大掺量矿物掺合料混凝土的渗透性指标相关性研究

汪 彬 孟振亚

（江苏苏博特新材料股份有限公司， 江苏 南京 211103）

0 引言

随着混凝土超塑化剂开发技术和矿物掺合料应用技术得到快速发展，实际工程中使用的混凝土越来越趋于低水胶比、大流动度、大矿物掺合料化[1]。影响大掺量矿物掺合料混凝土的耐久性因素较多，归结起来有一个相同的特征，水、有害液体及有害气体在大掺量矿物掺合料混凝土内部的传输渗透特性是影响大掺量矿物掺合料混凝土耐久性能的重要指标。因此，研究大掺量矿物掺合料混凝土耐久性能时应先科学合理的评价混凝土的渗透性能。与传统混凝土类似，大掺量矿物掺合料混凝土表面对结构起着保护作用，周围的环境因素对混凝土结构的物理、化学侵蚀一般是从表面开始。通常混凝土在使用过程中其外表面是直接暴露于服役环境中，服役环境中的自由水、有害液体及有害气体均可以通过传输梯度由混凝土外表面进入混凝土结构内部，影响混凝土服役性能，故混凝土渗透性与耐久性密切相关，可以通过混凝土的渗透性来评价混凝土的耐久性。根据传输介质的不同可将混凝土的渗透性能分成透水渗透性、透气渗透性和透离子渗透性，因此出现了几种不同的表征混凝土渗透性能的测试方法。目前常用的几种测试混凝土渗透性的方法均有自己的使用特点和应用场所，但也存在一定的不足之处，需要进一步完善。而且由于这几种表征混凝土渗透性能的测试方法的量纲差异性，即使采用相同的传输介质来测试混凝土的渗透性，由于试验条件的变化，导致测试结果之间不能进行有效的相互比较[2]。目前关于大掺量矿物掺合料混凝土渗透性能的研究已有很多，但不同研究者之间存在着明显不一致的结论，且目前的研究[3～4]主要集中在仅用某种单一的测试方法来研究混凝土渗透性能。因此，为了综合评价混凝土渗透性能，需要在不同的渗透介质中考察同一混凝土的传输特性，对比研究几种渗透性指标之间的相关性，探讨统一大掺量矿物掺合料混凝土渗透性的评价方法和测试技术的可行性，为用渗透性指标评价大掺量矿物掺合料混凝土的耐久性提供依据。

1 原材料、配合比和试验方法

1.1 原材料

试验以金宁羊42.5 水泥，南京某电热厂Ⅰ级粉煤灰，江苏某公司生产S95 级矿粉为胶凝材料，以5～20mm 连续级配的玄武岩碎石为粗集料，以细度模数为2.60的河砂为细集料，以江某公司生产的聚羧酸系高效减水剂PCA 为混凝土流动性调控组分。试验所用水泥、粉煤灰和矿粉的化学组成(本文中的含量、组成、掺量等均为质量分数)见表1。

表1 水泥、粉煤灰和矿粉的化学组成（%）

1.2 配合比

为了研究大掺量矿物掺合料混凝土渗透性能的影响规律，试验以纯水泥体系、单掺30%粉煤灰、单掺45%矿渣以及复掺15%粉煤灰和45%矿渣体系为研究对象，同时在复掺15%粉煤灰和45%矿渣体系中研究0.32、0.37 和0.42 三种不同水胶比条件下的性能，混凝土具体配合比如表2 所示。

表2 试验用混凝土配合比(kg/m3)

1.3 试验方法

参照德国Aachen 业大学建筑材料研究所提出的氯离子电迁移快速试验方法进行氯离子扩散系数试验，采用Φ100mm×300mm 试模成型Φ100mm×300mm 圆柱体混凝土试件，24h 脱模后在标养室标准养护至规定龄期后取出，先将Φ100mm×300mm 混凝土试件切割制成Φ100mm×50mm 的标准试件，其次将试件真空饱水24h，然后再将试件装入橡胶筒内，用两个环箍施加扭矩固定，使试件的侧面处于密封状态，最后将装有试件的橡胶筒装到试验槽中，安好阳极板，在橡胶筒中注入约300ml 的0.2mol/L 的KOH 溶液，使阳性板和试件表面均浸没于溶液中。接通直流电源，通电完毕后取出测试试件并将其劈成两半，然后在劈开的试件表面喷涂0.1mol/L 的AgNO3溶液，测量氯离子渗透深度，计算氯离子扩散系数。

参照美国ASTM C1202 标准进行电通量试验，其测试电压为60V，通电时间为6h。采用100mm×100mm×300mm 试模成型100mm×100mm×300mm 的棱柱体混凝土试件，24h 脱模后在标养室标准养护至规定龄期后取出，先将100mm×100mm×300mm 混凝土试件切割制成100mm×100mm×50mm 的标准试件，其次将试件真空饱水24h，然后将试件放入两端浓度为0.3mol/L 的NaOH 溶液和3%的NaCl溶液的电解池内中，轴向施加60V 直流电压，记录初始电流并每隔5min 测量一次通过试块的电流，持续6h，根据6h 通电时间内电流变化计算总电量Q。

采用Torrent 渗透性测试方法进行气体渗透性试验，测试装置内设有内外两个真空室，采用压力传感器平衡内室和外室的压力，根据内室和外室压力的改变，估计混凝土的孔隙率，计算混凝土的透气性系数KT。试验采用150mm×150mm×300mm 试模成型150mm×150mm×300mm 的棱柱体混凝土试件，24h 脱模后在标养室标准养护至规定龄期后取出，然后将测试试件在50℃高温环境中先干燥7d，最后用Torrent 渗透性测试装置测试并计算试件的空气渗透性。

参照美国ASTM C1585 标准进行毛细管吸附试验，采用100mm×100mm×100mm 试模成型100mm×100mm×100mm 的立方体混凝土试件，24h 脱模后在标养室标准养护至规定龄期后取出，然后把混凝土试件放入50℃烘箱中烘干至恒重，记录试件的质量，精确到0.01g。保留上下两侧面，其余面用石蜡材料密封，然后放入容器中，背水面表面覆盖一塑料薄膜，在20±1℃温度条件下进行试验。测定0h、1h、2h、4h、6h、12h、24h、56h 时间的毛细管吸水量，然后用线性回归分析的方法，对毛细管吸附量I 与s1/2时间进行相关性分析，确定毛细管吸附率(mm/ s1/2)。

2 试验结果与分析

2.1 氯离子扩散系数与电通量的相关性

将六组不同胶凝材料体系和不同水胶比的混凝土试件标准养护7d、28d、56d、和90d 后分别测试其氯离子扩散系数和电通量，然后将这六组混凝土氯离子扩散系数和电通量数据进行相关性分析，探讨大掺量矿物掺合料混凝土氯离子扩散系数与电通量的相关性，结果见图1 所示。由图可知，六组混凝土的氯离子扩散系数与电通量之间存在明显的线性关系，且满足线性方程：Y=0.366+0.00265X，且二者的相关性系数R2达到0.954，相关性良好。这与Yang 等人的研究基本一致，基本上反映了电通量与氯离子扩散系数之间具有稳定的比例关系，而不受胶凝材料体系和养护龄期的影响。

2.2 氯离子扩散系数与气体渗透性的相关性

将六组不同胶凝材料体系和不同水胶比的混凝土氯离子扩散系数与干燥7d 时的混凝土气体渗透性系数之间进行相关性分析，探讨大掺量矿物掺合料混凝土氯离子扩散系数与气体渗透性系数的相关性，结果见图2 所示。从图中可以看出，混凝土氯离子扩散系数与气体渗透性系数呈线性相关，且满足y=a+b*x，且在0.95置信度水平下相关性系数分别为0.889，相关性较为显著。Zbigniew[6]等人在研究中也发现，氯离子扩散系数与气体渗透性系数之间存在较好的相关性。

图1 大掺量矿物掺合料的混凝土氯离子扩散系数与电通量之间的相关性

图2 大掺量矿物掺合料的混凝土氯离子扩散系数与气体渗透性系数之间的相关性

2.3 氯离子扩散系数与毛细管吸水率的相关性

将六组不同胶凝材料体系和不同水胶比的混凝土氯离子扩散系数与混凝土毛细管吸水率之间进行相关性分析，探讨大掺量矿物掺合料混凝土氯离子扩散系数与混凝土毛细管吸水率的相关性，结果见图3 所示。从图中可以看出，大掺量矿物掺合料混凝土氯离子扩散系数与毛细管吸水率之间呈线性相关，且满足y=a+b*x，且在0.95 置信度水平下相关性系数为0.748，混凝土氯离子扩散系数与混凝土毛细管吸水率之间存在一定的相关性，但相关性程度不如混凝土氯离子扩散系数与混凝土电通量之间的相关性。

2.4 毛细管吸附率与气体渗透性系数的相关性

将六组不同胶凝材料体系和不同水胶比的混凝土毛细管吸水率与混凝土气体渗透性系数之间进行相关性分析，探讨大掺量矿物掺合料混凝土毛细管吸水率与混凝土气体渗透性系数的相关性，结果见图4 所示。从图中可以看出，与大掺量矿物掺合料混凝土氯离子扩散系数与毛细管吸水率线性相关规律类似，大掺量矿物掺合料混凝土的毛细管吸附率与混凝土气体渗透性系数之间也存在一定的相关性，这种相关性同样满足y=a+b*x，且在0.95 置信度水平下相关性系数为0.780，但相关性程度不如混凝土氯离子扩散系数与混凝土电通量之间的相关性。

图3 大掺量矿物掺合料的混凝土氯离子扩散系数与毛细管吸水率之间的相关性

图4 大掺量矿物掺合料的混凝土毛细管吸水率与毛细管吸水率之间的相关性

3 结论

通过对混凝土渗透性指标之间的相关性分析发现，混凝土氯离子扩散系数与电通量、气体扩散系数、毛细管吸水率之间相关性系数分别为0.954、0.889 和0.748，氯离子扩散系数与电通量和气体扩散系数之间的相关性较好，而与毛细管吸水的相关性较差。但是都存在一定的相关性。因此，在评价混凝土的渗透性时，可以把评价混凝土渗透性指标统一到氯离子扩散系数上来，实现混凝土渗透性的评价方法和测试技术的统一，但后续还需要进一步大量的实验和理论研究为支撑。