矿物掺合料对高性能清水砼耐久性影响研究

林广华，邓世冲

（1.佛山市公路桥梁工程监测站，广东佛山 528041；2.佛山市南海区丹灶镇国土城建和水务局，广东佛山 528000）

矿物掺合料对高性能清水砼耐久性影响研究

林广华1，邓世冲2

（1.佛山市公路桥梁工程监测站，广东佛山 528041；2.佛山市南海区丹灶镇国土城建和水务局，广东佛山 528000）

对清水砼进行配合比设计，并通过抗渗透性、抗干燥收缩性、抗碳化性、抗硫酸盐侵蚀与抗冻性试验对清水砼的性能进行验证，分析矿物掺合料对高性能清水砼耐久性的影响。结果表明，适当采用粉煤灰、矿渣替代水泥，选择适合骨料类型减水剂及延长拌和振动时间能优化砼配合比，改善其性能；粉煤灰、矿渣能提高砼抗碳化能力，保证碳化深度不大于2mm，降低干燥收缩率，提高抗硫酸盐侵蚀能力；粉煤灰对清水砼早期强度改善效果较好，矿渣对其后期强度发展较有利；推荐采用多元化因素相结合方法优化清水砼配合比设计，提高其耐久性。

桥梁；清水砼；配合比设计；耐久性；矿物掺合料

目前，国内外对高性能清水砼的研究主要集中于质量外观控制，对清水砼配合比设计及结构耐久性的研究并不充分。随着建筑、桥梁结构对承载能力要求的不断提高，高性能清水砼将逐渐成为主要发展趋势之一。但由于结构的特殊性，清水砼直接受到外界自然环境腐蚀作用，对砼的配合比设计和耐久性能提出了更高技术标准。研究发现影响高性能清水砼耐久性的因素主要包括水灰比、水化物稳定性及自然环境的有害气体和离子侵蚀等。韩秉烨选择粉煤灰和硅粉作为添加剂制作砼，显著提高了砼强度，且具有较好的环境效益。孙宗全用矿渣粉取代水泥进行试验，结果显示矿渣粉能显著提高C -S-H凝胶含量，增加砼的密实度和强度性能。该文设计8组配合比高性能清水砼，分析配合比设计对其性能的影响，优化清水砼配合比设计，通过对抗渗性能、收缩性能、抗碳化能力、抗冻和抗硫酸盐侵蚀性能指标的研究，对其耐久性能进行分析评价，为实体工程应用提供技术支持。

1 试验材料及方法

1.1原材料

目前，清水砼用原材料品质受到区域地理环境等影响而参差不齐，不同的水泥与减水剂的作用相差很大，形成的清水砼的表面颜色深浅、亮度相差甚远，砼的碳化能力也不一样。以减水剂而言，不同的减水剂与水泥的匹配不同，对砼性能如坍落度、抗碳化能力、强度的影响也不同。

采用郑州市北三环中州大道互通立交桥标段的原材料。水泥为双龙水泥集团生产的42.5号普通硅酸盐水泥；细集料为河砂，细度模数为2.7，含水率为4.21%；粗集料为春山采石场生产的5～25mm、连续级配的人工碎石；外加剂为上海麦斯特建材有限公司生产的高效减水剂SP8、SP1、JM-Ⅶ和SR3。各材料的性能指标见表1～4。

表1　水泥的物理性能

表2　细集料性能

表3　粗集料性能

表4　外掺料成分%

1.2试验方案设计

（1）配合比设计试验。设计8组清水砼配合比，通过改变添加剂、水泥含量及减水剂等分析配合比对其强度的影响。为保证成型试件质量均匀，降低材料离析对其性能的影响，每组配合比砼成型120 L，每次成型30 L。

（2）耐久性试验。高性能清水砼的耐久性不仅与其结构安全密切相关，也对砼构件的外观质量具有显著影响。这里主要通过抗渗透性能、抗干燥收缩性、抗碳化性、抗硫酸盐侵蚀与抗冻性等指标对高性能清水砼耐久性能进行分析。

2 配合比设计对清水砼性能的影响

清水砼质量优劣主要受原材料及配合比设计影响。这里设计8组配合比对清水砼的性能进行分析（见表5）。

表5　清水砼目标配合比设计

2.1配合比设计对砼强度的影响

8组配合比清水砼不同龄期下的抗压强度见表6和图1。

表6　不同龄期下各组清水砼的抗压强度

图1　不同配合比设计对砼强度的影响

由表6和图1可知：砼设计级配对坍落度和强度存在显著影响。由于材料组成比例不同，不同配合比清水砼的抗压强度差异较大，但90 d强度均基本满足规范要求。3#～5#砼90 d强度值较大，1#、2#砼90 d强度值较小，且1#砼拌和时出现泌水，早期强度较低，其28 d强度值未达到C50等级要求。3#、4#砼强度值随龄期延长发展较好，尤其4#砼后期强度增长较快，而5#砼90 d强度几乎不增加。综合分析，3#、4#砼添加粉煤灰和矿渣显著提高了其性能，而1#、2#砼配合比设计存在一定缺陷，推荐采用4#配合比设计。

2.2掺合料类型对砼强度的影响

图2为砼添加粉煤灰、矿渣等矿物掺合料对其强度的影响。

图2　掺合料类型对砼强度的影响

由图2可知：粉煤灰、矿渣对砼抗压强度有一定影响。3#、4#砼分别掺加了20%粉煤灰和矿渣，与1#砼相比，其各龄期抗压强度均有所提高，如3#砼7、28 d抗压强度分别提高61.2%和46.3%，说明掺加矿料有利于砼强度发展，提高其早期强度。另外，掺加粉煤灰砼（3#）的早期强度高于掺加矿渣砼（4#），而90 d矿渣砼强度高于粉煤灰砼，说明掺加不同类型矿料对砼不同龄期的强度有不同影响，粉煤灰对砼早期强度贡献较大，矿渣则可提高砼后期强度。掺加粉煤灰后砼硬化，色泽较暗；而掺矿渣砼的色泽明亮。

2.3减水剂类型对砼强度的影响

SP8、SP1、JM-Ⅶ、SX14和SR3减水剂对砼强度的影响见图3。

图3　减水剂类型对砼强度的影响

由图3可知：减水剂对砼强度影响较小，但考虑到减水剂与水泥品种的适应性，不同类型减水剂差异较大，对砼拌和物工作性的影响高于其他性能。如1#、2#砼分别采用SP8和JM-Ⅶ减水剂，二者7 d强度值分别为38.1和44.1 MPa，而90 d强度值仅相差5 MPa；7#、8#砼减水剂分别为SR3、SP1，各龄期抗压强度值几乎一致，可见减水剂对砼强度影响较小。相关研究表明氨基磺酸盐类减水剂对砼拌和物工作性的影响较大，工作性能降低，坍落损失较大。相比较而言，添加萘系减水剂砼的工作性和强度等均满足高性能清水砼的要求。

2.4拌和振动时间对砼强度的影响

砼成型过程中振动10和30s对砼各龄期抗压强度的影响见图4。

图4　拌和时间对砼强度的影响

由图4可知：成型振动时间的延长对砼各龄期强度的影响并不显著。对于4#砼，振动10和30s时，7和90 d抗压强度分别为55.1、55.6和82、81.1 MPa，二者几乎一致，说明该配合比清水砼具有优良的粘聚性，延长拌和时间对其性能无显著影响。鉴于高性能清水砼的特殊性，现场施工过程中，依据实际情况，可考虑适当延长拌和振动时间，以减少砼表面微气泡，提高外观质量。

3 清水砼耐久性能研究

为研究矿物掺合料对清水砼耐久性的影响，设计5组配合比（见表7）对清水砼耐久性进行试验研究。其中：1#、2#清水砼配合比主要用于分析配合比设计间的差异；3#、4#、5#砼分别掺入粉煤灰、矿渣粉和矿渣掺合料，并采用不同高效减水剂，用于分析各因素对清水砼耐久性的影响。

表7　清水砼试验配合比设计

3.1抗渗性能分析

清水砼抗渗能力是否优良严重影响结构物使用寿命。依据规范按表7所示配合比成型砼抗渗标准试件，养护28 d后进行抗渗试验，试验结果见表8。

表8　清水砼渗水高度测试结果

由表8可知：各组清水砼均不透水，抗渗压力都大于3.0 MPa；各组砼内部渗水高度存在一定差异，1#砼渗水高度最大，5#砼渗水高度最小，3#、4#砼渗水高度相当，说明采用矿料添加剂对砼密实性存在一定促进作用，聚羧酸盐高效减水剂能提高清水砼的抗渗性能。

3.2干燥收缩性能分析

高性能清水砼结构物由于收缩产生裂缝，轻则影响结构物的外观质量及装饰效果，重则引起内部结构产生早期破坏，进而影响其耐久性。不同配合比砼抗干燥收缩能力随养护龄期的变化见图5。

图5　清水砼干缩性能随龄期的变化

由图5可知：不同配比、减水剂条件下拌和的砼的干缩曲线存在显著差异。水泥掺量对砼干缩性能影响最大，掺量低，砼内部水化作用需水量下降，内部水分子转移较少，应力变形降低，干缩变形降低，如5#砼90 d干缩率为313.7μm/m，低于其他组砼。另外，掺合料（粉煤灰、矿渣粉）的加入促使砼早期收缩增大，如3#、4#砼7 d收缩率分别为171.2和184μm/m，与2#相比分别提高64%和76%，这是由于外掺料加入需吸收一部分水分，导致砼内部干燥收缩变形增强，提高了砼收缩性能。

3.3抗碳化性能分析

普通砼结构中保护层厚度一般为20～25mm，由于受到自然环境等复杂因素作用，砼碳化不可避免。对于清水砼，如何降低或避免碳化值得深入研究。对1#～5#砼采用碳化箱加速碳化试验方法测试14、28、90 d碳化深度，试验结果见表9。

表9　清水砼碳化深度测试结果

由表9可知：1）不同配合比设计对砼碳化深度存在一定影响。1#、2#砼抗碳化能力低于3#、4#、5#砼，90 d碳化深度达到4.8和3.6mm。这是因为3#、4#、5#砼中添加了一定量矿料，进一步增强了砼内部密实性，减少了结构空隙，其90 d碳化深度均在2mm以内，表明其具有较好的抗碳化性能。砼碳化速率与内部结构碱化度和结构孔具有密切联系，在相同试验条件（CO2浓度、相对湿度和环境温度）下，粉煤灰、矿渣粉等活性掺合料降低了砼碱化度，且提高了水泥水化作用，增强了密实效果，CO2和水汽难以扩散进入浆体内部，使碳化过程无法进行。2）碳化深度与砼结构表面状况有一定联系。对于1#砼，成型面的碳化深度，无论早期碳化还是后期碳化均远高于模板面，90 d碳化深度达到14.5mm，提高了3倍；早期（14 d）成型面即开始碳化，碳化深度达到3.8mm。对成型面，试件成型过程中，拌和振动引起轻微离析，导致表面浆体较多，水化过程中该面空隙结构较大，易受到碳化。因此，对于清水砼，外观结构浆体直接裸露于自然环境中，其抗碳化能力优劣直接影响后期适应性能。

3.4抗硫酸盐侵蚀性能分析

5组砼分别在硫酸钠溶液（浓度10%）和清水中浸泡养护90 d后的抗压强度见表10。

表10　硫酸盐侵蚀前后砼强度测试结果

由表10可知：硫酸盐侵蚀对砼强度具有显著影响。整体而言，硫酸盐改善了砼抗压强度，即硫酸盐浸泡后抗压强度值升高，如3#砼，抗压强度提高约5.2%。而2#砼经过硫酸盐侵蚀后其强度值有所损失，1#砼浸泡前后抗压强度值变化不大。从侧面反映了砼中添加活性较好的矿料能抵抗硫酸盐的侵蚀。文献［6］指出普通水泥水化后生成Ca（OH）2、C2S、C3S、C3A和C4AF等成分，这些成分抗腐蚀性一般，遇到介质侵蚀将发生反应而破坏。通过添加粉煤灰、矿渣等活性骨料，首先降低了水泥水化产物含量，减少了砼结构中抗腐性能差的成分，提高了水泥石密实性，从而改善和提高了砼的抗侵蚀性能。

3.5抗冻性能分析

采用快速冻融法，对100mm×100mm×400mm试件标准养护28 d后进行冻融400次测试，通过试件质量变化、动弹性模量指标分析砼抗冻性能，试验结果见图6、图7。

由图6、图7可知：1）不同配合比砼的质量随冻融循环次数增加而有所提高，且5组砼的质量变化规律一致，400次循环后均提高30 g左右。说明各组砼具有较高的强度，内部结构相对密实，内部空隙结构少，抗渗透性能较好，冻胀作用没有对砼结构造成破坏，而水泥水化作用一直持续进行，后期水化反应虽然较缓慢，但通过外部环境作用，水分通过水化作用、冻胀作用等缓慢渗入试件内部，进一步导致试件质量增加。2）动弹性模量指标的变化规律与质量变化类似，随冻融循环次数增加而逐渐升高，其中添加矿料砼的动弹性模量偏大，尤其是5#砼，循环400次后其动弹性模量为66.23 GPa，增加5.03 GPa。说明粉煤灰、矿渣改善了砼的抗冻性能，活性物质与水泥材料发生化学作用，阻碍了因冻融作用加速微孔水分冻胀劣化，并且有利于减少砼内部空隙，促进引气剂作用下微细气孔分布均匀。

图6　冻融循环后砼质量变化

图7　冻融循环后砼动弹性模量变化

4 结论

（1）高性能清水砼配合比设计对质量控制具有重要作用。针对应用于不同结构部位的清水砼，可通过改变水灰比、减水剂类型、添加矿料（粉煤灰、矿渣等）及延长拌和时间等方法改善砼的性能，优化高性能清水砼的配比。

（2）粉煤灰对清水砼早期强度改善效果较好，矿渣对其后期强度发展较有利；延长拌和振动时间并不降低清水砼强度，建议适当延长拌和时间，以减少砼微气泡，提高砼质量。

（3）高性能清水砼的耐久性可通过渗透深度、干缩率、碳化深度、强度损失率及动弹性模量指标来反映。掺加适量的粉煤灰、矿渣能保证砼碳化深度不大于2mm，干燥收缩率进一步降低，抗硫酸盐侵蚀能力提高。

（4）粉煤灰和矿渣能显著改善清水砼内部结构密实性，提高材料水化程度，促进水泥石化学反应，保证C-S-H凝胶填充到内部结构空隙内，进而提高清水砼的耐久性能。

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2016-07-15