活性粉末混凝土酷寒与氯盐综合作用下的耐久性研究

王亚斌，严心娥

摘要：酷寒和氯盐循环综合作用是导致混凝土耐久性失效的重要因素，对酷寒、氯盐耦合作用下活性粉末混凝土的耐久性指标如基础性能、强度性能等进行实验分析。结果表明，在酷寒与氯盐综合作用下，活性粉末混凝土的相对动弹性模量最低值、平均质量损失率最高值分别为88.95%和0%，优于一般C50高性能混凝土的0%和1.19%；活性粉末混凝土的抗压强度最低值、抗压强度损失率最高值分别为160.18 MPa和10.55%，优于一般C50高性能混凝土的69.98 MPa和60.37%。基于水泥、硅粉、粉煤灰等制备的活性粉末混凝土在酷寒与氯盐综合作用下的耐久性表现，其性能远优于一般C50高性能混凝土。

关键词：活性粉末混凝土；冻融环境；氯盐；综合作用；耐久性

中图分类号：TU528.57；TQ178文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）12-0115-04

Study on the durability of reactive powder concrete under the combined action of cold and chlorine salts

WANG Yabin，YAN Xine

（Xian Traffic Engineering Institute，Xian 710300，China）

Abstract：The combined effect of cold and chloride cycle is an important factor leading to durability failure of concrete，the durability indexes such as foundation properties and strength properties of reactive powder concrete under the action of cold and chloride coupling were experimentally analyzed.The results showed that the lowest relative elastic modulus and the highest average mass loss rate of active powder concrete were 88.95% and 0% respectively under the combined action of cold and chlorine salt，which were better than 0% and 1.19% of common C50 high performance concrete.The lowest compressive strength and the highest compressive strength loss rate of reactive powder concrete were 160.18 MPa and 10.55%，respectively，which were better than 69.98 MPa and 60.37% of common C50 high performance concrete.The durability performance of reactive powder concrete prepared based on cement，silica powder and fly ash under the combined action of cold and chlorine salt was much better than that of general C50 high performance concrete.

Key words：reactive powder concrete;freeze-thaw environment;chlorine salts;comprehensive effect;durability

混凝土是建筑工程領域最常用的材料之一。发展至今，混凝土的组成、种类及应用场景已经发生了越来越多的变化，不同外部环境下所使用的混凝土材料往往在组成与性能等方面略有不同[1-3]。当前混凝土领域越来越倾向于使用不同的材料制备、配比方法以获得具有性能差异性的混凝土材料。在各种外部环境指标中，酷寒和氯盐是影响混凝土材料耐久性的重要因素。当二者同时存在并形成耦合作用后，混凝土材料的耐久性失效速度和程度往往同时加剧，严重时会导致混凝土建筑整体出现结构破坏。活性粉末混凝土（H-J）是一种较为理想的抗酷寒、抗氯盐综合作用的新型混凝土材料。以活性粉末混凝土材料为研究对象，对其耐久性及影响其耐久性的部分因素进行分析，旨在为高氯、酷寒环境下混凝土材料的开发等提供借鉴。

1实验材料与方法

1.1实验材料与设备

1.1.1实验材料

实验材料主要包括活性粉末混凝土（H-J）、C50混凝土等[4]。其中，活性粉末混凝土通过自制获取，所需材料有水泥、硅粉、粉煤灰等；C50通过直接购买获取，以提升实验结果可靠性。实验材料基本性能指标如表1所示。

1.1.2实验设备

实验所需设备如表2所示。

1.2实验方法

实验共包括试件制备和性能测试2个主要环节。实验主要为分析活性粉末混凝土在酷寒和高盐作用下的耐久性变化并总结能够影响其耐久性的指标。能够直观反映活性粉末混凝土耐久性的指标主要包括基础性能指标（相对动弹性模量、平均质量损失率等）、强度性能指标（抗压强度、抗压强度损失率等）[5-8]。

1.2.1基准活性粉末混凝土配置

表3为本次实验所需基准活性粉末混凝土（H-J）配合方法，C50为直接购买获得。

1.2.2试件制备

根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（以下简称《标准》），制备若干标准混凝土试件[9-10]。混凝土试件的制备主要包括5个主要步骤：

模具预处理→搅拌→成型→拆模→养护。

模具预处理包括使用砂纸对钢结构模具内壁进行打磨、校准模具尺寸及对模具内部喷涂擦拭脱模剂等；搅拌环节指的是将制备活性粉末混凝土按照一般混凝土制作顺序放入搅拌机中进行搅拌；成型指的是将搅拌好的混凝土放入模具中并置于振动台上进行成型并放入养护室中；拆模前需要混凝土试件在养护室中24 h；养护则指的是将拆模后的试件放入恒湿养护室中进行养護，分别保持45 ℃（2 h）、60 ℃（2 h）及75 ℃（72 h）状态后完成[11]。

1.2.3酷寒与氯盐综合作用环境搭建

酷寒与氯盐综合作用环境搭建的主要目的是模仿高寒和高盐的自然环境，如我国东北、华北部分沿海环境等。实验以冻融箱提供酷寒冻融环境，以质量分数3.5%的NaCl溶液模拟氯盐环境，在混凝土试件从养护箱中取出后放入水中浸泡，保持浸泡时间超过24 h；待取出后用湿布擦除试件表面水分并放入冻融箱中；在试件中注入质量分数3.5%的NaCl溶液，保证溶液超出试件最高度约5 mm即可；每隔50次冻融循环更换一次质量分数3.5%的NaCl溶液。

1.2.4耐久性分析

活性粉末混凝土的耐久性分析主要包括2方面：一方面为对比活性粉末混凝土与C50混凝土在相同冻融与氯盐作用下的基础性能指标差异；另一方面为分析活性粉末混凝土与C50混凝土在相同冻融与氯盐作用下的强度性能指标差异。物理指标借助动弹仪进行获取，每25次冻融记录一次试件的相对动弹性模量；平均质量损失率由天平秤获取，同样每25次冻融记录1次。强度性能指标主要通过压力机对试件的抗压强度进行测试，同样每25次冻融记录1次。

2实验结果与分析

2.1基础性能指标差异对比

活性粉末混凝土（H-J）与C50混凝土基础性能指标差异主要是通过对比在酷寒与氯盐综合作用下相对动弹性模量和平均质量损失率的差异。表4为不同冻融循环次数时H-J与C50混凝土基础性能指标差异对比结果。

由表4可知，随着冻融循环次数的增加，C50的相对动弹性模量处于不断下降的变化趋势，在冻融循环次数为125次时，C50的相对动弹性模量已经下降至62.25%左右；当冻融循环次数为200时，C50混凝土的相对动弹性模量已经为0，此时试件已不具备基本的混凝土性能。混凝土试件的相对动弹性模量可直观反映混凝土的劣化程度，通常当混凝土试件的相对动弹性模量降为60%以下时，就可以判断该试件的基本结构受到破坏，会形成混凝土内部疏松、开裂或其他缺陷[12-14]。H-J在125、200次相同冻融循环次数时的相对动弹性模量分别为93.85%和95.68%，2项数据不仅远优于C50混凝土试件，也远远超过了相关标准对混凝土材料的一般要求。此外，H-J试件的相对动弹性模量不随冻融循环次数的增加而下降，而是处于一种轻微波动的变化状态，在冻融循环次数为100次时，相对动弹性模量值最低；但之后相对动弹性模量值又逐渐提升。显然，这种由基础配置的活性粉末混凝土材料制备而成的试件在酷寒与氯盐环境下的相对动弹性模量变化更小，耐久性更强。

在冻融循环次数达到200次后，C50混凝土试件的质量损失率达到1.19%，已超过了《标准》中的相关要求，H-J试件的质量损失率为-0.99%，质量略有下降。显然，从这一指标来看，C50混凝土试件在冻融循环和盐分的作用下内部吸收的盐分、水分等均较多，微空隙对水分和盐分的吸收情况明显更不理想。这可能是因为活性粉末混凝土中添加的减水剂等成分能够很好地阻隔时间与氯盐，从而避免试件内部的微空隙结构吸收过多的盐分与水分导致试件耐久性的下降[15-16]。

2.2强度性能指标差异对比

H-J与C50混凝土强度性能指标差异主要通过对比酷寒与氯盐综合作用下基础配置活性粉末混凝土的抗压强度和抗压强度损失率的差异[17]。表5为不同冻融循环次数时H-J与C50混凝土强度性能指标对比结果。

由表5可知，强度性能指标差异对比可以反映不同冻融循环次数下2种混凝土试件在抗压性能方面的差异。从抗压强度指标来看，随着冻融循环次数的提升，C50组混凝土试件的抗压强度处于先不断下降后逐渐稳定的变化状态，在175、200次冻融循环时尽管略有波动，但不影响整体规律；而H-J组试件随着冻融循环次数的提升抗压强度并不处于一直下降变化状态，在冻融循环次数为125次时，达到最低值160.18 MPa，但随后又逐渐提升并处于相对稳定的波动状态。从二者数值对比来看，显然H-J组试件的抗压强度值始终高于C50组试件，且随着冻融循环次数的提升，这种优势越来越明显。

由于H-J、C50试件在原始抗压强度方面本身存在一定差异，因而单独对比抗压强度指标还不能完全反映2种材料的耐久性差异，需要引入抗压强度损失率这一指标。从抗压强度损失率指标来看，随着冻融循环次数的提升，C50组试件的抗压强度损失率逐渐由0%提升至60%左右[19-20]；而H-J组试件的抗压强度损失率则始终处于波动变化状态，最高损失率为10.55%，此时冻融循环次数为125次。显然，H-J组试件的抗压强度损失率远低于C50组试件。结合抗压强度指标来看，活性粉末混凝土在酷寒与氯盐综合作用下的耐久性远优于一般C50高性能混凝土[21]。

3结语

以活性粉末混凝土材料为研究对象，分析了在各种外部环境指标中，酷寒和氯盐循环综合作用是导致混凝土耐久性失效的重要因素，对酷寒、氯盐耦合作用下活性粉末混凝土的耐久性指标如基础性能、强度性能等进行实验分析。结果表明，在酷寒与氯盐综合作用下，活性粉末混凝土的相对动弹性模量、平均质量损失率、抗压强度、抗压强度损失率等指标均优于一般C50高性能混凝土，这种优异主要体现在2方面：一方面活性粉末混凝土在酷寒与氯盐综合作用下的相对动弹性模量、平均质量损失率及抗压强度、抗压强度损失率优于一般高性能混凝土；另一方面，随着冻融循环次数的增加，活性粉末混凝土各项指标的波动情况更小，性能更稳定。活性粉末混凝土是一种较为理想的抗酷寒、抗氯盐综合作用的新型混凝土材料。

【参考文献】

[1]高兵，李雄伟，曾红久，等.煤矸石活性粉末混凝土多因素正交试验研究[J].煤炭技术，2023，42（7）：242-246.

[2]何修义，李松，焦楚杰，等.轴压作用下CFRP约束钢管-活性粉末混凝土短柱承载力计算模型[J].混凝土，2023（6）：69-74.

[3]林一苇，杨克家，李坤坤.定向钢纤维活性粉末混凝土受弯及受剪力學性能试验研究[J].新型建筑材料，2022，49（12）：11-16.

[4]宫亚峰，吴树正，毕海鹏，等.玄武岩纤维活性粉末混凝土与钢绞线粘结滑移过程声学特性表征[J].吉林大学学报（工学版），2023，53（6）：1819-1832.

[5]徐兆桤，徐金花，刘东羽，等.活性粉末混凝土抗压强度研究现状综述[J].建筑结构，2023，53（S1）：1556-1561.

[6]李坤梁，杨克家，李坤坤.定向分布钢纤维RPC的剪切性能[J].建筑材料学报，2023，26（1）：96-102.

[7]蔡燕霞，洪伟华，张景瑞，等.凝灰岩石粉代砂制备活性粉末混凝土性能分析[J].公路，2023，68（2）：274-279.

[8]黄结友.活性粉末混凝土的性能影响因素研究[J].黑龙江交通科技，2022，45（12）：28-30.

[9]张波，张银龙.钢-粗骨料活性粉末混凝土桥面板防水黏结层组合体系研究[J].现代交通技术，2023，20（2）：49-53.

[10]张利，雷波.纤维增强自密实轻质混凝土墙板配合比设计及力学性能研究[J].粘接，2023，50（5）：95-98.

[11]杨慧.矿粉和纤维对活性粉末混凝土工作和力学性能的影响[J].矿产综合利用，2023（2）：197-204.

[12]张立群，游宇澄，刘宏波.基于ABAQUS的圆钢管含铁尾矿砂活性粉末混凝土短柱轴压性能研究[J].河北建筑工程学院学报，2023，41（1）：1-6.

[13]王晨光，张立群，刘宏波，等.铁尾矿砂制备活性粉末混凝土的试验研究[J].河北建筑工程学院学报，2023，41（1）：28-33.

[14]王子艺，张立群，刘宏波，等.基于ABAQUS和声发射的铁尾矿砂活性粉末混凝土梁受弯性能分析[J].河北建筑工程学院学报，2023，41（1）：57-64.

[15]张景瑞，李卫炎，黄前龙，等.凝灰岩石粉掺量对活性粉末混凝土性能的影响[J].粉煤灰综合利用，2023，37（1）：40-46.

[16]刘晓，周鸣，侯东序，等.圆钢管活性粉末混凝土黏结性能有限元分析[J].沈阳大学学报（自然科学版），2023，35（1）：67-73.

[17]严超群，呼加瑞，谢李.一种改性废旧橡胶透水混凝土制备及性能试验[J].粘接，2023，50（2）：13-17.

[18]符德，符曜，郭春梅.玄武岩纤维掺量对硅酸盐混凝土力学性能影响[J].粘接，2023，50（2）：65-68.

[19]何建，李琼，孟庆林，等.含盐加气混凝土吸湿行为的实验研究[J].建筑科学，2023，39（6）：10-17.

[20]段明翰.寒冷地区腈纶纤维混凝土盐冻耐久性研究[D].西安：西安理工大学，2022.

[21]魏毅萌.低湿度养护下再生混凝土盐冻劣化机理及耐久性试验研究[D].西安：西安理工大学，2022.