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文献精读 Cement Concrete Comp. ：补偿收缩混凝土中的氯离子渗透  背景介绍 混凝土中的裂缝，特别是由于收缩受限引起的裂缝，长期以来一直是混凝土结构施工和维护人员关注的问题。混凝土中裂缝的形成和扩展通常会导致强度和耐久性问题，因为裂缝使得水和氯离子进入钢筋。在现有的解决方案中，已发现补偿收缩水泥可减缓自收缩和干燥收缩，从而提高混凝土的体积稳定性。补偿收缩水泥的主要成分是4CaO⋅3Al2O3⋅SO3、CaSO4和CaO。在水化初期，补偿收缩水泥产生大量稳定的钙矾石。钙矾石具有膨胀性，可形成长针状晶体。 研究出发点 尽管大量文献研究了补偿收缩混凝土的强度、收缩和水化过程，但对其输运性能的研究却非常有限，且相关机理尚未形成共识。因此，有必要对用K型膨胀剂制成的混凝土的输运性能进行全面研究。 全文速览 美国Iowa State University的Shi Weizhuo课题组系统研究了不同膨胀剂掺量（0%到22.5%之间，间隔为7.5%）混凝土的工作性能、力学性能、氯离子渗透性等，并利用C级粉煤灰、F级粉煤灰和硅灰对中等膨胀剂掺量的混凝土进行改性，最后利用压汞法测得孔隙规律，揭示K型膨胀剂和辅助胶凝材料（SCMs）影响混凝土氯离子渗透性的机理。相关论文以“Chloride penetration in shrinkage-compensating cement concretes”为题，于2020年发表在Cement and Concrete Composites上。 图文解析 （1）配合比设计、工作性能、力学性能与体积稳定性 本研究配合比设计如表1所示。 表1：配合比设计  通过等温热传导量热法测定了含有不同剂量K型膨胀剂的五个反应期。当K型膨胀剂替代率增加时，初始反应期峰值也随之增加。这可归因于K型膨胀剂的主要成分（硫铝酸钙）与Ca(OH)2和石膏反应，导致钙矾石的形成。在诱导期，所有含K型膨胀剂的试样的放热率均高于对照组，而在加速反应期间发生逆转，其中在KH（含22.5%K型膨胀剂）和对照组的峰值有长达2 h的时间差。这是因为K型水泥的主要成分在前8 h内发生反应，因此钙矾石的形成过程消耗了大量的热能。
坍落度测量结果显示，添加K型膨胀剂后，流动性总体上有所降低。使用F级粉煤灰可改善流动性，C级粉煤灰对坍落度的影响可忽略不计，硅灰的加入大大降低了流动度。 添加15%的K型膨胀剂后，观察到28 d龄期的抗压强度增加，28 d龄期之后下降。当添加22.5%的K型膨胀剂时，混凝土强度显著降低。这是由于过度膨胀造成的破坏性结构效应，削弱了粗骨料和砂浆之间的粘结。当用F级粉煤灰取代15%的硅酸盐水泥时，抗压强度略有下降。这一发现可能与F级粉煤灰的后期火山灰活性有关，这实际上降低了早期的抗压强度。但硅灰的加入使其抗压强度提高。这可归因于硅粉的细度及其非常高的无定形二氧化硅含量。 （2）氯离子渗透 考虑到K型膨胀剂比普通硅酸盐水泥碱性小得多，由于孔隙溶液的碱度降低，预计通过电荷比参照组下降。然而，实验表明，当K型膨胀剂的用量增加时，通过圆盘试样的电荷分别从参照组的3000 C（库伦）增加到了KL（含7.5%K型膨胀剂）和KM（含15%K型膨胀剂）混凝土的3200 C和3800 C。添加K型膨胀剂后通过电荷的增加可以通过水分吸收、氦气注入法和压汞法测定获得的数据来解释。混凝土中加入辅助胶凝材料（SCMs），通过圆盘试样的电荷减少，表明加入SCMs后，抗氯离子渗透能力有所提高。SCMs消耗Ca(OH)2，并减少孔溶液中羟基的数量。因此，具有高火山灰活性的SCMs能显著降低羟基，从而降低快速氯离子渗透试验结果。 K型膨胀剂混凝土的平均电阻率低于对照组的平均电阻率。当K型膨胀剂仅取代7.5%的硅酸盐水泥时，电阻率的降低可以忽略不计。当K型膨胀剂替代用量达到15%和22.5%时，电阻率进一步下降。这一结果与快速氯离子渗透试验结果一致。加入SCMs后，电阻率增加。F级粉煤灰能够完全弥补K型膨胀剂降低的电阻率。使用F级粉煤灰和C级粉煤灰对提高电阻率有很大帮助，分别提高了26%和82%。硅灰的掺入可以大大提高含补偿收缩混凝土的电阻率。这一结果可能是由于两个原因造成，一是与其他火山灰材料相比，硅灰显著降低了混凝土的孔隙率；二是氢氧化钙的消耗导致的电导率降低。 所有试样的氯离子渗透深度在24.2 mm到42.0 mm之间。随着K型膨胀剂的替代剂量从0%增加到15%，渗透深度增加了75%，相应地，氯离子迁移系数的计算值从11.47×10-12 m2/s提高到了20.73×10-12 m2/s。将SCMs添加到混凝土后，氯离子渗透深度显著减小。在混凝土中掺入C级粉煤灰和硅粉，氯化物渗透深度分别降低30%和53%以上，氯离子迁移系数分别降低了55%和65%。
（3）吸水实验和孔隙分析 吸水率试验常用于估算混凝土的吸水率和总孔隙率。吸水率随K型膨胀剂用量的增加而增加。SCMs掺入混凝土后，混凝土的吸水率和渗透性孔隙体积减小，主要是由于火山灰反应和微集料效应使混凝土的孔隙结构细化。 可以看出，K型膨胀剂的使用增加了被测混凝土的孔隙体积，SCMs的加入减小了被测混凝土的孔隙体积。使用氦气注入法测得的孔隙体积始终低于吸水率试验测得的孔隙体积。这可能是由于混凝土的含水量减少了氦气注入法测得的孔隙体积。
总结 （1）坍落度试验表明，含K型膨胀剂的混凝土坍落度明显下降，硅粉也显著降低了流动度。 （2）对补偿收缩混凝土混凝土的膨胀进行了定量研究。结果表明，7 d后可达到峰值膨胀。对于当前研究中测试的混凝土，即使在56 d后，总长度变化仍可以保持在膨胀范围内。 （3）对于KL（含7.5%K型膨胀剂）和KM（含15%K型膨胀剂）混凝土，与对照组相比，抗压强度增加。然而，22.5%的K型膨胀剂用量导致了显著膨胀，粗骨料与砂浆之间的粘结减弱，从而对28 d的抗压强度产生不利影响。 （4）随着K型膨胀剂替代量的增加，混凝土抗氯离子渗透性降低。掺入C级粉煤灰和硅灰是解决补偿收缩混凝土易受氯离子侵蚀的较好解决方案。 （5）根据吸水率和氦气注入法测试结果，KM混凝土的孔体积比对照混凝土高出50%以上。然而，这一点随着SCMs的加入而减少。 （6）为设计含膨胀水泥的混凝土，可根据仅含硅酸盐水泥的混凝土的预期收缩程度确定所需膨胀量（以及膨胀水泥的用量）。然而，这一点需要谨慎，因为过度膨胀可能会导致混凝土的完整性和强度损失，且易受水和氯离子渗透（由于孔隙率增加）的影响。基于本研究进行的试验，K型膨胀剂替代硅酸盐水泥的最佳百分比为12.5%–17.5%。虽然收缩补偿和强度要求得到满足，但水和氯离子渗透更易到混凝土中，这可以通过掺入C级粉煤灰和硅灰来解决。 文献链接：https://www./science/article/pii/S0958946520301487 |
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