低掺量偏高岭土改性混凝土抗氯离子渗透性能

耿海宁，马 骞

（1.湖北城市建设职业技术学院，武汉 430205；2.湖北楚晟科路桥技术开发有限公司，武汉 441005）

氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀是造成混凝土结构耐久性降低的主要原因，氯离子通过连通孔隙、裂缝、化学结合等方式在混凝土中传输，当钢筋表面的氯离子累积到一定浓度时，引起钝化膜破坏，进而产生钢筋锈蚀。

氯离子在混凝土中的迁移由其吸附和扩散过程特性控制。有研究通过48周干湿交替实验对掺入粉煤灰，矿渣，硅灰或偏高岭土的混凝土中氯盐迁移过程的研究表明，氯离子侵蚀性能与暴露时间和材料类型有关，在固定的相当于胶凝材料0.2%的氯离子浓度下，氯离子侵蚀深度与时间的平方根具有线性关系［1］，其关系为与胶凝材料类型有关的氯离子扩散系数。数值最低的为掺入矿渣的混凝土，最高的为普硅水泥混凝土。侵蚀实验使材料的吸水率降低，是继续水化和氯离子固化的结果，导致的孔结构改善和连孔数量的减少。在氯离子扩散速率与吸水率之间没有发现关系，说明氯离子的主要传输途径不是吸附而是扩散。

近年来有研究表明［2－9］，在混凝土中添加偏高岭土能够改善混凝土的各项性能，提高强度，优化孔隙结构，提高耐久性、抗氯盐侵蚀性能等。

研究表明［10］，对于加入了不同含量的偏高岭土和粉煤灰的三元体系，浸泡在海水中1.5年后的氯盐侵蚀实验发现，偏高岭土能极大减少混凝土中氯盐浓度和侵蚀深度，同时增加了强度。文献［11］对偏高岭土，粉煤灰，矿渣的氯盐侵蚀深度进行了研究，含有矿渣和偏高岭土的混凝土的抗侵蚀性能最好，1年侵蚀深度不超过20mm。随着时间的进行，抗侵蚀性能增加，尤其在含有矿渣及20%偏高岭土的混凝土中。其原因可能是氯盐的固化，或者chloro－aluminates的生成，或者两者的联合作用。另有研究发现在0.32～0.40的水灰比条件下，添加了5%，10%和15%偏高岭土的混凝土具有接近的抗氯盐侵蚀性能，28d氯盐侵蚀深度2～3mm［12］。

该文对添加了0～6%偏高岭土的混凝土的抗氯离子渗透性能进行了研究，通过电通量法及RCM法综合分析抗氯离子渗透性能，结合扫描电子显微镜和透射电子显微镜分析水化产物形貌，探讨低掺量偏高领土对混凝土抗氯离子渗透性能影响的机理。

1 材料与实验方法

材料采用华新P.I.52.5硅酸盐水泥、广东茂名高岭土煅烧制备的偏高岭土，二者化学组成及水泥的初终凝时间、抗压强度等性能如表1所示。扫描电子显微镜观察煅烧制备的偏高岭土仍保持六方片状的形貌，颗粒尺寸在10μm以下。偏高岭土经过一定的粉磨和分散处理后，其比表面积为2 800m2/kg左右。高岭土在煅烧过程中损失大量羟基，最终形成的非晶态的偏高岭土具有很高的火山灰活性，其结构处于热力学介稳状态，表面活性较高。

表1 材料化学组成和物理性能

骨料尺寸服从富勒级配，其中粗骨料为天然碎石，0～5 mm，5～16.5mm和16.5～26.5mm三种粒径碎石掺配使用，碎石压碎值为8%，其级配如表2所示。细集料为天然河砂，表观密度为2 640kg/m3，堆积密度为1 458kg/m3，砂的细度模数为2.91，属中砂。混凝土养护用水及拌和用水均为实验室自来水。

表2 粗骨料的级配

混凝土制备时，偏高岭土的掺量分别为0、2%、3%、4%、5%和6%，水灰比为0.45。为消除试样的离散性，每个试样制备样品不少于3个，试样的配合比如表3所示。

表3 混凝土试样的配合比

根据表3中混凝土配合比制作混凝土试样，对于电通量试验和氯离子扩散系数试验，每个试样成型为Φ100mm×200mm的圆柱体，同一龄期的混凝土试样不少于3个。试样成型24h后拆模，养护环境为环境温度（20±2）℃、相对湿度95%的标准养护环境。28d后切除试样上下表面各15mm后，制备Φ100mm×（50±2）mm的圆柱体。

采用电通量法和RCM法综合评价低掺量偏高岭土改性混凝土的抗氯离子渗性能。电通量法开始前，将试件的侧面密封并置于真空饱水机中饱水，饱水条件为预真空3h以后注水，真空饱水1h，然后常压饱水（18±2）h。将饱水后的试件取出，轻拭表面水分并安装到电通量法试验模具上，模具接正极方向注入0.3mol/L的NaOH溶液，负极方向注入3.0%的NaCl溶液，热电偶放入NaCl溶液中。将模具置入20～25℃恒温流动水浴箱中后施加60V的直流电压，并记录通电6h中每隔5min的电流值。试验结束后绘制时间－电流曲线，积分计算通电6h的电荷量。RCM试验所需试样同电通量法，但将饱水溶液更改为饱和Ca（OH）2溶液，RCM法测试过程参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。

2 结果与分析

混凝土试样的电通量试验和RCM测定的氯离子扩散系数分别如图1和图2所示。由图1可以看出随着偏高岭土掺量的增加，混凝土的电通量在同龄期内是逐渐下降的，这说明混凝土的抗渗性能相应增加；偏高岭土在掺量为4%、5%、6%时，电通量在28d后较为稳定，说明随着龄期的增长，混凝土抗氯离子性能保持稳定。对于掺量为6%的混凝土，28d后电通量与对比样相比下降了60%，说明抗氯离子侵蚀性能有很大改善。

由图2可以看出，相同配合比的混凝土随着龄期的增长，其氯离子扩散系数呈现先下降后上升的趋势，说明抗氯离子渗透性能逐渐增强。有研究［13］表明添加了8%和12%偏高岭土的混凝土的氯离子扩散系数下降了50%和60%。本研究中添加了5%偏高岭土的试样的氯离子扩散系数与对比样相比在各龄期都降低了50%～60%，与电通量实验结果一致。另有研究发现［14］，对掺入8%～12%偏高岭土的混凝土在1MNaCl溶液中浸泡28d到3年的氯离子扩散系数表明，早期（28d）氯离子扩散系数在较高（0.4）水灰比的对比样中较高，在掺入偏高岭土的混凝土中急剧下降。本研究的结果与这些发现一致。以28d的试样为基础试样，分别就不同龄期取绝对值，绘制氯离子相对28d绝对值随龄期变化图，如图所示，就控制氯离子的扩散影响而言，C5试样具有更优异的表现，如绝对值变化图，见图3。

为进一步验证偏高岭土对氯离子扩散的影响，分别制备偏高岭土掺量为0、5%，水灰比为0.45的净浆，编号为P0、P5，养护至指定龄期后用无水乙醇终止水化并进行扫描电镜及透射电镜测试，测试结果如图4、图5所示。由图中可以看出，主要水化产物为C－S－H凝胶、钙矾石、氢氧化钙以及类水滑石。这几种水化产物相互掺杂共生，其中C－S－H凝胶的形貌为致密的纤维状，钙矾石为针棒状，其结构致密。相对于空白试样而言，偏高岭土的引入使得结构更为紧密，可有效提高体系的抗氯离子渗透性能，与前面电通量法和RCM法的结果一致。

3 结 论

a.混凝土试样的电通量实验结果表明，随着偏高岭土掺量的增加，电通量逐渐下降。添加了5%偏高岭土的混凝土电通量下降了60%。

b.RCM法测定的氯离子扩散系数随龄期变化呈现先下降后上升的趋势，与电通量法结果中28d后电通量波动规律一致。添加了5%偏高岭土的混凝土在各龄期的氯离子扩散系数为对比样的50%～60%。

c.偏高岭土的引入促进了体系的水化，使得结构更为致密，可有效改善体系的抗氯离子渗透性能。

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