唐曉雙（上海健研檢測(cè)有限公司， 上海 201315）

大氣中的 CO2可導(dǎo)致混凝土孔隙溶液的碳化反應(yīng)，降低孔隙溶液堿度，造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的脫鈍。大氣和其他環(huán)境中的 O2是混凝土內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕電化學(xué)反應(yīng)的必要條件[1]。此外，由于氣體分子相對(duì)能夠更加容易穿過混凝土材料的孔隙結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)采用氮?dú)獾榷栊詺怏w作為滲流介質(zhì)時(shí)，其滲流過程和滲透系數(shù)能夠更加準(zhǔn)確地反映水泥基材料的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)外部介質(zhì)侵入的抵抗能力，因此氣體滲透系數(shù)的測(cè)量對(duì)于混凝土耐久性的評(píng)估和預(yù)測(cè)具有重要意義[2]，同時(shí)氣體滲透性能測(cè)試方法還有著無損、快速的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

超高性能混凝土性能得到提升的重要原因是其設(shè)計(jì)理論，采用最大堆積密度理論，其組成材料不同粒徑顆粒以最佳比例形成最緊密堆積，其中高效活性礦物摻料是超高性能混凝土達(dá)到最緊密堆積的重要組成。其的摻入有利于改善硬化漿體的水化產(chǎn)物，降低 C-S-H 的鈣硅比（C/S），提高水化凝膠的質(zhì)量，同時(shí)削弱 CH 的負(fù)面影響，并且其內(nèi)部發(fā)生的火山灰反應(yīng)可大大提高混凝土的密實(shí)程度。其內(nèi)部總孔隙率和孔連通性較普通混凝土進(jìn)一步降低，且水分對(duì)孔隙連通性影響更為明顯，氣體更難通過，適用于普通混凝土的測(cè)試方法已經(jīng)不能滿足測(cè)試需求，因此本文根據(jù)試驗(yàn)情況對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。

1 混凝土原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料和配合比

普通混凝土原材料配合比見表 1。

表 1 普通混凝土原材料配合比

1.1.2 超高性能混凝土原材料及配合比

超高性能混凝土配合比參數(shù)見表 2 。

表 2 超高性能混凝土配合比參數(shù)

2.2 試驗(yàn)方法

氣體滲透性測(cè)試方法主要參考 GB 36900.2-2018《低、中水平放射性廢物高完整性容器—混凝土容器》，研究了干燥過程中質(zhì)量損失百分率、恒溫恒濕靜置時(shí)間、壓力范圍對(duì)普通混凝土和超高性能混凝土氣體滲透性能的影響。試件尺寸均為直徑 150 mm、厚度 50 mm。試驗(yàn)采用壓力可調(diào)的混凝土氣體滲透測(cè)試儀。表觀滲透系數(shù)ka按式（1）計(jì)算[3]。

式中：μ—?dú)怏w的動(dòng)黏度系數(shù)，Pa·s；

L—試件厚度，m；

Q—滲透單元出氣嘴的穩(wěn)定氣體流量，m3/s；

patm—測(cè)試條件下的大氣壓力，Pa；

A—混凝土試件橫截面積，m2；

p—滲透單元進(jìn)氣嘴的絕對(duì)壓力，Pa。

根據(jù)式（1）計(jì)算混凝土試件在壓力范圍內(nèi)選取的 4個(gè)進(jìn)氣壓力下的表觀氣體滲透率，然后對(duì)不同壓力下的 1/Pm[滲透單元進(jìn)氣嘴和出氣嘴的平均壓力，Pa，等于（P＋Patm）/2]與對(duì)應(yīng)的表觀滲透率ka按照進(jìn)行線性回歸，所得回歸參數(shù)kv即為試件的固有氣體滲透率（滲透系數(shù)）。

2 超高性能混凝土氣體滲透性能測(cè)試方法優(yōu)化

2.1 測(cè)試壓力范圍優(yōu)化

普通混凝土的進(jìn)氣口測(cè)試壓力范圍為 0.15～0.40 MPa，氣體在這個(gè)壓力范圍下可以順利通過試件，一段時(shí)間后流量在混凝土內(nèi)部達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，得到可信度較高的氣體滲透系數(shù)。但在超高性能混凝土測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)普通混凝土測(cè)試壓力范圍明顯不適用于超高性能混凝土。

通過對(duì)干燥一定時(shí)間后的超高性能混凝土試件采取由低到高的測(cè)試壓力，依次測(cè)試其在各個(gè)壓力下的穩(wěn)定氣體流量。0.15～0.30 MPa 壓力下，流量為 0 或數(shù)值較小但波動(dòng)較大，難以穩(wěn)定；0.3～1.0 MPa 壓力下則可以測(cè)得相對(duì)穩(wěn)定的氣體流量。將試驗(yàn)結(jié)果整理如表 3，由表 3 分析得知，隨著壓力的增長(zhǎng)，氣體流量也會(huì)有明顯的增長(zhǎng)。對(duì)結(jié)果按式（1）進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)氣口壓力為0.30～0.65 MPa 時(shí)，擬合結(jié)果會(huì)有較明顯的偏差，而在0.70 MPa 以上時(shí)，擬合程度較高，可以獲得準(zhǔn)確度較高的滲透系數(shù)，所以 0.70 MPa 的進(jìn)氣口壓力是能獲得較準(zhǔn)確滲透系數(shù)的最小壓力。

表 3 超高性能混凝土在不同壓力下的氣體流量

超高性能混凝土測(cè)試壓力較普通混凝土有較大提升的原因是超高性能混凝土中會(huì)有由 C-S-H 凝膠轉(zhuǎn)化而成的托貝莫來晶體（該晶體具有高密性），同時(shí)鋼纖維之間會(huì)相互搭接，形成交錯(cuò)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而這些網(wǎng)格狀能進(jìn)一步填充混凝土內(nèi)部的孔隙，使混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化，密實(shí)性大大提高。由于超高性能混凝土較普通混凝土孔徑更小更加均勻密實(shí)，低壓力下氣體難以通過，因此在測(cè)試中將進(jìn)氣口壓力范圍調(diào)整至 0.7～1.0 MPa，可獲得較好的測(cè)試結(jié)果和擬合結(jié)果。

2.2 干燥時(shí)間優(yōu)化

文獻(xiàn)[4]表明，在自然狀態(tài)下，水泥基材料會(huì)不同程度地含有液態(tài)水，內(nèi)部孔隙也是由孔隙溶液和氣相孔隙（空氣和水蒸氣地混合物）所組成，在混凝土氣體滲透性能測(cè)試中，氣體需要在連通的氣相孔隙中進(jìn)行，而試件內(nèi)水分的存在會(huì)使氣體的傳輸通路部分或全部打斷，所以孔隙含水狀態(tài)對(duì)氣體滲透系數(shù)有直接影響[5]，因此，在測(cè)試前需要將成型后的試塊放入 60 ℃ 烘箱干燥以減少水分對(duì)氣體滲透性能的影響。不過過短的干燥時(shí)間會(huì)導(dǎo)致混凝土試件內(nèi)部水分含量未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而過長(zhǎng)的干燥時(shí)間又可能會(huì)改變混凝土的密實(shí)形態(tài)，使內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)受損，因此，干燥時(shí)間的選擇對(duì)氣體滲透性的測(cè)試結(jié)果尤為重要。通過在相同條件下對(duì)普通混凝土和超高性能混凝土氣體滲透性能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了兩者在選擇合理干燥時(shí)間上的差異。

2.2.1 干燥時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

（1）普通混凝土在干燥過程中，試件質(zhì)量因內(nèi)部水分干燥而減少，原本因?yàn)楹]塞的孔隙被打開，孔隙連通性增加，滲透系數(shù)隨之增加。在試驗(yàn)中，在前 7 d 每隔24 h 對(duì)試件稱重，每隔 48 h 測(cè)試其氣體滲透性，7 d 后因質(zhì)量損失減緩，所以每隔 48 h 稱重并測(cè)試滲透系數(shù)。采取0.15～0.40 MPa 的測(cè)試壓力范圍，分別測(cè)試 4 個(gè)壓力下普通混凝土的穩(wěn)定氣體流量。

（2）超高性能混凝土在試驗(yàn)中，采取與普通混凝土一樣的稱重和測(cè)試間隔，得出的試驗(yàn)結(jié)論基本同普通混凝土一樣，隨著內(nèi)部毛細(xì)孔內(nèi)自由水不斷被干燥，質(zhì)量不斷減少。但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土質(zhì)量損失速度明顯比普通混凝土要緩慢，干燥 3 d 后質(zhì)量損失逐漸變緩，僅為1～2 g/d；同時(shí)發(fā)現(xiàn)干燥 5 d 前并不能觀測(cè)到氣體流量。對(duì)兩者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，得出不同干燥時(shí)間下的滲透系數(shù)，見表 4。

表 4 混凝土在干燥過程中氣體滲透系數(shù)變化

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過表 4 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）普通混凝土的滲透系數(shù)增在第 7 d 時(shí)發(fā)生了數(shù)量級(jí)上的變化，由 10-18變化為 10-17，之后便一直緩慢增長(zhǎng)，干燥到第15 d的結(jié)果僅比干燥 9 d 增長(zhǎng) 40%。所以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，普通混凝土的干燥時(shí)間為 7 d 即可在提高試驗(yàn)效率的同時(shí)獲得較為可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

（2）超高性能混凝土由于其較普通混凝土更密實(shí)，干燥失水的阻力更大，達(dá)到良好測(cè)試狀態(tài)所需要的干燥時(shí)間也就更長(zhǎng)：干燥至第 5 d 時(shí)，可測(cè)得較為穩(wěn)定的氣體流量，之后隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，孔隙連通性隨著質(zhì)量的減少而逐步增大，滲透系數(shù)也隨之增長(zhǎng)；11 d 時(shí)達(dá)到 3.378×10-20m2，較 5 d 增長(zhǎng)了 70%；隨后增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。所以，根據(jù)干燥過程中滲透系數(shù)的變化情況，超高性能混凝土的干燥時(shí)間應(yīng)≥11 d，才可獲得準(zhǔn)確性較高的滲透系數(shù)。

2.3 恒溫恒濕靜置時(shí)間優(yōu)化

將普通混凝土試塊干燥 7 d 后置于（20±2）℃、（60±5）% RH 的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中靜置 14 d 即可以獲得較好的試驗(yàn)結(jié)果，但在超高性能混凝土靜置前可以測(cè)出通過試件的氣體流量數(shù)值，在靜置 14 d 后測(cè)得的流量為 0。

為了驗(yàn)證這種現(xiàn)象，將干燥 34 d 后的超高性能混凝土試件放入恒溫恒濕箱中靜置，測(cè)試其流量和滲透系數(shù)的變化，試驗(yàn)結(jié)果如表 5 所示。由表 5 可知靜置后試件質(zhì)量增加，通過的氣體流量減小，滲透系數(shù)減小。

表 5 不同靜置條件和壓力下超高性能混凝土的流量和滲透系數(shù)

因?yàn)槌咝阅芑炷磷陨砭哂懈呙苄?，孔徑較小，在靜置過程中恒溫恒濕箱中的水分會(huì)被試件吸收從而打斷本已連通的孔隙，阻斷氣體傳輸路徑，所以恒溫恒濕靜置過程對(duì)超高性能混凝土氣體滲透性的影響更為明顯。同時(shí)，在靜置過程中，混凝土內(nèi)部 C-S-H 中未水化完全的水泥顆粒與水進(jìn)一步反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，凝膠孔被填充，C-S-H 體積減少，密實(shí)度提高，氣體更難以通過[6]。所以,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)該取消恒溫恒濕靜置這一過程以測(cè)得較為準(zhǔn)確的超高性能混凝土氣體滲透系數(shù)。

2.4 穩(wěn)壓時(shí)間優(yōu)化

滲透系數(shù)的計(jì)算取決于氣體在試件內(nèi)部達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的流量。從開始測(cè)試到氣體流量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間即為穩(wěn)壓時(shí)間，穩(wěn)壓時(shí)間的界定對(duì)于指導(dǎo)混凝土氣體滲透性測(cè)試起著重要的作用。一個(gè)恰當(dāng)?shù)臏y(cè)試時(shí)間，可大大提高測(cè)試效率，并保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。

2.4.1 普通混凝土穩(wěn)壓時(shí)間

普通混凝土內(nèi)部孔隙率、大孔含量、孔隙連通性均較高，所以氣體在滲透過程中更易在試件內(nèi)部達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)的狀態(tài)。

在普通混凝土干燥 11～15 d 時(shí)分別測(cè)試其在不同進(jìn)氣壓力下的流量穩(wěn)定時(shí)間，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納并繪制流量隨時(shí)間變化曲線圖（以普通混凝土干燥 11 d 為例），見圖 1。發(fā)現(xiàn)普通混凝土氣體流量在試驗(yàn)前 10 min 普遍處于不穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，10 min 后流量逐漸趨于穩(wěn)定，最后達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間普遍為 10～30 min。因此可以得出普通混凝土的穩(wěn)壓時(shí)間一般都在 30 min 以內(nèi)的結(jié)論。

圖 1 普通混凝土干燥 11 d 流量變化曲線

2.4.2 超高性能混凝土穩(wěn)壓時(shí)間

由于超高性能混凝土內(nèi)部大孔含量與普通混凝土相比明顯減少且凝膠孔含量增加，硅灰的加入還會(huì)進(jìn)一步細(xì)化孔徑，且在其內(nèi)部還有水泥水化物和水蒸氣在局部堵塞毛細(xì)孔徑，此外鋼纖維的摻入也會(huì)使混凝土密實(shí)度進(jìn)一步提高，造成氣體滲透時(shí)阻力較大，氣體達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)。

對(duì)超高性能混凝土進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其流量普遍在前 30 min 內(nèi)有較明顯的增長(zhǎng)，隨后增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩，此時(shí)流量開始逐漸趨于穩(wěn)定，并大多在 60 min 左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（以超高性能混凝土干燥 11 d 后氣體流量隨時(shí)間變化曲線為例，見圖 2）。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以將超高性能混凝土氣體滲透性能試驗(yàn)測(cè)試穩(wěn)壓時(shí)間界定為 60 min，即每個(gè)壓力下的測(cè)試時(shí)間≥60 min，并在 60 min 以后讀取流量，若流量仍未穩(wěn)定，可繼續(xù)觀測(cè)流量變化直至其達(dá)到最后的穩(wěn)定。

圖 2 超高性能混凝土干燥 11 d 流量隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié) 語

（1）通過對(duì)超高性能混凝土測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果將干燥時(shí)間優(yōu)化為 11 d 以上，此時(shí)可達(dá)到一個(gè)良好的測(cè)試狀態(tài)，滲透系數(shù)不會(huì)因干燥時(shí)間增長(zhǎng)有較大變化，所測(cè)得的滲透系數(shù)具有較高的可信度。

（2）優(yōu)化后的測(cè)試方法取消了恒溫恒濕靜置時(shí)間。

（3） 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土的進(jìn)氣口測(cè)試壓力范圍宜調(diào)整優(yōu)化至 0.7～1.0 MPa。

（4）分析得出超高性能混凝土的穩(wěn)壓時(shí)間普遍在 60 min左右，所以在優(yōu)化后的測(cè)試中可以觀察 60 min 以后的流量變化情況，若達(dá)到穩(wěn)定即為最終流量，若仍有變化可持續(xù)觀測(cè)直至流量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定并持續(xù)一段時(shí)間。