掺合料对混凝土抗氯盐侵蚀性能研究

王 旭，曾 力，高 浩

(武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072)

无论现代化建设如何发展，钢筋混凝土结构仍将是未来最常用的结构形式。普通钢筋混凝土结构使用过程中普遍存在耐久性能差、使用年限达不到预期等问题，直接制约了其在恶劣自然环境下的使用，尤其是在沿海地区、盐湖地区以及盐碱地[1]。而在钢筋混凝土使用过程中，其中钢筋的锈蚀是引起混凝土结构破坏的主要原因之一。氯离子会破坏混凝土中碱环境下钢筋的钝化膜，从而使钢筋产生锈蚀。因此，氯离子渗透扩散性是反映混凝土抵抗氯离子侵人和钢筋腐蚀能力的一个重要参数。为了延缓氯离子对混凝土的侵蚀，许多建筑结构、地下工程等都使用了掺粉煤灰、矿渣等矿物掺合料以提升性能的混凝土，这样可以充分利用粉煤灰与矿渣的优势，改善混凝土性能，达到抵抗氯离子侵蚀的效果[2]。

在混凝土中掺入掺合料以提高混凝土抗氯离子侵蚀性能一直是国内外研究热点之一。Parande等[3]通过试验研究了在混凝土中掺入粉煤灰对混凝土强度和氯离子渗透的影响，发现在掺入粉煤灰后，混凝土的150 d强度及氯离子的渗透性均得到较好的改善。Arya等[4]对掺粉煤灰的混凝土进行氯离子侵蚀研究，发现混凝土掺入粉煤灰之后，孔隙尺寸减小，过渡区界面加强，有效加强了混凝土的抗氯离子侵蚀能力。贺鸿珠[5]对掺粉煤灰的混凝土与普通混凝土进行对比试验，发现粉煤灰混凝土抗渗性和抗氯离子扩散性均优于基准混凝土，粉煤灰的掺入改善了界面性能，使界面具有更大的结合力。

本文选取粉煤灰、矿渣、硅粉三种矿物掺合料进行设计，最终设计11种配合比，进行电通量法试验及快速氯离子迁移系数法(RCM法)试验，从电通量及氯离子迁移系数大小的角度，研究掺合料种类及掺量对混凝土28 d龄期抗氯离子性能的影响。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

原材料采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰、S95级矿渣粉、高加密硅粉、聚羧酸高效减水剂、引气剂、细度模数为3.0的河砂及粒径为5～20 mm的碎石。水泥、粉煤灰和硅粉化学组成见表1(以质量分数计)，河沙的颗粒级配及细度模数见表2。

表1 水泥、粉煤灰和硅灰化学组成

表2 细骨料颗粒级配及细度模数

1.2 试验方法

1.2.1 电通量法

试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)中电通量法试验方法进行。将28 d龄期的混凝土试样，加工成Φ100 mm×50 mm的圆柱体，将待测试件通过真空饱水，然后在试件两端施加直流电压，在电场作用下，处于试件负极一侧的带负电的氯离子向正极移动。系统每0.5 h测一次流过试件的电量，通过测得的连续6 h流过混凝土的电量值，来评价混凝土的渗透性。

1.2.2 快速氯离子迁移系数法(RCM法)

试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082-2009)中RCM法试验方法进行。试验原理是利用外加电场使试件水槽中的氯离子向试件内部迁移。试样同电通量法试样大小及试验前期处理方法一致。在试件两端施加电压一段时间后，在压力机上沿轴向将试件劈开，在劈开的试件的断面喷硝酸银溶液，一段时间后试件断面会出现稳定的白色痕迹，测定白色痕迹的平均高度，以此来表示氯离子渗透的深度，根据深度以及其他测量的数据计算出混凝土中氯离子的迁移系数。

2 配合比设计

提高混凝土防腐性能的方法主要有选择改善混凝土孔隙结构和改变水泥水化。本研究主要是在满足混凝土强度等级设计要求的前提下，通过外掺不同种类的矿物掺合料(包括单掺、双掺及三掺)来研究混凝土的抗氯离子腐蚀性能。

试验共设计11种C35混凝土配合比，其中不掺掺合料混凝土为基准配合比。11种混凝土配合比设计原则为抗压强度及流动性(坍落度达到180～220 mm)相同，且抗压强度均达到设计强度等级C35。11种混凝土设计配合比见表3。

表3 防腐混凝土设计配合比

注：W为水；B为胶凝材料；F为粉煤灰；S为矿渣；SF为硅粉。

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

试验方法处理数据后得到试验结果见表4。

表4 混凝土试件实验结果

3.2 电通量法试验分析

混凝土试块电通量随粉煤灰及矿渣掺量变化的曲线见图1。

图1 混凝土电通量与矿物掺合料掺量及掺入方案的关系

结合表4与图1结果分析可得以下结论：

1)粉煤灰及矿渣粉单掺时均可明显减小混凝土的电通量，表明矿物掺合料的掺加能提升混凝土的抗氯离子侵蚀能力。对比粉煤灰或矿渣粉单掺时的电通量与基准混凝土的降低率，同一掺量下，掺矿渣粉的降低率比粉煤灰低，表明掺矿渣粉对于减少电通量的效果稍好于粉煤灰。

2)相比于矿渣单掺时，矿渣粉与硅粉双掺时的电通量要更小，表明矿渣粉与硅粉双掺时混凝土抗氯离子渗透性能好于单掺时混凝土的性能。在硅粉双掺试验中，粉煤灰与矿渣粉相比，两者的效果并没有很明显差别。

3)粉煤灰、矿渣粉、硅粉三掺且掺量为15%时，对应电通量与基准的降低率在50%以下，明显低于表4双掺时对应的降低率，表明矿物掺合料三掺可进一步降低混凝土的电通量，且降低幅度幅度明显高于掺合料单掺及双掺，掺合料三掺有助于进一步提高混凝土的抗氯离子渗透性能。

3.3 RCM法试验分析

混凝土试块迁移系数随粉煤灰及矿渣掺量变化的曲线见图2。

图2 混凝土电通量与矿物掺合料掺量及掺入方案的关系

由图2及表4可得到以下结论：

1)掺矿物掺合料混凝土的氯离子迁移系数相对于不掺矿物掺合料的混凝土均较小，表明掺矿物掺合料混凝土抗氯离子渗透性能优于不掺矿物掺合料的混凝土。

2)混凝土的氯离子迁移系数随矿物掺合料掺量的增加而降低，且降低幅度明显。

3)矿物掺合料双掺及三掺时混凝土的抗氯离子渗透性能优于单掺的混凝土。且粉煤灰、矿渣粉、硅粉三掺时混凝土的抗氯离子渗透性能最优。

4 孔隙结构分析

本文采用吸水动力学法对不同掺量混凝土的孔隙结构进行分析，意在探索孔隙结构与混凝土抗环境水侵蚀能力的内在联系，最终确定掺合料对混凝土抗氯离子侵蚀的作用机理及效果。吸水动力学法主要通过测试试样在经过干燥处理后，试样在水中每浸泡一段时间吸收水量经过计算得到混凝土中孔隙结构参数，计算公式见式(1)。

wt=wmax(1-e-λtα)

(1)

式中：t为试件在水中浸泡时间，h；wt为t小时后试件的重量吸水率，%；wmax为试件饱和重量吸水率，%；α为孔均匀性；λ为平均孔径。

本文采用吸水动力学法测试及计算得到的混凝土孔隙结构参数(孔隙率P、孔均匀性α及平均孔径λ)结果见表5。

试验结果分析：

由表5试验结果绘图3～图5，其中图4为混凝土28 d孔隙率随掺合料类型及掺量的变化，图5为混凝土28 d平均孔径随掺合料类型及掺量的变化。

表5 混凝土孔隙结构参数测试结果

图3 混凝土28 d孔隙率随掺合料类型及掺量的变化

图4 混凝土28 d孔均匀性随掺合料类型及掺量的变化

图5 混凝土28 d平均孔径随掺合料类型及掺量的变化

由表5及图3分析结果可见：

1)在标准养护条件下，掺入掺合料能有效降低混凝土的孔隙率，掺量增加，混凝土的孔隙率越小。

2)复掺的效果明显比单掺效果较好。

由表5及图4分析结果可见：

在标准养护条件下，掺入掺合料后，各种混凝土的孔均匀性没有明显差异，总体上处在同一水平，表明混凝土中均存在大小不一的孔隙。

由表5及图5分析结果可见：

1)在标准养护条件下，掺入掺合料能有效降低混凝土的平均孔径，掺量增加，混凝土的孔隙率越小。

2)在复掺条件下，混凝土的平均孔径较单掺时要低。

5 结 语

1)在混凝土中无论单掺矿物掺合料、双掺掺合料还是三掺掺合料都能有效改善混凝土的孔隙结构进而提高混凝土抗氯离子侵蚀能力，在掺量相同时，掺矿渣的效果要比掺粉煤灰稍好。在单掺和双掺时，掺量达到15%可有效降低氯离子的渗透能力。

2)在掺入掺合料的方式中，三掺效果最好，其次双掺，单掺效果较差，不掺入掺合料效果最差。

3)在混凝土中掺入掺合料之后能有效降低混凝土的孔隙率及平均孔径，提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力。