高性能混凝土外加剂对力学性能与耐久性的影响研究

引言

高性能混凝土高强、低渗、耐久性好，应用在桥梁、高层建筑及海洋结构当中；外加剂是影响混凝土性能的重要组分之一，不仅能够调节和易性，还能够调节水化过程、控制孔隙结构分布进而影响力学性能和耐久性能；而市面上较常见的外加剂包括了高效减水剂、矿物掺合料(如粉煤灰、矿粉、硅灰等)以及缓凝剂等。综上所述，对外加剂种类及掺量影响下的混凝土性能开展相关研究，有助于完成混凝土的设计任务、延长结构寿命、减少环境影响等。

一、外加剂种类与作用机制分析

1.1 高效率减水剂提升流动性的原理

高效减水剂能够使水泥颗粒经由化学吸附作用达到水泥颗粒间的疏松分散效果，并可提高混凝土的工作性同时降低水胶比，使高强混凝土在流动性的前提下增加强度，分子结构中有聚羧酸基团的高效的减水剂能将水泥颗粒表面的薄膜吸附上，在增强水泥颗粒团聚效应的基础上抑制水泥颗粒团聚的效果。随着水胶比下降生成更为密实的微观结构，降低孔隙率、均匀孔径分布有利于提高抗压强度及抗渗性能。

1.2 矿物掺合料能够改善微结构

(OH)材料如粉煤灰、矿渣粉和硅灰等都具有填充效应与火山灰效应两种作用。粉煤灰、矿渣粉等微细颗粒由于其颗粒很小，可以起到填充水化产物之间空隙的作用，使得微结构更加致密、降低毛细孔率；火山灰效应使得材料可以更好地产生第二次水化反应，消耗 Ca(OH)2 形成 C-S-H 凝胶来进一步完善界面过渡区结构。

1.3 缓凝剂与延迟水化调控机制

缓凝剂降低早时期水化速率，延长大体积混凝土凝结时间，使混凝土在更宽的施工温度内可正常施工，对于大体积混凝土和高温季节混凝土施工非常有利，缓凝剂在作用机理上起到的作用是推迟了水泥颗粒表面反应性、延缓了水化产物生成速度、降低了混凝土内部温升峰值，并避免了因温度应力引起的收缩裂缝。

二、力学性能影响实验研究与分析

2.1 评价抗压强度和掺量的关系

混凝土的抗压强度是反映其力学性能的主要指标。通过调节不同的减水剂、矿物掺合料掺量组合，结合 28 天、90 天强度，得出其掺量对于混凝土 28 天和 90 天抗压强度的影响情况。经实验表明，适量高效减水剂在水胶比大于 50% 时，可以大幅提高28 天及 90 天的抗压强度；矿物掺合料掺量 15%-25% 时能够促进后期强度的发展，并且还可以保证前期的强度增长趋势，高掺量矿物掺合料由于填充作用及二次水化作用提高强度，但过高的掺量由于活性不够而造成强度降低。

2.2 抗折强度、弹性模量的检测分析

混凝土抗折强度、弹性模量是评价其韧性、承载力及弹性性能好坏的重要参数，作者通过三点弯曲试验以及静载弹性模量测试方法对比了各类外加剂对混凝土抗折强度与弹性模量的影响，测试结果表明：不同外加剂体系下混凝土抗折强度均有所增加，在 25%～34% 范围内，弹性模量变化比较平缓且大部分情况均有增加，同时弹性模量的增加说明了混凝土刚度的增大以及变形速度的减小，此类性能提高了混凝土在受弯或者回弹的状态下有良好的耐久性抗裂能力，可以满足某些高载荷与高耐久性的工程。

2.3 粘结性能、界面抗裂性能评价

混凝土中水泥浆—粗骨料间的界面过渡区是整个混凝土结构中的最薄弱部分，掺入矿物掺合物、高效减水剂等可以改善界面结构。用拉拔和微观形貌观察评价混凝土界面抗裂能力，并分析各组配合比下的界面抗拉强度、裂缝扩展情况。研究结果表明适量掺合料造成的细小填料填充作用能显著降低界面孔隙率，使裂缝扩散路径更长、更曲折，界面韧性变好，界面结构得到改善；改善了界面的抗裂性和抗剪性能，能为实际工程中高效混凝土的应用提供参考依据。

三、耐久性机制与综合性能分析路径

3.1 抗渗性能及孔隙结构评价的方法

抗渗性能是耐久性的评价参数之一，以压力渗透试验表征毛细孔和连通孔对水渗透的能力。试验使用标准渗透性测试装置测定压力下渗透深度和渗速差异，掺加矿物掺合料的混凝土渗透深度明显小于未掺矿物掺合料的普通混凝土，主要原因是孔隙率的下降。由多级孔径分布可知，细孔含量增多、中毛细孔数量有所减少，提高了抗渗性能；通过使用高效减水剂来降低水胶比，且其形成的孔隙更加均匀，利于提高混凝土抗渗性能。从孔隙结构来看，对材料微结构进行了调节，可获得耐久机制的相关证据。

3.2 抗冻融循环性能评价路径

混凝土因受冻融环境而发生水冻胀-融缩反复的变化，在产生冰冻胀缩应力的过程中会使混凝土内部产生应力导致出现裂纹。用冻融循环试验检测混凝土质量损失率和强度降低幅度来评价不同的外加剂配合体系对混凝土的耐冻性。由试验结果可知，掺矿物掺合料和减水剂的高性能混凝土冻融循环次数达 50 次之后强度损失小于 5% ，质量损失少于 2% ；孔隙细化以及均匀水胶结构有利于抵抗冻融破坏，缓凝剂能够有效减少内部裂纹，改善冻融稳定性，延长结构耐久周期。

3.3 抗碳化性能分析和碳化深度计算

在 CO2 环境中，混凝土的碳化反应会导致碱度下降和钢筋的防锈能力下降。利用加速碳化试验模拟长期的环境影响，通过比较不同外加剂条件下的碳化深度得出结论：碳化深度随时间呈线性增长；有矿物掺合料、高效减水剂的混凝土碳化速率较慢；孔隙率的降低和碳化反应的阻挡作用使混凝土碳化深度较普通混凝土低约 30% ，提高抗碳化性能可提高钢筋保护能力及混凝土结构耐久性。

3.4 长期性能和寿命预测模型建立

依据力学性能、耐久性能试验数据，利用多变量回归法或机器学习的方法预测出在 50 年以上所处环境中的力学性能；对所掺入外加剂的掺量、强度的发展趋势、渗透性的变化、碳化速率以及冻融耐久性等方面的参数进行综合建模来创建寿命评估模型；输出包括裂缝的趋势、强度的衰减速度、耐久性的边界以及寿命的计算等，能将数值化的工程设计参数转化成能够进行量化的判断。用于对项目的性能验证与结构优化方案的确定。

结束语

高性能混凝土的关键是通过合适的外加剂系统的配合比例达到提高效率，提高减水剂、矿物掺合料和缓凝剂配合比的有效度，可以大大提高混凝土的抗压强度、抗折强度以及粘结力，同时也提高了混凝土的抗渗、抗冻融、抗碳化性能；耐久性试验表明了有效微结构致密化与孔隙控制的重要性；长期性能模型是测定混凝土服役期寿命及进行结构优化的有效手段。

参考文献：

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