掺超细活性硅微粉混凝土的抗冻、抗碳化及抗氯离子渗透性能研究

李文丽

（许昌学院土木工程学院，许昌461000）

掺超细活性硅微粉混凝土的抗冻、抗碳化及抗氯离子渗透性能研究

李文丽*

（许昌学院土木工程学院，许昌461000）

通过掺入量分别为10%、15%和20%超细活性硅微粉混凝土抗碳化试验、冻融性试验及抗氯离子渗透试验，研究了超细活性硅微粉对混凝土耐久性能的影响。试验研究表明：掺入一定量的超细活性硅微粉可提高混凝土抗碳化性能，但掺入量超过15%后抗碳化性能逐渐减弱；掺入超细活性硅微粉可增强混凝土抗冻性能，提高混凝土抗氯离子渗透性，且随着超细活性硅微粉掺入量的增加，混凝土抗冻性能以及抗氯离子渗透性逐渐增强。

超细活性硅微粉，抗冻性能，抗氯离子，抗碳化

1 引 言

混凝土是现代工程中最常用的人工土建材料，具有取材方便、经济，易于加工成型匹配性好、可调整性强等多个优点，以钢筋混凝土结构代替钢、木结构可节省大量的钢材木材，但目前使用的低强度等级的混凝土，耐久性能往往较差，不利于建筑的长期使用，增加维护成本。以往的研究认为混凝土高毛细孔率、水化产物中Ca（OH）2含量高是导致混凝土耐久性较差的主要因素，因此实际工程中往往采取掺入高效减水剂、活性矿物质掺合料等措施来改善混凝土强度［1］。超细活性硅微粉（Ultra-fine Active Silica Powder，UASP）是一种活性掺合料，是火山灰沉积作用生成的硅质岩石经过粉磨和细化处理后的粉末制品，国内以往有研究发现，在混凝土中掺入一定量的超细活性硅微粉可提高混凝土工作性能和力学性能，但对于掺入超细活性硅微粉后混凝土耐久性能的改变研究较少。本文即通过抗碳化试验、冻融性试验及抗氯离子渗透试验对掺超细活性硅微粉混凝土的耐久性能进行探讨。

2 试验概况

2.1 原材料

本试验中水泥（cement，C）使用粤秀P·O42.5级水泥；硅灰（silica fume，SF）使用艾肯94级硅灰；超细活性硅微粉（SSP）为由火山灰沉积作用所生成的硅质岩石经粉磨和超细处理后所得，细集料采用细度模数为2.5的普通河砂，含泥量0.6%，松散堆积密度1 530 kg／m3，表观密度2 650 kg／m3；粗集料为平均粒径15 mm连续级配天然碎石，表观密度2 660 kg／m3，松散堆积密度1 510 kg／m3，压碎指标11.3%，含泥量0.6%，针片状含量3.8%；使用聚羧酸高效减水剂，减水率为25%；混凝土拌合及养护水均使用自来水。

1.2 混凝土配合比设计

本试验分三组进行，三种不同混凝土的水胶比固定为0.36，以C表示为基准混凝土；UASP-10、UASP-15、UASP-20分别表示掺入10%、15%和20%超细活性硅微粉的混凝土；每种掺入比超细活性硅微粉混凝土均设置相同掺入比硅灰的混凝土作为对照组，编号分别为SF-10、SF-15、SF-20。每组均设计制作三个试件，试件均在实验室内制作完成，参照《普通混凝土长期性能及耐久性能试验方法标准》（GB／T 5008—2009）［2］中相关规定进行，基准混凝土、超细活性硅微粉混凝土及硅灰混凝土配合比见表1。

表1 基准混凝土、超细活性硅微粉混凝土及硅灰混凝土配合比Table 1 M ix proportions of reference concrete、ultra-fine active silica powder concrete and silica fum e concrete

2.3 试验方法

2.3.1抗碳化试验

本试验中碳化试验按照GB／T 5008—2009［2］中相关规定进行，混凝土试件规格为100 mm× 100 mm×100 mm的立方体，在标准养护条件下养护26d后，放入烘箱中，以60℃温度烘48 h后，使用石蜡密封试件表面，经密封处理后转入碳化箱中碳化，碳化箱中预设温度（20±5）℃，湿度（70±5）%，二氧化碳浓度（20±3）%，分别在碳化3 d、7 d、14 d、28 d时劈裂试件测量其碳化深度。

2.3.2冻融性能试验

试验中抗冻性试验参照GB／T 5008—2009［2］中快速冻融法进行，混凝土试件规格为100 mm× 100 mm×100 mm棱柱体，标准养护条件下养护28 d；取出检查外观，置入15℃～20℃水中浸泡4 d，保证水面高度高出试件高度超过200 mm；取出试件，清除干净表面浮渣及积水，使用混凝土冻融试验机进行冻融试验，每次冻融循环在2～4 h内完成，冻融达到300次循环、相对动弹模量下降到60%以下、重量损失率达5%等三种情况中的任一种时，停止试验，采用式（1）—式（3）计算经N次冻融试验后试件的相对动弹性模量P、试件质量损失ΔWn和试件抗压强度损失ΔRn。

式中，fn为试验后试件横向基频，Hz；f0为试验前试件横向基频初始值，Hz；G0为试验前试件质量，kg；Gn为试验后试件质量，kg；R0为对比试件强度，kg；Rn为冻融试件强度，kg；n为循环试验次数。

2.3.3抗氯离子渗透试验

本试验中抗氯离子渗透试验参照GB／T 5008—2009［2］中电通量法进行，混凝土试件设计规格为φ100 mm×300 mm，采用硅胶对试件进行侧面密封处理，放入1 000 ml烧杯中置入真空干燥机进行真空保水，真空干燥剂内数分钟内真空度达到133 Pa以下，真空保水3 h后，保持真空度注入蒸馏水至试件完全淹没，浸泡1 h后取出试件，常压下浸泡20 h［3］；取出试件，清除干净试件表面积水，置入试验槽内进行电通量试验，试验槽中水面低于装置顶面5 mm，水温20℃～23℃。20℃～25℃恒温下进行试验，在试件一侧试验槽内注入0.3%氯化钠溶液，试验槽内铜网连接电源负极，在试件另一侧试验槽内注入0.3 mol／l氢氧化钠溶液，连接电源正极；接通电源对试验槽内铜网施直流恒电压，电压为60 V，通电6 h，记录试验过程中电流值［4］。

2.4 净浆微观试验

设计相应的微观试验，以从微观角度研究超细活性硅微粉对混凝土的影响机理。试验试件在4 cm×4 cm×4 cm刚模内成型，20℃温度下标准养护室养护至28 d龄期，取出试件，使用压力机压碎；取少许压碎水泥石，以无水乙醇终止水化，恒温60℃烘干至恒重，取烘干处理后水化试样，对新鲜断面进行镀膜处理，使用扫描点睛（SEM）观察试件微观结构［5］。

3 试验结果及分析

3.1 抗碳化试验

表2为基准混凝土和分别掺入10%、15%、20%超细活性硅微粉的混凝土及分别掺入10%、15%、20%硅灰的混凝土在碳化箱内碳化3 d、7 d、14 d和28 d后的试验结果。从表中数据可知，掺入超细活性硅微粉和硅灰后混凝土抗碳化性能均有所提高，且随着超细活性硅微粉掺入量的增加，混凝土抗碳化性能呈先增强后下降的趋势，二者变化趋势相仿。掺入掺合料后，混凝土抗碳化机理也更加复杂，由于掺合料的掺入，混凝土中的水泥比例下降，使混凝土液相pH值也有所下降，混凝土体系中碱储备减少，导致混凝土的抗碳化性能下降［5］。而掺入的超细活性硅微粉和硅粉为超细活性料，材料粒径小，具备微填充效应，并具有较强的火山灰效应。国内以往的研究者发现，在混凝土中掺入较细的矿物质可减小水泥石毛细孔孔径，减小混凝土的孔隙率，提高水泥石密实程度，从而提高混凝土抗碳化能力。由于超细活性料带来的微填充效应及火山灰效应等正效应高于其降低混凝土液相pH值的负效应，因而掺入适量的超细活性料后，混凝土抗碳化能力有所提高。而随着超细活性料掺入量的增加，由其所带来的负效应高于正效应，导致混凝土的抗碳化能力也逐渐降低。从试验结果可知，掺入硅灰的混凝土抗碳化性能较掺入超细活性硅微粉的混凝土抗碳化性能更强，超细活性硅微粉中CaO、MgO等碱性氧化物的含量较硅灰更低，也就使得混凝土掺入超细活性硅微粉后液相pH值及体系中碱储备较掺入硅粉的混凝土更低，由掺合料所带来的负效应更高，导致混凝土的抗碳化能力下降更为明显。

表2 基准混凝土、掺超细活性硅微粉及硅灰混凝土抗碳化试验结果Table 2 Results of carbonation test of reference concrete、u ltra-fine active silica powder concrete and silica fume concrete mm

3.2 冻融性试验

3.2.1试验现象

本次冻融试验中，在进行冻融循环50次后，观察三种混凝土，基准混凝土表面有轻微剥蚀，超细活性硅微粉混凝土和硅灰混凝土表面均无明显变化；进行冻融循环试验100次时，观察三种混凝土试件均出现剥蚀现象，基准混凝土剥蚀现象较超细活性硅微粉混凝土和硅灰混凝土严重（图1）；冻融循环试验进行到150次时，基准混凝已基本被破坏，表面、棱角浆体大量剥落，试件混凝土骨料也有所剥落。不同编号的混凝土试件各制作三组，进行试验后，基准混凝土冻融破坏次数平均为158次，掺入10%、15%、20%超细活性硅微粉的混凝土冻融破坏次数平均分别为167次、186次、203次，掺入10%、15%、20%硅灰的混凝土冻融破坏次数平均分别为179次、192次、211次。

图1 三种混凝土试件冻融破坏外观Fig.1 Failure patten of three kinds of concrete specimens after freezing-thawing

3.2.2试验结果

表3为基准混凝土和分别掺入10%、15%、20%超细活性硅微粉的混凝土及分别掺入10%、15%、20%硅灰的混凝土冻融性试验结果。从表中数据可知，掺入超细活性硅微粉和硅粉后混凝土冻融破坏次数有所提高，试件质量损失率及抗压强度损失率均有所降低，随着超细活性硅微粉和硅粉掺入量的增加，混凝土抗冻融次数也逐渐增加，质量损失率及抗压强度损失率逐渐下降；同等掺入量的条件下，掺入硅粉的混凝土抗冻性能略优于掺入超细活性硅微粉的混凝土。以往的研究指出，掺合料的火山灰活性效应可固定混凝土中的Ca（OH）2，可减缓由于浸析扩大冰冻劣化孔隙的速度，同时掺入超细活性料的填充效应减少了混凝土内部孔隙及毛细孔，使混凝土结构更密实，从而可改善混凝土抗冻性能，硅灰的火山灰活性较超细活性硅微粉更强，对混凝土抗冻性能的改善也更加明显。

表3 基准混凝土、掺超细活性硅微粉及硅灰混凝土冻融性试验结果Table 3Results of freezing-thaw ing test of reference concrete，ultra-fine active silica pow der concrete and silica fume concrete

3.3 抗氯离子渗透性试验

表4为基准混凝土和分别掺入10%、15%、20%超细活性硅微粉的混凝土及分别掺入10%、15%、20%硅灰的混凝土28d氯离子渗透试验结果。从表中数据可知，掺入超细活性硅微粉和硅粉混凝土通电量有所下降，抗氯离子渗透性有所提高；随着超细活性硅微粉和硅粉掺入量的增加，混凝土抗氯离子渗透性能逐渐增加。超细活性料可阻塞混凝土中孔隙，发挥密实填充效应，降低混凝土的渗透性，超细活性料中的化学成分可以与水化产物发生二次水化，生成C-S-H凝胶，填充于孔隙处，改变孔结构，细化孔径，进一步降低混凝土渗透性，阻断渗透通道的形成，从而改善混凝土抗氯离子渗透性能。

表4 基准混凝土、掺超细活性硅微粉及硅灰混凝土抗氯离子渗透性试验结果Table 4 Results of to chloride ion penetration test of reference concrete，ultra-fine active silica powder concrete and silica fum e concrete

3.4 微观形貌

相同养护条件下，观察基准混凝土（A1）、掺超细活性硅微粉（A2）及硅灰混凝土（A3）试样，A1试样中纤维状物质较多，水泥石微空隙处可见针状钙矾石（AFt）生成，且有定向生长氢氧化钙（CH）生成；A2试样有纤维物质生成，但分布更均匀，纤维间搭接成致密的网，无纤维的地方凝胶较A1试样致密，微孔隙的数量明显减少，可见AFt生成，CH明显减少；A3试样纤维较细化且分布均匀，纤维间搭接更加致密，凝胶组成较A1、A2更加致密，CH生成量明显低于A1、A2，AFt十分丰富，其中掺量为10%的各试样电子扫描微观形貌图可见图2。

图2 不同掺合料水泥硬化浆体（×1000）Fig.2 Hardened cement paste with different admixture（×1000）

3.5 力学性能

为量化超细活性硅微粉对混凝土理学性能的增强效果，采用矿物掺合物火山会活性的“强度比法”，对其进行量化计算和评价。根据“强度比法”，矿物掺合料的活性指数A是衡量和量化掺合料火山灰活性基本参数，即单位活性矿物掺合料（1%活性矿物掺合料）所提供的火山灰效应强度贡献率，计算公式如下：

式中，R比渗和R基准分别为含掺合料混凝土和基准混凝土比强度（MPa）。

含掺合料混凝土比强度R及基准混凝土比强度R可由式（3）计算得出：

式中，P火山为火山灰效应强度贡献值。

火山灰效应强度贡献率P火山，即表征矿物掺合料的火山灰效应对混凝土强度大小贡献的数值，如式（2）所示：

式中，R比，R，q分别为混凝土比强度系数、混凝土强度绝对值和混凝土中掺合料或水泥占总胶材料的百分比。

根据上式计算相应结果，得知超细活性硅微粉的火山灰活性在混凝土水化反应早期有较明显表现，随水化反应继续进行；在水化反应前期，超细活性硅微粉与硅灰火山活性较接近，在28 d龄期后，硅灰较高的水化活性优势逐渐表现出来。

4 结 论

（1）掺入超细活性硅微粉和硅粉后混凝土抗碳化性能有所提高，且随着超细活性硅微粉和硅粉掺入量的增加，混凝土抗碳化性能呈先增强后下降的趋势；掺入硅灰的混凝土抗碳化性能较掺入超细活性硅微粉的混凝土抗碳化性能更强，掺入一定量的超细活性硅微粉可提高混凝土抗碳化性能。

（2）掺入超细活性硅微粉和硅粉后可增加混凝土冻融破坏次数，试件质量损失率及抗压强度损失率均有所降低，随着超细活性硅微粉和硅粉掺入量的增加，混凝土抗冻融次数也逐渐增加，质量损失率及抗压强度损失率逐渐下降；同等掺入量的条件下，掺入硅粉的混凝土抗冻性能略优于掺入超细活性硅微粉的混凝土。

（3）掺入超细活性硅微粉和硅粉可提高混凝土抗氯离子渗透性；随着超细活性硅微粉和硅粉掺入量的增加，混凝土抗氯离子渗透性能逐渐增加。

（4）掺入超细活性硅微粉和硅粉可明显改善水泥石微观结构，使水泥石更加致密，硅粉的改善效果优于超细活性硅微粉。

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The Study of Freezethraw Durability，Carbonation Resistance and
Ability to Resist Chloride Ion Penetration of Ultra-fine Active Silica Powder Concrete

LIWenli*
（College of Civil Engineering，Xuchang University，Xuchang 461000，China）

The effects of ultra-fine active silica powder（USAP）on the durablities of concrete were studied by themethods of freezethraw test and carbonation test of 10%，15%and 20%addingmixing amount of UASP.The results showed that conditions in the appropriatemixing amount of UASP can improve the carbonation resistance.The freezethraw durability and ability to resist chloride ion penetration could be improved by adding mixing amount UASP.

ultra-fine active silica powder（UASP），freezethraw，ability to resist chloride ion penetration，carbonation

2014－03－25

*联系作者，Email：313489058＠qq.com