼顾考虑强度和耐久性两方面的要求。
3.1 粉煤灰和硅灰
在外掺料对混凝土抗渗性能的影响研究中，粉煤灰和硅灰大概是被研究得最多的外掺料。20 世纪70 年代以来，欧美日等一些发达国家发现，50 年代以后建造的混凝土工程设施，往往要比二三十年代建造的工程先出现病害、开裂、甚至严重损害。日本的新干线使用不到十年，就出现大面积混凝土开裂，剥蚀现象。据分析，这与近年来水泥产品的细度减小、活性增加，使得水化反应加速、放热加剧、干燥收缩增加有关，最终导致混凝土温度收缩和干缩产生的裂纹增加[ 14 ，15 ] .微裂纹和宏观裂纹的增加对混凝土的抗渗、耐久性能是不利的。为此，人们在配制高性能混凝土时，常常掺加粉煤灰等外掺料取代部分水泥，一方面降低造价，另一方面减少热开裂。
关于掺粉煤灰和硅灰对提高混凝土抗渗性能有利的文献数不胜数，难以一一列举。但明确粉煤灰掺量的上限是必要的。文献[ 16 ]研究了大量掺入粉煤灰对混凝土抗渗性能的影响。研究中不掺粉煤灰的参考加气混凝土28 天强度为41MPa ；掺粉煤灰的混凝土配合比中水泥重量的0 %～70 %被粉煤灰取代，试验中测试了抗压强度、氯化物渗透性、空气渗透性和水渗透性。研究发现：在28 天龄期，无粉煤灰混凝土的空气渗透性低于高掺量粉煤灰混凝土；在91 天龄期，50 %替代量的混凝土配比，其空气渗透性最低，水渗透性亦然；通常而言， 只要水泥替代量不超过50 % ，粉煤灰的掺入将降低温凝土的氯离子渗透性。Celik Ozyildirim[ 17 ] 在研究矿渣和硅灰掺入混凝土中对渗透性的影响时发现，少量的硅灰（3 %～5 %） 和高达47 %的矿渣在水灰比为014～0145 的情况下，可获得既经济又具有足够强度的低渗透性混凝土。他得出结论：用矿渣作为胶凝材料的一部分比单纯用普通硅酸盐水泥作为胶凝材料配制的混凝土，其抗氯离子渗透的能力更高。
在我国和其它许多国家，受现行规范的限制，粉煤灰在结构混凝土中掺量常不超过25 %.这表明规范的观念已经滞后，文献[15 ]认为，应该有新的规范指导抗渗、耐久混凝土的配制使用。
众多的文献指出，掺入硅灰后对混凝土的强度和抗渗性能增强效应极佳[ 17 ，19 ，20 ] ；对它的性能研究是目前国际混凝土行业的热门方向之一。但是由于硅灰是电弧炉冶炼硅铁合金时的副产品，其来源相对稀少，应用中的冷清与研究中的热情形成较大反差，略显尴尬局面。
3.2 其它组分材料
除硅灰、粉煤灰等人造火山灰质材料外，还有其它可能影响混凝土抗渗性能的组分。文献[21 ]研究了聚丙烯纤维掺入混凝土中，是否会与混凝土的各种外加组分如：粉煤灰、硅灰、或磨细的高炉矿渣发生反应导致抗渗性能下降的问题；通过实验确定：虽然聚丙烯纤维掺入会降低温凝土的抗渗性，但聚丙烯纤维基本不与上述其它组分发生反应，上述组分对混凝土抗渗性能的正面影响在掺入聚丙烯纤维后依然存在，也就是说混凝土耐久性不会受到合成纤维的影响。膨胀剂对混凝土抗渗性能的影响，视混凝土内、外部对膨胀的限制情况而定。孙伟等人在文献[22 ]中对钢纤维、合成纤维以及膨胀剂在混凝土硬化过程中对收缩开裂的影响进行了研究，研究结果证实：钢纤维与膨胀剂混合增强混凝土，钢纤维能够对膨胀产生很大的内部限制，使得混凝土更加致密，混合增强的方式能够取得很好的抑制硬化期间收缩裂纹的效果，从而极大地改进抗渗性能。
一般观点认为含气剂有助于提高混凝土的抗渗性；然而文献[1 ]却提出：含气剂有助于混凝土的水密性（watertight） ，但无助于抗渗性。
针对目前流动混凝土用量大增的现状，文献[23 ]中研究了超塑化剂对混凝土渗透性的影响；通过试验发现：当超塑化剂掺量达水泥用量的110 %、坍落度高达200mm 之上时，硅灰对抗渗透性非常重要；没有掺硅灰的混凝土的渗透性是掺硅灰的混凝土的渗透性的3～5 倍。此外，按照AASHTO T277 标准进行的氯离子渗透试验却未能敏感得足以揭示超塑化剂掺量和坍落度的不同对混凝土材料微结构产生的影响。
3.3 水灰比
一般情况下认为，材料的组分与配合比中对混凝土抗掺性最具影响力的因素是水灰（胶） 比；文献[1 ]更是总结指出：事实上，在水灰比小于013 ，特别是掺有硅灰的情况下，混凝土对于水与氯化物来说都可认为是不可渗透的，这样的混凝土可以在下面的暴露条件下工作：（1） 高水头压力；（2） 需要防止氯化物侵蚀；（3） 恶劣的冻融条件存在；（4） 需抵抗有害化学品侵蚀。只要将水灰比限制在不超过014 ，就能够获得渗透性足够低的混凝土，能够抵抗很高的水压力。笔者认为，如果不考虑时间这个因素，文献[1 ]的这些结论无疑是正确的，但从前面提到的近年来高强与高性能混凝土遭遇到的一些耐久性病害来看，则上述结论难免有偏颇之嫌。配合比设计不仅要考虑新浇筑混凝土的抗渗性能，也要考虑服役期间的工作环境使微裂纹扩展导致抗渗性能劣化的问题；当然这是一个非常复杂的问题，从下面的介绍可以看到，这方面每前进一步都是十分艰难的。
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