摘要：通过混凝土透气性、相对抗渗性、抗氯离子渗透和压汞等试验分析高性能混凝土（HPC）的密实性。相对于普通混凝土，HPC的气体扩散系数和相对抗渗系数较小，掺加5％硅粉和30％粉煤灰的HPC的相对抗渗系数只有普通混凝土的0.5％；HPC具有优良的抗氯离子渗透性能，掺加5％硅粉和30％粉煤灰的HPC相对氯离子扩散系数和有效氯离子扩散系数分别只有1.02×10-12m2/s 和1.96×10-12m2/s，分别是普通混凝土的27.9％和26.7％。高性能混凝土的总孔隙率低，孔结构明显地改善。试验证明：高性能混凝土比普通混凝土更为密实，具有更好的抵抗气体、水和离子渗透的能力。
关键词：高性能混凝土；密实性；透气性；抗渗性；氯离子渗透；孔结构
要维持混凝土的高碱性与钢筋的钝化状态，必须使混凝土具有较高的抵抗气体(二氧化碳和氧气等)、水、离子(氯离子等)渗透的能力，即具有高的密实性。混凝土密实性是平均混凝土耐久性的重要指标。本文从混凝土透气性、相对抗渗性、抗氯离子渗透和压汞试验分析高性能混凝土（High Performance Concrete, HPC）的密实性。
1 HPC配合比
试验采用P·O 42.5级水泥，性能指标符合GB175-1999标准要求。矿物掺合料有：Ⅱ级粉煤灰、S95级磨细矿渣和硅粉，化学成分见表1,根据《高强高性能混凝土用矿物外加剂》（GB/T 18736-2002）测得粉煤灰、磨细矿渣和硅粉的活性指数分别为85.5%、108.2%和107.4%。细骨料采用细度模数为2.78的中砂，粗骨料为5mm～20mm和20mm～40mm碎石。外加剂为萘系高效泵送剂。
经过配合比设计和试拌，确定普通混凝土和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学指标见表3。其中，I配合比的混凝土为普通混凝土，水胶比为0.45, Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ配合比的混凝土为HPC，水胶比皆为0.35。Ⅱ配合比HPC掺加10％粉煤灰和40％磨细矿渣, Ⅲ配合比HPC掺加3％硅粉、20％粉煤灰和40％磨细矿渣, Ⅳ配合比HPC掺加5％硅粉和30％粉煤灰。所有混凝土的砂率为40%，初始坍落度在200mm±10mm之间。普通混凝土含气量为3.2%，三个配合比的高性能混凝土含气量分别为2.2%、2.8%、2.3%和2.3%。
2透气性
透气性反映混凝土密实性，是混凝土耐久性的重要指标之一。混凝土抗碳化性能，主要决定于混凝土的透气性和混凝土中氧化钙的含量。混凝土透气性，直接关系到供氧速度，从而影响钢筋的腐蚀速度。采用DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》附录C进行混凝土透气性试验研究。粒径大于20mm的骨料用湿筛法筛除，每种技术条件成型三块试件，试件尺寸为50mm×ф100mm。成型1天后拆模，试件在20℃±3℃饱和氢氧化钙溶液中养护至56天，测试混凝土的气体扩散系数。Ⅲ配合比HPC 56天气体扩散系数只有2.30×10-7m2/s，比普通混凝土降低了36.0％；Ⅳ、Ⅱ配合比HPC的气体扩散系数依次增大，分别为2.35×10-7m2/s、2.69×10-7m2/s，分别比普通混凝土降低了34.9％、25.5％。试验结果显示三个配合比的HPC具有比普通混凝土更小的气体扩散系数和更好的密实性。
3相对抗渗性
混凝土相对抗渗性试验根据DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》4.22进行，每种技术条件成型六块试件，成型1天后拆模，试件标准养护室中养护至28天，进行混凝土相对抗渗性试验。试验水压1.2MPa，恒压24小时，劈开试件测量渗水高度，计算相对渗透系数，结果见表4。
由表4可以看出，普通混凝土（I配合比）的相对渗透系数最大，达到652.0×10-8cm/h，混凝土密实性较差。HPC的相对渗透系数均小于普通混凝土，说明HPC具有更高的密实性。Ⅳ配合比HPC最为密实，其相对渗透系数最小，只有3.3×10-8cm/h，为普通混凝土的0.5％；Ⅲ配合比HPC也较为密实，其相对渗透系数为46.0×10-8cm/h；Ⅱ配合比混凝土相对渗透系数为148.9×10-8cm/h。
4抗氯离子渗透性能
4.1自然浸泡法
每种技术条件成型试件9个，混凝土试件为100×100×100mm3，混凝土成型后一天拆模，放入标准养护室养护28天，试件取出自然晾干，然后把试件的五个面图上两层环氧树脂，另外一个面作为渗透面，环氧树脂固化后，将试件放入3.5％硫酸钠溶液中，并密封，防止蒸发，并放入养护室。试件浸泡5个月后，钻取不同深度的混凝土，测试其水溶性氯离子含量，结果见表5。
假设混凝土的氯离子渗透符合Fick扩散第二定律，其基本关系式为[1]
式中：x—扩散深度，m；
C(x,t)—在浸泡时间，深度为tx的混凝土的氯离子含量，％；
C0—在浸泡时间＝0， tx＝0处的混凝土的氯离子含量，即氯离子扩散源的氯离子浓度，％；
Dc—有效扩散系数，m2/s；
t—扩散时间，即浸泡时间，本文所浸泡时间为五个月，1.296×107s；
erf—误差函数。
根据表5中的数据和Fick扩散第二定律，运用最小二乘法原理进行曲线拟合，可得氯离子有效扩散系数。普通混凝土（配合比Ⅰ）的氯离子有效扩散系数最大，达到7.34×10cD-12m2/s；配合比Ⅳ的氯离子有效扩散系数最小，为0.91×10-12m2/s，只有普通混凝土的12.4%。配合比Ⅱ、Ⅲ的混凝土的氯离子有效扩散系数分别是1.29×1010-12m2/s和1.96×1010-12m2/s，占普通混凝土的17.6%和26.7%。相对于普通混凝土，高性能混凝土氯离子有效扩散系数显著降低，具有更好的抗氯离子侵蚀性能。
4.2抗氯离子渗透快速试验
参照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》4.29条进行了混凝土抗氯离子渗透快速试验。该方法作为一种简便、快速的方法，具有相当的实用价值，可作为对自然浸泡法的补充。在直流电压作用下，氯离子能透过混凝土试块向正极方向移动，测量流过混凝土的电荷量，就能反映出透过混凝土的氯离子量，测量混凝土试件电导，与测量电荷一样，也能评定混凝土抵抗氯离子渗透性能。混凝土抗氯离子渗透快速试验参照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》4.29条进行。每种技术条件成型三个试件，试件尺寸为直径100mm、厚50mm的圆盘型混凝土试件，粒径大于20mm的骨料用湿筛法筛除。试件在20℃±3℃饱和氢氧化钙溶液中养护至28天，测试混凝土的电阻，计算相对氯离子扩散系数，结果见表6。由表6看出，普通混凝土的相对氯离子扩散系数最大，达到3.65×10-12m2/s；Ⅳ配合比HPC相对氯离子扩散系数最小，为1.02×10-12m2/s，不到普通混凝土的三分之一。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ配合比HPC的相对氯离子扩散系数分别是普通混凝土的54.8%、46.0%、27.9%。混凝土抗氯离子渗透快速试验证明高性能混凝土具有比普通混凝土更好的抗氯离子渗透能力。
表6 混凝土相对氯离子扩散系数
5孔结构
取四个配合比混凝土硬化水泥浆体颗粒，放入烘箱在105℃下烘干，进行压汞分析。Ⅰ配合比普通水泥浆体的总孔隙率最大，达到0.311cm3/cm3，有害孔和多害孔的孔隙率为0.1047cm3/cm3，占总孔隙率的33.7%，无害孔的孔隙率只有0.0512 cm3/cm3，占总孔隙率的16.5%。Ⅱ配合比HPC的浆体的总孔隙率最小，只有0.210cm3/cm3，比普通水泥浆体降低32.5%，有害孔和多害孔的孔隙率大大降低，为0.0417cm3/cm3，占总孔隙率的19.9%，无害孔的孔隙率为0.1179cm3/cm3，占总孔隙率的56.1%。Ⅲ配合比HPC浆体的总孔隙率小于普通水泥浆体，为0.269cm3/cm3，有害孔和多害孔的孔隙率降低，为0.0548 m3/cm3，占总孔隙率的20.4%，无害孔较多，孔隙率为0.1854cm3/cm3，占总孔隙率的68.9%，比普通水泥浆体增加2.62倍。Ⅳ配合比HPC浆体的总孔隙率小于普通水泥浆体，为0.282cm3/cm3，有害孔和多害孔的孔隙率降低，为0.0398cm3/cm3，占总孔隙率的14.1%，无害孔的孔隙率为0.1130cm3/cm3，占总孔隙率的40.1%。
Ⅰ配合比普通混凝土浆体最可几孔的孔径为86nm；Ⅱ和Ⅲ配合比HPC浆体最可几孔的孔径均为4.6nm，显著小于普通水泥浆体；Ⅳ配合比HPC浆体最可几孔的孔径稍大，但也明显小于普通混凝土将体最可几孔的孔径，为40.4nm。
压汞分析结果显示：普通水泥浆体的总孔隙率最大，有害孔和多害孔比例较大，浆体密实性差；高性能混凝土浆体更为密实，孔结构得到明显的改善，总孔隙率降低，有害孔和多害孔明显减少，无害孔显著增多，最可几孔的孔径显著减小。这必将减少氯离子、水、氧气、二氧化碳、盐类等介质的渗透，提高混凝土耐久性能。
高性能混凝土孔结构得到改善的原因有两个，一个是，水胶比低，优质高效减水剂使得多余的水分减少，减少了多余水分留下的孔隙；另外一个是，硅粉、粉煤灰、磨细矿渣等掺合料具有显著的微集料效应、填充效应、火山灰效应以及多种掺合料共掺时产生的超叠加效应，使得氢氧化钙晶体减少，二次水化产生的C-S-H凝胶填充孔隙，使得大孔减少，孔径变细，改善了孔的结构。
6结论
（1）高性能混凝土比普通混凝土更为密实，具有更小的气体扩散系数、相对渗透系数、相对氯离子扩散系数和有效氯离子扩散系数,抵抗气体、水、离子渗透的能力提高。
（2）高性能混凝土水胶比小，并使用大量矿物掺合料，硬化浆体的总孔隙率低，有害孔和多害孔明显减少，无害孔显著增多，最可几孔的孔径显著减小，孔结构得到改善。
参考文献:
[1]P.S.MANGAT, B.T.MOLLOY. Prediction of long term chloride concentration in concrete[J]. Materials and Structures, 1994,27:338-346.
