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品

土木建筑中高性能混凝土材料的性能分析

韩永光 和周天华 1 重庆市职业学院建筑工程学院，重庆400044;hans0537@126.com2 长安大学土木工程学院，习安710054* 通信：zhoutianhua@chd.edu.cn

引自：Han， Y.;周， T. 土木建筑中高性能混凝土材料的性能分析.材料 2023， 16， 5711.https://doi.org/10.3390/编号：MA16165711
学术编辑：Francesco Fabbrocino
收稿日期： 2023-05-09
修订日期：2023 年 8 月 17 日
录用日期： 2023-08-18
出版日期：2023年8月21日
版权所有：© 2023 作者 被许可人 MDPI，瑞士巴塞尔。本文是一篇开放获取文章，根据知识共享署名 （CC BY） 许可 （https:// 的条款和条件分发creativecommons.org/licenses/by/ .

抽象

本文开发了C50高性能混凝土的力学耐久性试样，研究了不同矿物粉和粉煤灰的矿物外加剂混凝土的力学性能、抗裂性、抗硫酸盐侵蚀性、抗冻性和抗渗性，并获得了矿物粉和粉煤灰的最佳矿物外加剂，以提高高性能混凝土的性能。结果表明：当制备的矿物粉末与粉煤灰的比例为3：2时，掺杂效果最好。随着矿粉-粉煤灰外加剂的增加，高性能混凝土的坍落度和膨胀率先迅速减小，后缓慢减小。总的来说， 兴奋剂是转折点;混凝土的抗压强度和抗弯强度先缓慢下降，然后迅速下降。采取 以外加剂为转折点， 的矿物粉粉通常选用粉煤灰。通过混合和添加一定比例的粉煤灰和矿粉外加剂，增强了混凝土的抗裂性，减少了收缩和开裂。耐腐蚀系数将超过 ，相对动弹性模量将超过 ，不渗透等级将达到P17。通过添加矿物外加剂，可以提高混凝土的耐久性。

关键词：土木建筑;高性能混凝土;机械性能;耐久性;建材;腐蚀

1. 引言

在土木工程中，正确选择建筑材料对项目的发展至关重要。随着科学技术的发展，房屋建筑将使用多种材料来提高性能[1]。面对日益增长的需求，高性能混凝土的广泛应用推动了现代建筑向更大、更强、更环保的建筑方向发展。高性能混凝土强度高，可以替代传统混凝土，具有经济效益和社会效益[2]。工程环境的恶化和化学腐蚀加大了对高性能混凝土的影响。各种破坏性因素降低了混凝土构件的稳定性和耐久性，延迟了使用寿命，甚至造成安全隐患。因此，为了应对冻融、化学腐蚀等影响，耐久性优异的高性能混凝土的研究成为国际研究热点[3]。
本研究旨在分析高性能混凝土的特性，找到最佳的矿粉粉-粉煤灰复合外加剂，为民用建筑混凝土的选择提供数据支持，为从业人员和决策者提供参考，并为未来的研究方向提供见解。通过分析高性能混凝土，矿物外加剂的掺入具有重大的技术创新意义。虽然对高性能混凝土在民用建筑中的性能进行了研究，但仍存在一些不足。以前的研究
可能仅限于对高性能混凝土的深入分析，而没有全面检查其在不同环境条件下的实际性能。实际应用受到成本和制备工艺的制约，需要深入研究不同环境中的性能变化。最后，需要对经济评价进行更多的研究，以确保高性能混凝土的长期可行性。虽然已经取得了进展，但还需要进一步的研究，以更全面地了解高性能混凝土在土木建筑中的应用。
在Guo等人的研究中，研究了烟气脱硫石膏作为水泥和混凝土外加剂的热处理和利用[4]。探讨了烟气脱硫（FGD）石膏作为水泥和混凝土外加剂的潜在应用。如Li等[5]所述，采用NEL方法和ASTM C1202方法评估了钢渣混凝土的耐磨性及其对氯化物渗透的抵抗力。按照Zhang等[6]概述的方法，通过汞侵入和快速冻融方法评估了外加剂对混凝土强度和抗冻性的影响，并保持一致的水/粘合剂比例。Zong研究了复合外加剂在冻井衬砌混凝土施工中的应用，为优化混凝土外加剂含量的配合比例提供了数据[7]。他等人采用ASTM C1202研究了矿物外加剂对新型混凝土复合体系中氯离子渗透阻力的影响[8]。Li等人采用环形试验方法研究了复合矿物外加剂混凝土的早期开裂特征，包括钢渣、高炉渣和粉煤灰[9]。Yu等人解决了普通水泥混凝土（OCC）遇到的全球渗透性问题，该问题通过缩短寿命和增加维护成本对建筑和基础设施产生负面影响[10]。他们提出了一种改进OCC渗透性的策略，即引入一种由四种化学外加剂组成的新型复合外加剂，即填充剂 、减水剂（WR）、氟硅基剂（FB）和膨胀剂（E）混合到新鲜混凝土中。Lu等人使用常用的矿物外加剂（包括炉渣、粉煤灰和硅粉）研究了醇胺化合物防锈剂对混凝土性能的影响。该研究的重点是评估这种防锈剂对混凝土配方的抗压强度、耐氯化物渗透性、耐碳化性和钢筋耐腐蚀性的影响，其中掺入了大量矿物外加剂[11]。添加硅粉以增强高性能混凝土的强度也带来了严重的自干和收缩问题，伴随着不断增加的用水需求，无法缓解温度问题。研磨炉渣有助于减少耗水量，但会导致干燥和收缩。掺入粉煤灰可减轻自干收缩并减少需水量，但代价是碳酸化性能受损[11-13]。研究人员有效地利用了混凝土中多种矿物外加剂的协同作用，取得了更好的效果[14-16]。混凝土是建筑的基石材料，各种大型项目都需要更高的混凝土结构和性能标准。随着工程环境变得越来越复杂和苛刻，混凝土性能面临着更高的期望，优化高性能混凝土材料配置对土木工程构成了重大挑战[17]。抗压强度是评估粉煤灰混凝土力学性能的指标[18]。本研究以高性能混凝土为中心，分析其属性，对C50高性能混凝土进行力学和耐久性试验，确定矿物粉粉-粉煤灰复合复合材料的最佳外加比 .本研究的核心目的是探索混凝土掺杂特性，从而为提高高性能混凝土的整体性能提供理论支持。

2. 材料与方法

2.1. 高性能混凝土的特性

高性能混凝土具有许多性能优势，其在土木工程中的应用将大大提高土木工程的质量，促进土木工程的可持续发展。高性能混凝土最重要的优点是其优异的致密性和抗渗性，其流动性和抗偏析性更好[19]。在准备高性能混凝土时，弹性模量应设置为 ，且干燥收缩率应小于 保证其体积的稳定性，不易改变，使高强度、高性能混凝土发挥极好的作用[20]。
影响混凝土性能的主要因素是水粘结剂比和胶凝材料。通过在混凝土中添加各种矿物外加剂，可以调节粘结剂比例和胶凝材料的用量，从而实现对土木工程中可加工性和力学性能的影响[21]。高性能混凝土通过添加矿物和外加剂可以满足民用建筑的实际要求。

2.2. 测试方法

本文将采用不同的水粘结剂比例、胶凝材料用量、添加剂用量和C50高性能混凝土的矿物外加剂来分析高性能混凝土的力学和耐久性变化。高性能混凝土的性能包括力学性能、抗裂性、抗冻性、抗渗性等。
高性能混凝土的力学性能试验将按照水泥混凝土试验规定进行。用于无侧限抗压强度试验的试样是 立方体，将固化期设置为指定的年龄测试，并以 .大小为 用于抗弯强度试验，其固化周期设定为指定时间。
通过混凝土的早期开裂来评价早期的抗裂性实验。在测试中，将试样设置为不同的温度、湿度和时间固化周期，并将测试环境设置为温度、湿度、无风和有风条件。标本 试验中使用钢筋，模具中采用钢筋来抑制平板的收缩。总的来说， 试样成型后，将混凝土表面以风速吹干 ，并记录试样的开裂时间和裂纹次数，直到达到至少的时间 .
硫酸盐耐腐蚀试验主要基于普通混凝土的长期性能标准和耐久性试验方法。样品由 混凝土样品，分为 5 组。在测试中，在样品固化前两天，将要固化的样品干燥并将它们放入 烤箱，烘烤它们 直到它们干燥，然后在干燥的环境中自然冷却至室温，然后将它们放入样品盒中。倒 溶液温度 进入并浸没试样表面至少 .浸泡后，清空溶液并在半小时内风干。风干后，将试样箱内温度升高至 并烘烤它 .干燥后，冷却至室温，重复干燥和润湿循环数次，然后测试试样的抗压强度。
抗冻性试验主要基于公路工程用水泥和水泥混凝土的试验规定。标本是 ，并进行了50次、100次、150次、200次、250次和300次的冻融循环试验，测量其相对动弹性模量。
对于抗渗性试验，根据普通混凝土的长期性能和耐久性试验方法，六个锥形试件，上径
，下部直径 和高度 都准备好了。初始压力设置为 在测试中，以及 每隔一次增加水压 .当 6 个锥形试样中有 3 个在压力下水溢出时，测试停止。
本文的实验顺序是根据实验需要制作不同掺杂比的实验混凝土试样。首先，依次测试了其力学性能（抗压和抗弯）、抗裂性、抗冻性和抗渗性，以优化最佳掺杂比;
振动台应符合现行行业标准《混凝土试验用振动台》IG/T245的有关规定，振动频率应为 和 ，振动台中心点的垂直振幅应为 和 在空载下。夯实器应符合现行行业标准《混凝土坍落度计》JG/T 248的有关规定，直径为 长度 .
在 ，末端应该是半球形的。橡胶锤或木槌的锤头质量应为 .试样成型前，应检查试模尺寸，并符合本标准有关规定;将测试模具擦拭干净，并在测试模具的内壁上均匀涂上一层薄薄的矿物油或其他不与混凝土发生反应的隔离剂。试验模内壁上的隔离剂应均匀分布，无明显沉积。在混凝土混合物进入模具之前，应确保其均匀性。应根据混凝土混合物的稠度或试验目的，确定合适的成型方法，混凝土应完全致密，避免分层和偏析。

3. 结果

3.1. 高性能混凝土材料的力学特性

在高性能混凝土材料的力学实验中，矿物外加剂的比例决定了混凝土的性能。在本文中， 矿物粉和 根据粉煤灰的抗压强度、抗弯强度和不同组分的百分比进行详细检查[22]。矿物粉复合矿物外加剂应按矿物粉的比例配制：粉煤灰 .进行不同质量的复合矿物外加剂对混凝土力学性能的影响，确定外加剂的最佳范围，以获得具有高力学性能的高性能混凝土。
在测试过程中，复合矿物外加剂的混合量设定为 , 和 分别。掺配量主要是指水泥和矿物外加剂总量的比例。表1显示了不同量矿物粉粉混合矿物外加剂的混合比例。胶凝材料的总量为 ，水粘结剂比为0.33，砂比为0.33 .混凝土浇筑温度应根据当地气象条件和混凝土施工需要确定。一般来说，混凝土浇筑温度应在 和 .如果温度低于 ，混凝土的凝固时间会延长，导致混凝土强度下降;如果温度高于 ，混凝土会凝固得太快，容易开裂变形。
表 1.混合不同用量的矿物粉末-粉煤灰复合矿物混合物。
混合
金额 （%）
水泥 （kg） 粉煤灰 （kg）
矿物
粉末 （kg）
沙子 （kg） 砾石 （kg） 水 （kg） 添加剂 （kg）
0 1000 165
0 470 0 500 1000 4.8
15 410 25 35 500 1000 165 4.8
30 350 50 70 500 1000 4.8
45 260 90 120 500 165 4.8
60 180 120 170 500 1000 165
在本实验中，测试了不同矿物粉和粉煤灰等矿物外加剂混凝土的力学性能。实验方法参见GB/T 50082-2009《混凝土耐久性和长期力学性能试验方法》。表2显示了复合矿物掺合量对混凝土力学性能的影响。图1显示了复合矿物掺合量对混凝土坍落度和膨胀的影响，图2显示了复合矿物掺合量对混凝土坍落度损失的影响。
表 2.复合矿物掺合量对混凝土加工性的影响
矿物粉-苍蝇
灰分 （%）
坍落度 （cm） 膨胀 （cm）
30 分钟坍塌
损失 （cm）
最小坍塌
损失 （cm）
16 34 5.4 7.4
19 40 3.2 5.2
23 53 2.5 4.6
23 55 2.5 4.6
21 55 2.1 4.1
图 1.复合矿物掺合量对混凝土加工性的影响。
图2.复合矿物掺合量对混凝土坍落度损失的影响
从图表可以看出，不同用量的矿物粉粉-粉煤灰复合掺合剂对混凝土的力学性能有明显的影响。当复合矿物掺合剂的用量逐渐增加时，高性能混凝土的坍落度和膨胀量会迅速增加。当剂量达到超过 ，混凝土会表现出更大的流动性，当用量超过时，混凝土的坍落度和膨胀度会缓慢增加 .随着复合矿物掺合剂用量的增加，混凝土的坍落度损失先快速减小后缓慢减小，且 是转折点。
通过实验获得了不同用量复合矿物外加剂的抗压强度和抗弯强度。表3显示了复合矿物外加剂对混凝土力学性能的影响。图3显示了复合矿物掺合量对混凝土抗压强度的影响。图4显示了复合矿物外加剂用量对混凝土抗弯强度的影响。
表 3.复合矿物外加剂对混凝土力学性能的影响.
矿物
粉蝇
灰分 （%）
3天
压缩
强度（MPa）
压缩
强度（MPa）
压缩
强度（MPa）
7 d 弯曲
强度（MPa）
7 d 弯曲
强度（MPa）
28 d 弯曲
强度（MPa）
29 41 46 4.5 5.6 6.1
27 42 46 4.0 5.1 5.8
26 38 43 3.7 4.7 5.2
26 35 41 3.4 4.2 4.8
23 33 39 3.0 3.6 4.6
图3.复合矿物掺合量对混凝土抗压强度的影响
图4.复合矿物掺合量对混凝土抗弯强度的影响。
从附图中可以看出，混凝土的抗压强度和抗弯强度随着复合矿物掺合剂用量的不断增加
，先缓慢下降后迅速下降。当金额为 ，混凝土的强度没有明显变化。当外加剂量超过 ，混凝土的抗压强度和抗弯强度会迅速下降。这主要是因为水泥的水化作用逐渐提高了复合矿物外加剂中矿物粉和粉煤灰的活性，促进了游离氧化钙和高碱性C-S-H的二次水化反应，提高了混凝土的强度。因此，C50高性能混凝土的复合矿物外加剂应 .考虑到混凝土性能的稳定性和经济成本，矿物粉-粉煤灰复合矿物掺合剂的用量一般 .
从图5可以看出，自干收缩率也随着矿粉含量的增加而减小，矿粉含量越大，收缩率越小。结果表明，矿粉的添加对低水粘结剂比高性能混凝土的自干收缩具有显著的抑制作用，且这种抑制作用随着矿粉含量的增加而更加明显。
图5.矿粉含量对密封条件下混凝土收缩率的影响 .

3.2. 高性能混凝土材料的耐久性特性

通过实验研究了C50高性能混凝土的抗裂性、抗硫酸盐侵蚀性、抗冻性和抗渗性。采用收缩-开裂模型对混凝土早期开裂模型进行定量分析，并利用模型预测不同类型混凝土的收缩开裂情况。导致混凝土收缩开裂的主要因素有温度变形、收缩变形、干燥收缩变形、弹性模量、抗拉强度等[22]。这些因素都与时间有关，并随时间动态变化。通过板约束试验研究了矿物外加剂对高性能混凝土抗裂性的影响。表4显示了C50高性能混凝土的开裂情况 .从表4可以看出，与不含粉煤灰或矿粉的混凝土相比，掺入一定比例的粉煤灰和矿粉外加剂，可直接提高高性能混凝土的早龄抗裂性。通过添加
粉煤灰，增强了混凝土的抗裂性，降低了收缩率，减少了开裂，但添加矿粉的效果并不明显。
表 4.C50高性能混凝土的开裂。
不。 开裂时间 （h）
平均开裂
面积
每个裂缝数
单位面积（每件/平方米）
总裂解面积
单位面积
（与FMH+KF混合） 19 21 8 203
（与FMH混合） 14 30 11 300
（与KF混合） 10 124 16 1754
（参考样本） 7 141 19 2250
本文利用干湿循环后试样抗压强度的变化来表征混凝土的损伤。表5显示了C50高性能混凝土的抗硫酸盐侵蚀性。从表5可以看出，与参考样品相比，添加矿物外加剂后混凝土的抗硫酸盐性能明显提高。同时，与粉煤灰和矿物粉末混合的混凝土的耐腐蚀性同时优于单独与任何人混合的混凝土。当在混凝土中加入复合矿物外加剂时，耐腐蚀系数 和 以上 .仅粉煤灰混凝土的耐腐蚀系数小于 ，说明粉煤灰对提高混凝土抗硫酸盐性能的作用并不明显。仅矿物粉末混凝土的耐腐蚀性大于 在早期和后期，表明矿物粉有助于提高混凝土的抗硫酸盐性能。因此，一定比例的粉煤灰和矿物粉可以显著提高混凝土的早期和晚期抗硫酸盐性能。
表 5.C50高性能混凝土的抗硫酸盐腐蚀性能。
不。
28 d 腐蚀
电阻系数
7 d 腐蚀
电阻系数
（与FMH+KF混合） 88 89
（与FMH混合） 74 81
（与KF混合） 86 82
（参考样本） 73 75
对于混凝土来说，它的抗冻性对其耐久的使用寿命有很大影响。当土木工程项目位于恶劣地区时，其抗冻性要求非常严格。在本文中，相对动态模量 通过实验测试了不同冻融循环下的混凝土。表6显示了不同冻融循环下混凝土的相对动态模量。从表6可以看出，与仅添加或不添加矿物外加剂的混凝土相比，添加矿粉粉煤灰矿物外加剂可以显著提高高性能混凝土的抗冻性。当冻融循环次数超过300次时，C50高性能混凝土的相对动模量将超过 .粉煤灰混凝土的相对动弹性模量高于矿粉，说明粉煤灰对提高混凝土的致密性和抗冻性有很好的效果。
表 6.不同冻融循环下混凝土的相对动态模量.
不。 冻结周期（次）
相对弹性模量（%）
（与FMH+KF混合） 99 98 97 96 95
（与FMH混合） 95 94 90 88 85
（与KF混合） 91 88 83 79 76
（参考样本） 84 81 78 70 51
混凝土的不渗透性是造成混凝土上氯离子腐蚀的主要原因。本文通过仅用一种矿物外加剂和复合矿物外加剂在28 d时测试混凝土的抗渗等级，分析了矿物外加剂对混凝土抗渗性的影响。混凝土的抗渗性如表7所示。从表7可以看出，复合矿物外加剂有助于提高混凝土的抗渗性，等级达到P17，完全符合土木工程对混凝土不渗透性的要求。仅混合一种矿物外加剂也可以有效提高混凝土的抗渗性。仅（KF）和仅（FMH）混凝土的抗渗等级达到P11和P13，而参考混凝土的抗渗等级仅为P5。因此，通过添加矿物外加剂可以有效地提高混凝土的抗渗性。
表 7.混凝土的不渗透性。
测试结果 参考样品 （与KF混合） （与FMH混合） （与FMH+KF混合）
水压
第三个标本
渗出时（MPa）
0.7 1.3 1.5 1.9
渗水等级 小五 第11页 第 13 页 第 17 页

4. 讨论

本论文旨在研究高性能混凝土材料在民用建筑中的关键性能特征，包括抗压强度、耐久性、裂缝控制和可持续性的分析，以指导建筑领域基于科学数据的材料选择和工程应用。通过对不同配比、外加剂、施工工艺的综合研究，加深对高性能混凝土的认识，为实际工程应用提供可行的建议。
（1）本文中矿粉与粉煤灰的比例为3：2，在混凝土中混合了不同量。随着外加剂的增加，混凝土的坍落度和膨胀率先减小后慢，外加剂 是转折点。随着矿粉-粉煤灰复合矿物外加剂的增加，混凝土的抗压强度和抗弯强度先降低，后迅速下降。当外加剂 ，混凝土强度的变化不明显。当外加剂超过 ，混凝土的抗压强度和抗弯强度迅速下降。混合矿粉后，混凝土的收缩率在一天内变化很大，用量越大，混凝土的收缩率越小。一般 矿物粉末-粉煤灰复合矿物外加剂采用;
（2）一定比例的粉煤灰和矿粉掺合剂可直接提高高性能混凝土的抗早期抗裂性;粉煤灰可以增强混凝土的抗裂性，减少收缩和开裂，但矿物粉的作用并不明显。当复合矿物外加剂掺入混凝土中时，混凝土的耐腐蚀性将大于 ，而单独使用粉煤灰的混凝土的
耐腐蚀性小于 .经过300多次冻融循环后，C50高性能混凝土的相对动模量将大于 ，粉煤灰单一掺混的混凝土的相对动态模量高于单一掺合矿物粉的混凝土。复合矿物外加剂有助于提高混凝土的抗渗性，将达到P17级。仅掺合一种矿物外加剂也能有效改善混凝土的抗渗性，对于仅 （KF） 和仅 （FMH） 混凝土，混凝土的抗渗性等级达到 P11 和 P13。矿物外加剂的混合物有助于提高混凝土的耐久性。
与单一外加剂的研究相比，复合外加剂的使用可以涵盖更多的材料组合，从而更全面地了解不同外加剂对混凝土性能的多维影响，为混凝土的应用提供更科学的依据。
粉煤灰和矿物粉末复合混合物的混凝土具有多种优点。将这些辅助材料粉煤灰和矿物粉尘引入混凝土准备过程中，不仅可以显着提高混凝土的强度和耐久性，还有助于改善流动性和可加工性，使施工更容易。这些材料的硅酸盐和铝酸盐成分参与水泥的水化反应，增强了混凝土的基体结构，有效抑制了温升和裂缝的形成。同时，在环保方面，废物的再利用有助于减少资源消耗，实现可持续建设。此外，粉煤灰和矿物粉的加入还可以减缓干燥和收缩，降低开裂的风险。但配比应根据具体情况合理化，充分考虑不同来源和性能对混凝土性能的影响，确保混凝土符合设计要求。
然而，外加剂的来源和质量会对实验结果产生影响，需要保证实验的一致性和可重复性。尽管实验室条件下的结果提供了对复合外加剂效果的见解，但在实际工程应用中，存在环境、结构和耐久性等因素，需要更多的实际验证和深入研究。

5. 结论

本文以C50高性能混凝土材料为研究对象;通过分析高性能混凝土的性能特点，研究了不同用量矿粉-粉煤灰复合外加剂混凝土的力学性能、抗裂性、抗硫酸盐性、抗冻性和抗渗性;得到了最优的矿物粉粉-粉煤灰复合外加剂，为提高高性能混凝土性能提供了理论数据支持。主要研究成果如下。
实验证明，选择 磨碎的矿物粉末-粉煤灰作为复合矿物外加剂，最能有效保证混凝土的抗压强度和承载强度。
粉煤灰和矿物粉的混合掺合可以显著增强高性能混凝土的抗裂性、耐腐蚀性和耐久性，并改善抗渗性。
本论文的性能分析为民用建筑中的高性能混凝土材料提供了有益的讨论;然而，通过结合更多的性能指标、丰富的实验数据、深入的机理分析和实际应用的案例研究，可以进一步提高研究的深度和实用性。此外，考虑到可持续性和未来趋势，也将为高性能混凝土领域的发展提供更全面的视角。

抽象

作者贡献：概念化，Y.H.和T.Z.;方法论，Y.H.;软件，T.Z.;验证，T.Z.;形式分析，Y.H.;调查，T.Z.;资源，Y.H.;数据管理，Y.H. 和 T.Z.;Y.H.和T.Z.撰写原始草稿准备;写作审查和编辑，Y.H.和T.Z.;可视化，Y.H. 和 T.Z.;监督，Y.H.和T.Z.;项目管理，T.Z.所有作者均已阅读并同意该手稿的出版版本。

资金：这项研究没有获得外部资金。
数据可用性声明：用于支持本研究结果的数字包含在文章中。
致谢：作者衷心感谢那些为这项研究做出贡献的技术。
利益冲突：作者声明没有利益冲突。

引用

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