高性能混凝土理念契合我国当前行业发展的现状和国家发展的需求[1]，其耐久性也得到了广泛的重视。水分在混凝土中的传输是造成其性能劣化的主要原因[2]，毛细吸水试验是一种广泛应用于评价混凝土内部水分传输的方法[3-4]，在非饱和状态下，水分主要是通过毛细作用进入混凝土内部。贺智敏等的研究[5]表明：相对于标养条件，蒸养混凝土由表及里不同位置呈现更大的毛细吸水梯度，用粉煤灰、矿渣及硅灰复掺等技术均能减少蒸养混凝土的毛细吸水系数。刘世等的研究[6]表明：煤矸石替代30%的粗骨料不会对试件的吸水性产生明显影响，但是当煤矸石替代60%的粗骨料时，试件的吸水性会增大。鲁良辉的研究[7]表明：水灰比越大,混凝土吸水能力越强，当水灰比从0.4增加到0.5、0.6时，混凝土4 h时吸水量分别提高了21.3%、68.4%。
本研究考虑混凝土种类、钢纤维掺量、养护条件等因素的影响，研究了混凝土的毛细吸水特性，分析了孔结构与毛细吸水系数的关系，研究结果为混凝土材料性能分析提供了理论依据。
1 试验简介
1.1 原材料
高性能混凝土(HPC)所用的原材料包括P·O 42.5水泥，Ⅰ级粉煤灰；细骨料采用细度模数为2.6的河砂，粗骨料采用粒径为5～10 mm和10～25 mm的碎石；采用聚羧酸系减水剂，减水率为28%，含固量为20%。
超高性能混凝土(UHPC)所用的原材料包括P·O 42.5水泥，SiO2含量大于90%的微硅粉；石英砂，粒径范围为0.16～0.32 mm、0.32～0.64 mm、0.64～1.25 mm，掺配比例1∶4∶2；氨基磺酸盐高效减水剂，减水率大于25%，含固量29%；直径0.22 mm，长度12～15 mm的钢纤维。
1.2 配合比
采用的HPC30和HPC50高性能混凝土配合比见表1。浇筑后1 d脱模，再放入标准养护室养护至28 d。不同钢纤维掺量UHPC配合比见表2，水胶比均为0.20。浇筑后1 d脱模，再放入高温蒸汽养护箱75 ℃养护3 d。试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm。
表1 HPC30和HPC50配合比
Table 1 Mix proportions of HPC30 and HPC50
编号不同材料的成分/(kg·m-3)水泥河砂粗石细石粉煤灰水减水剂水胶比HPC302207626864571201532.70.45HPC503086935655651321365.30.31
表2 UHPC配合比
Table 2 Mix proportions of UHPC
编号不同材料的成分/(kg·m-3)水泥微硅粉石英砂钢纤维减水剂水钢纤维体积掺量/%UHPC-0.070616014090741220.0UHPC-0.5706160136940741220.5UHPC-1.0706160132980741221.0UHPC-1.57061601289120741221.5UHPC-2.07061601249160741222.0
1.3 毛细吸水试验方法
将待测试件从中间切开，取切断面为测试面，除测试面外，其余面均用环氧密封，待环氧固化后，将试件放入烘箱中105 ℃烘干至质量恒定，冷却至室温后称取质量，精确到0.1 g；将试件放入温度为(20±1)℃的水槽中，测试面向下，测试过程中保持水位始终高于试件底部5 mm，如图1所示。每隔15 min用湿布抹去表面的水分，立即称取试件的质量，测试总时间为8 h。混凝土在毛细作用下溶液吸入量与时间t的1/2次方呈线性关系[8-10]：
i=At1/2+a
(1)
式中：i为单位面积溶液体积吸入量，mL/m2；A为毛细吸水系数，mL/(m2·s1/2)；a为i轴上的截距，mL/m2。
图1 毛细吸水试验示意
Fig.1 Schematic diagram of capillary water absorption test
根据文献[11]，累积毛细吸水高度可根据式(2)计算得到：
I=mr/(bρ)
(2)
式中：mr为试件吸水前后的质量差，g；b为试件接触水的面积，mm2；ρ为水的密度，g/mm3。
由式(2)可知：累积毛细吸水高度的定义中未考虑混凝土孔结构的影响，因此该式并不是实际的累积吸水高度。若已知试件的孔隙率，可得到实际的累积毛细吸水高度。修正后的累积毛细吸水高度采用式(3)计算：
I=100ir/P
(3)
式中：ir为试件吸水一定时间后的单位面积溶液质量吸入量，mL/m2；P为试件的孔隙率，%。
2 试验结果及分析
2.1 混凝土种类
图2给出了HPC30、HPC50及UHPC-2.0在毛细作用下的溶液吸入量随时间变化曲线。可知：不同混凝土试件的溶液吸入量均随时间的增长而增大，前期增长速度快，后期速度缓慢；随着水胶比的增大，溶液吸入量增大，相同时间、不同混凝土的溶液吸入量由大至小始终为HPC30，HPC50，UHPC-2.0，水胶比越高，吸水量越大，毛细吸水系数越大；480 min后三者溶液吸入量分别为1 295.0，986.2，373.3 mL/m2。UHPC-2.0的溶液吸入量仅为HPC30的28.8%，说明UHPC-2.0内部结构密实，孔隙率低(5.0%左右)，主要以孔径10 nm左右的微小孔为主[12]。
—HPC30；
—HPC50；
—UHPC-2.0。
图2 不同混凝土溶液吸入量
Fig.2 Solution absorption amounts of different types of concrete
考虑溶液吸入量随时间变化的规律明显分为两个阶段，采用式(1)将试验结果分为两个阶段进行拟合，由于初始点离散性大，拟合数据从15 min开始，结果见图3。可见：溶液吸入量i与时间t1/2之间存在明显的线性关系，但两个阶段的毛细吸水系数不同，见图4。不同混凝土第二阶段的毛细吸水系数均小于第一阶段的，HPC30第一阶段毛细吸水系数达到了7.66 mL/(m2·s1/2)，而UHPC-2.0第一阶段的仅为1.78 mL/(m2·s1/2)。HPC30、HPC50、UHPC-2.0第一阶段和第二阶段毛细吸水系数比值分别为1.94，1.88，2.26。
—HPC30；
—HPC50；
—UHPC-2.0。
图3 不同混凝土i-t1/2曲线
Fig.3 i-t1/2 curves of different types of concrete
15～180 min;
180～480 min。
图4 不同混凝土的毛细吸水系数
Fig.4 Capillary water absorption coefficients of different types of concrete
2.2 钢纤维掺量
由图5给出采用式(1)拟合得到的不同钢纤维掺量UHPC溶液吸入量i-t1/2曲线。可见：随着钢纤维掺量的增加(0.0%～2.0%)，UHPC的溶液吸入量增大，但Vf为0.0%和0.5%时较接近，Vf为0.0%和0.5%的试件溶液吸入量的曲线几乎是重合的，说明钢纤维体积掺量为0.5%时,对试件密实性影响很小，几乎可以忽略，但钢纤维的掺入可以显著改善其力学性能[13-14];Vf为1.5%和2.0%的试件溶液吸入量也很接近，说明钢纤维掺量达到一定数值后，继续增大对其内部的密实性影响变小。图6给出了拟合得到的毛细吸水系数结果。可知：第一阶段随着钢纤维掺量的增加，毛细吸水系数呈增大的趋势，但Vf为0.0%和0.5%的试件毛细吸水系数接近；第二阶段毛细吸水系数随着钢纤维掺量的增加略微增大，其中Vf为0.0%和0.5%的接近，1.5%和2.0%的接近。说明随着钢纤维掺量的增加，其密实性降低。
—0.0%；—0.5%；—1.0%；
—1.5%；
—2.0%。
图5 不同钢纤维掺量时的i-t1/2曲线
Fig.5 i-t1/2 curves of different fiber contents
—15～180 min；—180～480 min。
图6 钢纤维掺量对毛细吸水系数的影响
Fig.6 Influence of steel fiber on capillary water absorption coefficient
2.3 养护条件
考虑未水化胶凝材料再水化的影响，研究了水中养护和自然养护下UHPC毛细吸水特性。图7给出了两种养护条件下养护360，720 d后试件的溶液吸入量i-t1/2曲线对比结果。可知：水中养护与自然养护360 d试件，在试验前期溶液吸入量曲线几乎是重合的，试验后期水中养护试件的吸入量略小于自然养护的试件，这说明两种养护条件养护360 d后其内部密实度接近；水中养护720 d试件与自然养护试件相比，溶液吸入量始终略大于自然养护试件，可能是再水化作用的影响。
—水中养护360 d；—自然养护360 d；—水中养护720 d；—自然养护720 d。
图7 不同养护条件下i-t1/2曲线
Fig.7 i-t1/2 curves of different curing conditions
图8给出了拟合得到的毛细吸水系数结果。可知：两种养护条件下360 d试件的溶液吸入量和毛细吸水系数均相差不大，说明水中养护360 d时再水化的作用并不显著；水中养护720 d后溶液吸入量略大于自然养护试件，但第一阶段毛细吸水系数小于自然浸泡试件，这可能是浸泡过程中再水化产物体积膨胀，导致其密实度略微降低[15]。
15～180 min; 180～480 min。
图8 养护条件对毛细吸水系数的影响
Fig.8 Influence of curing condition on capillary water absorption coefficient
3 毛细吸水特性与孔结构关系
3.1 孔结构特征
选取自然养护360 d和水中养护360 d的UHPC-2.0试样及HPC50试样，采用压汞法(有效测试范围最小到3 nm)测试了试样孔结构分布。为了分析不同孔径对毛细吸水的影响，按不同孔径范围对3种样品测试得到的孔隙情况进行了划分，计算一定孔径范围内的孔含量，试验结果如图9所示。
UHPC-2.0自然养护360 d；
UHPC-2.0水中养护360 d；
HPC50。
图9 不同孔径范围内的孔含量
Fig.9 Pore content of different pore size ranges
由图9可知：对比UHPC-2.0和HPC50两类不同的样品，虽然HPC50的总孔隙率(9.8%)大于UHPC-2.0的，但其孔含量仅在孔径为50～10 nm和10～3 nm范围内有较大的区别，而不是大孔。对比水中养护和自然养护两种工况，孔含量的主要区别在孔径为100～50 nm和10～3 nm两个范围内，因此，为了直观地比较孔径大小对毛细吸水的影响，将孔径按大于100 nm和100～3 nm两个范围来划分，计算得到相应的孔含量，并与第一阶段和第二阶段的毛细吸水系数进行对比，结果见表3。
表3 毛细吸水系数与不同孔径范围孔含量对比
Table 3 Comparison of capillary water absorption coefficient and pore content of different pore size ranges
编号毛细吸水系数/(mL·m-2·s-1/2)孔含量/(10-3mL·g-1)第一阶段第二阶段>100nm100～3nmUHPC-2.0自然养护3.051.0913.910.6UHPC-2.0水中养护3.001.5112.88.2HPC505.623.0011.723.9
由表3可知：3种样品的孔径大于100 nm时，孔含量关系为UHPC-2.0自然养护>UHPC-2.0水中养护>HPC50，孔径为100～3 nm时，HPC50的孔含量最大，是UHPC-2.0的两倍多。HPC50的两个阶段毛细吸水系数均大于UHPC-2.0，说明毛细吸水系数主要与孔径为100～3 nm的孔含量有关，且第一阶段毛细吸水系数随着孔径为100～3 nm的孔含量的增加而增大，而第二阶段的毛细吸水系数也会受到100 nm以上孔的影响。
3.2 累积毛细吸水高度
计算得到吸水480 min后的累积毛细吸水高度结果见表4。试验过程中水分渗入后试件断面混凝土的颜色有较大的区别，因此可通过人工测试吸水高度，用于与计算结果的对比。由表4可知：采用式(2)计算得到的累积毛细吸水高度不足1 mm，这与实际情况不符，而采用修正后的式(3)计算得到的累积毛细吸水高度均不小于10 mm，与试验过程中实测结果接近，说明修正后的计算结果有效。且HPC50的毛细吸水高度低于UHPC-2.0的，这是因为HPC50的孔隙率更大，同样高度范围内孔的体积更大。
表4 累积毛细吸水高度
Table 4 Cumulative capillary absorption height
样品养护方式养护时间数/d总孔隙率/%累积毛细吸水高度/mm式(2)式(3)实测UHPC-2.0自然养护3605.70.8715.314.2UHPC-2.0水中养护3605.20.5911.410.7HPC509.80.9910.09.5
4 结束语
1)不同混凝土(损伤与未损伤)的溶液吸入量曲线与时间t1/2之间呈双线性的变化规律，且第一阶段吸水率大于第二阶段。
2)相同时间不同混凝土的溶液吸入量关系由大至小始终为HPC30、HPC50、UHPC-2.0，随着水胶比的增大，溶液吸入量增大；随着钢纤维掺量的增加(0.0%～2.0%)，超高性能混凝土的溶液吸入量增大。水中养护720 d试件与自然养护试件相比，溶液吸入量始终略大于自然养护试件，可能是浸泡过程中再水化造成的影响，再水化产物体积膨胀，导致其密实度略微降低。
3)孔径范围为100～3 nm的孔含量对毛细吸水系数的影响最大，且第一阶段毛细吸水系数随着该含量的增加而增大；考虑孔隙率的影响，计算了累积毛细吸水高度，计算结果与实际试验结果接近，该方法能够有效地计算混凝土的累积毛细吸水高度。
[1] 冷发光,周永祥,王祖琦,等.高性能混凝土发展与应用[J].建筑科学,2018,34(9):76-81.
[2] 姬永生,袁迎曙.干湿循环作用下氯离子在混凝土中的侵蚀过程分析[J].工业建筑,2006,36(12):16-19.
[3] 朱桂红,田砾,赵铁军,等.氯离子侵蚀混凝土有机硅防水处理有效性研究[J].建筑科学,2007,23(8)：79-82.
[4] 李洪马,潘志华,陈阳义,等.水泥基材料水分传输的影响因素研究[J].混凝土,2015(9):97-100.
[5] 贺智敏,龙广成,谢友均,等.蒸养混凝土的毛细吸水特性研究[J].建筑材料学报,2012,15(2):190-195.
[6] 刘世,刘海卿,王锦力.煤矸石掺量对混凝土毛细吸水特性影响的试验研究[J].硅酸盐通报,2017,36(12):4313-4318.
[7] 鲁良辉.多添加环境下混凝土的毛细吸水试验研究[J].科技通报,2016,32(10):98-102.
[8] MARTYS N S,FERRARIS C F.Capillary Transport in Mortars and Concrete[J].Cement and Concrete Research,1997,27(5):747-760.
[9] HALL C．Water Sorptivity of Mortars and Concrete:a Review[J].Magazine of Concrete Research，1989,41:51-61.
[10] 马志鸣,赵铁军,朱方之,等.掺硅烷乳液制备整体防水混凝土的抗冻性试验研究[J].新型建筑材料,2012,39(7):53-55.
[11] 邱继生,郑娟娟,关虓,等.冻融损伤下钢纤维煤矸石混凝土的毛细吸水性能[J].科学技术与工程,2018,18(16):256-261.
[12] LIU,WANG D M,SONG S M,et al,Research on Durability and Micro Structure of High Volume Fine Mineral Mixture of Reactive Powder Concrete[J].Journal of Wuhan University of Technology,2008,30(11):54-57.
[13] 孙世国,鲁艳朋.超高性能混凝土国内外研究进[J].科学技术与工程,2018,18(20):184-199.
[14] 王月,安明喆,余自若,等.活性粉末混凝土力学性能研究现状[J].混凝土,2013(12):21-26.
[15] WANG Y,AN M,YU Z,et al.Impacts of Various Factors on the Rehydration of Cement-Based Materials with a Low Water-Binder Ratio Using Mathematical Models[J].Construction and Building Materials,2016,125:160-167.