摘要：通過混凝土透氣性、相對抗滲性、抗氯離子滲透和壓汞等試驗分析高性能混凝土（HPC）的密實性。相對于普通混凝土，HPC的氣體擴散系數和相對抗滲系數較小，摻加5％硅粉和30％粉煤灰的HPC的相對抗滲系數只有普通混凝土的0.5％；HPC具有優良的抗氯離子滲透性能，摻加5％硅粉和30％粉煤灰的HPC相對氯離子擴散系數和有效氯離子擴散系數分別只有1.02×10-12m2/s 和1.96×10-12m2/s，分別是普通混凝土的27.9％和26.7％。高性能混凝土的總孔隙率低，孔結構明顯地改善。試驗證明：高性能混凝土比普通混凝土更為密實，具有更好的抵抗氣體、水和離子滲透的能力。
關鍵詞：高性能混凝土；密實性；透氣性；抗滲性；氯離子滲透；孔結構
要維持混凝土的高堿性與鋼筋的鈍化狀態，必須使混凝土具有較高的抵抗氣體(二氧化碳和氧氣等)、水、離子(氯離子等)滲透的能力，即具有高的密實性。混凝土密實性是平均混凝土耐久性的重要指標。本文從混凝土透氣性、相對抗滲性、抗氯離子滲透和壓汞試驗分析高性能混凝土（High Performance Concrete, HPC）的密實性。
1 HPC配合比
試驗采用P·O 42.5級水泥，性能指標符合GB175-1999標準要求。礦物摻合料有：Ⅱ級粉煤灰、S95級磨細礦渣和硅粉，化學成分見表1,根據《高強高性能混凝土用礦物外加劑》（GB/T 18736-2002）測得粉煤灰、磨細礦渣和硅粉的活性指數分別為85.5%、108.2%和107.4%。細骨料采用細度模數為2.78的中砂，粗骨料為5mm～20mm和20mm～40mm碎石。外加劑為萘系高效泵送劑。
經過配合比設計和試拌，確定普通混凝土和HPC的配合比，表2列出每方混凝土原材料用量，各配合比混凝土的力學指標見表3。其中，I配合比的混凝土為普通混凝土，水膠比為0.45, Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ配合比的混凝土為HPC，水膠比皆為0.35。Ⅱ配合比HPC摻加10％粉煤灰和40％磨細礦渣, Ⅲ配合比HPC摻加3％硅粉、20％粉煤灰和40％磨細礦渣, Ⅳ配合比HPC摻加5％硅粉和30％粉煤灰。所有混凝土的砂率為40%，初始坍落度在200mm±10mm之間。普通混凝土含氣量為3.2%，三個配合比的高性能混凝土含氣量分別為2.2%、2.8%、2.3%和2.3%。
2透氣性
透氣性反映混凝土密實性，是混凝土耐久性的重要指標之一。混凝土抗碳化性能，主要決定于混凝土的透氣性和混凝土中氧化鈣的含量。混凝土透氣性，直接關系到供氧速度，從而影響鋼筋的腐蝕速度。采用DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗規程》附錄C進行混凝土透氣性試驗研究。粒徑大于20mm的骨料用濕篩法篩除，每種技術條件成型三塊試件，試件尺寸為50mm×ф100mm。成型1天后拆模，試件在20℃±3℃飽和氫氧化鈣溶液中養護至56天，測試混凝土的氣體擴散系數。Ⅲ配合比HPC 56天氣體擴散系數只有2.30×10-7m2/s，比普通混凝土降低了36.0％；Ⅳ、Ⅱ配合比HPC的氣體擴散系數依次增大，分別為2.35×10-7m2/s、2.69×10-7m2/s，分別比普通混凝土降低了34.9％、25.5％。試驗結果顯示三個配合比的HPC具有比普通混凝土更小的氣體擴散系數和更好的密實性。
3相對抗滲性
混凝土相對抗滲性試驗根據DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗規程》4.22進行，每種技術條件成型六塊試件，成型1天后拆模，試件標準養護室中養護至28天，進行混凝土相對抗滲性試驗。試驗水壓1.2MPa，恒壓24小時，劈開試件測量滲水高度，計算相對滲透系數，結果見表4。
由表4可以看出，普通混凝土（I配合比）的相對滲透系數最大，達到652.0×10-8cm/h，混凝土密實性較差。HPC的相對滲透系數均小于普通混凝土，說明HPC具有更高的密實性。Ⅳ配合比HPC最為密實，其相對滲透系數最小，只有3.3×10-8cm/h，為普通混凝土的0.5％；Ⅲ配合比HPC也較為密實，其相對滲透系數為46.0×10-8cm/h；Ⅱ配合比混凝土相對滲透系數為148.9×10-8cm/h。
4抗氯離子滲透性能
4.1自然浸泡法
每種技術條件成型試件9個，混凝土試件為100×100×100mm3，混凝土成型后一天拆模，放入標準養護室養護28天，試件取出自然晾干，然后把試件的五個面圖上兩層環氧樹脂，另外一個面作為滲透面，環氧樹脂固化后，將試件放入3.5％硫酸鈉溶液中，并密封，防止蒸發，并放入養護室。試件浸泡5個月后，鉆取不同深度的混凝土，測試其水溶性氯離子含量，結果見表5。
假設混凝土的氯離子滲透符合Fick擴散第二定律，其基本關系式為[1]
式中：x—擴散深度，m；
C(x,t)—在浸泡時間，深度為tx的混凝土的氯離子含量，％；
C0—在浸泡時間＝0， tx＝0處的混凝土的氯離子含量，即氯離子擴散源的氯離子濃度，％；
Dc—有效擴散系數，m2/s；
t—擴散時間，即浸泡時間，本文所浸泡時間為五個月，1.296×107s；
erf—誤差函數。
根據表5中的數據和Fick擴散第二定律，運用最小二乘法原理進行曲線擬合，可得氯離子有效擴散系數。普通混凝土（配合比Ⅰ）的氯離子有效擴散系數最大，達到7.34×10cD-12m2/s；配合比Ⅳ的氯離子有效擴散系數最小，為0.91×10-12m2/s，只有普通混凝土的12.4%。配合比Ⅱ、Ⅲ的混凝土的氯離子有效擴散系數分別是1.29×1010-12m2/s和1.96×1010-12m2/s，占普通混凝土的17.6%和26.7%。相對于普通混凝土，高性能混凝土氯離子有效擴散系數顯著降低，具有更好的抗氯離子侵蝕性能。
4.2抗氯離子滲透快速試驗
參照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗規程》4.29條進行了混凝土抗氯離子滲透快速試驗。該方法作為一種簡便、快速的方法，具有相當的實用價值，可作為對自然浸泡法的補充。在直流電壓作用下，氯離子能透過混凝土試塊向正極方向移動，測量流過混凝土的電荷量，就能反映出透過混凝土的氯離子量，測量混凝土試件電導，與測量電荷一樣，也能評定混凝土抵抗氯離子滲透性能。混凝土抗氯離子滲透快速試驗參照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗規程》4.29條進行。每種技術條件成型三個試件，試件尺寸為直徑100mm、厚50mm的圓盤型混凝土試件，粒徑大于20mm的骨料用濕篩法篩除。試件在20℃±3℃飽和氫氧化鈣溶液中養護至28天，測試混凝土的電阻，計算相對氯離子擴散系數，結果見表6。由表6看出，普通混凝土的相對氯離子擴散系數最大，達到3.65×10-12m2/s；Ⅳ配合比HPC相對氯離子擴散系數最小，為1.02×10-12m2/s，不到普通混凝土的三分之一。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ配合比HPC的相對氯離子擴散系數分別是普通混凝土的54.8%、46.0%、27.9%。混凝土抗氯離子滲透快速試驗證明高性能混凝土具有比普通混凝土更好的抗氯離子滲透能力。
表6 混凝土相對氯離子擴散系數
5孔結構
取四個配合比混凝土硬化水泥漿體顆粒，放入烘箱在105℃下烘干，進行壓汞分析。Ⅰ配合比普通水泥漿體的總孔隙率最大，達到0.311cm3/cm3，有害孔和多害孔的孔隙率為0.1047cm3/cm3，占總孔隙率的33.7%，無害孔的孔隙率只有0.0512 cm3/cm3，占總孔隙率的16.5%。Ⅱ配合比HPC的漿體的總孔隙率最小，只有0.210cm3/cm3，比普通水泥漿體降低32.5%，有害孔和多害孔的孔隙率大大降低，為0.0417cm3/cm3，占總孔隙率的19.9%，無害孔的孔隙率為0.1179cm3/cm3，占總孔隙率的56.1%。Ⅲ配合比HPC漿體的總孔隙率小于普通水泥漿體，為0.269cm3/cm3，有害孔和多害孔的孔隙率降低，為0.0548 m3/cm3，占總孔隙率的20.4%，無害孔較多，孔隙率為0.1854cm3/cm3，占總孔隙率的68.9%，比普通水泥漿體增加2.62倍。Ⅳ配合比HPC漿體的總孔隙率小于普通水泥漿體，為0.282cm3/cm3，有害孔和多害孔的孔隙率降低，為0.0398cm3/cm3，占總孔隙率的14.1%，無害孔的孔隙率為0.1130cm3/cm3，占總孔隙率的40.1%。
Ⅰ配合比普通混凝土漿體最可幾孔的孔徑為86nm；Ⅱ和Ⅲ配合比HPC漿體最可幾孔的孔徑均為4.6nm，顯著小于普通水泥漿體；Ⅳ配合比HPC漿體最可幾孔的孔徑稍大，但也明顯小于普通混凝土將體最可幾孔的孔徑，為40.4nm。
壓汞分析結果顯示：普通水泥漿體的總孔隙率最大，有害孔和多害孔比例較大，漿體密實性差；高性能混凝土漿體更為密實，孔結構得到明顯的改善，總孔隙率降低，有害孔和多害孔明顯減少，無害孔顯著增多，最可幾孔的孔徑顯著減小。這必將減少氯離子、水、氧氣、二氧化碳、鹽類等介質的滲透，提高混凝土耐久性能。
高性能混凝土孔結構得到改善的原因有兩個，一個是，水膠比低，優質高效減水劑使得多余的水分減少，減少了多余水分留下的孔隙；另外一個是，硅粉、粉煤灰、磨細礦渣等摻合料具有顯著的微集料效應、填充效應、火山灰效應以及多種摻合料共摻時產生的超疊加效應，使得氫氧化鈣晶體減少，二次水化產生的C-S-H凝膠填充孔隙，使得大孔減少，孔徑變細，改善了孔的結構。
6結論
（1）高性能混凝土比普通混凝土更為密實，具有更小的氣體擴散系數、相對滲透系數、相對氯離子擴散系數和有效氯離子擴散系數,抵抗氣體、水、離子滲透的能力提高。
（2）高性能混凝土水膠比小，并使用大量礦物摻合料，硬化漿體的總孔隙率低，有害孔和多害孔明顯減少，無害孔顯著增多，最可幾孔的孔徑顯著減小，孔結構得到改善。
參考文獻:
[1]P.S.MANGAT, B.T.MOLLOY. Prediction of long term chloride concentration in concrete[J]. Materials and Structures, 1994,27:338-346.
