负温条件和矿物掺合料耦合作用对混凝土强度和抗渗性影响

郭海贞，张戎令, 2, ，王起才,，代金鹏, ，娄许煜，谢智刚

负温条件和矿物掺合料耦合作用对混凝土强度和抗渗性影响

郭海贞1，张戎令1, 2, 3，王起才1,3，代金鹏1, 3，娄许煜1，谢智刚1

(1. 兰州交通大学 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室，甘肃 兰州 730070；2. 卡迪夫大学 工程学院，英国 卡迪夫 CF24 3AB；3. 兰州交通大学 甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃 兰州 730070)

为研究矿物掺合料在负温养护条件下对混凝土抗压强度和抗渗性的影响规律，并从微观角度解释其内在机理，进行−3 ℃养护条件下双掺不同掺量粉煤灰、矿粉和三掺不同掺量粉煤灰、矿粉、硅灰对混凝土抗压强度、孔隙结构和电通量的试验。试验结果表明:在−3℃养护条件下，掺入矿物掺合料均降低了混凝土早期的抗压强度，但在双掺10%粉煤灰和10%矿粉的基础上，掺入不同掺量的硅灰，掺量为1%时，可有效改善混凝土早期抗压强度；从其渗透性来看，矿物掺合料可以有效改善混凝土的细观孔结构和抗氯离子渗透性能。

负温条件；混凝土；矿物掺合料；强度；抗氯离子渗透；微观机理

我国西北高寒高海拔冻土地区温度常年维持在−3.5~0 ℃，这种高寒，低负温等劣化因素对混凝土耐久性影响很大[1]。长期以来，高寒高海拔地区恶劣的环境严重影响混凝土结构的使用寿命，甚至部分结构物因材质劣化造成过早失效。因此，高寒高海拔地区如何保证混凝土耐久性进行深入研究具有重大意义。随着绿色、环保和混凝土技术发展的需求，为有效利用工业废渣和提高混凝土的耐久性，减少水泥用量，降低成本和保护环境，粉煤灰、矿粉和硅灰等矿物掺合料被广泛应用于混凝土工程中，由于其具有良好的微集料效应、填充效应、火山灰效应、滚珠效应和温峰降低效应等而被人们称之为混凝土第6组成部分。作为混凝土的辅助胶凝材料，矿物掺合料改善混凝土性能而被混凝土研究者所关注，许多学者针对矿物掺合料对混凝土力学性能的改善作用[2−3]以及矿物掺合料对混凝土抗压强度的影响[4]进行了大量研究；李玉平等[5]研究表明矿物掺合料能够优化轻骨料混凝土的微观结构；郭育霞等[6]通过研究内掺和外掺石灰粉对混凝土力学性能和耐久性的影响，结果表明石灰粉外掺的效果明显优于内掺；依据ITZ的成因及其微结构特征，掺加不同物化特性的矿物掺合料能够有效的改善混凝土界面过渡区的微观结构[7−10]；胡翔等[11−12]研究表明矿物掺合料掺入可以改善混凝土抗氯离子渗透的能力,高掺量矿物掺合料混凝土的渗透性对养护条件非常敏感[13]；龙广成等[14]分析得到超细磨粉煤灰、磨细矿渣及硅粉可以提高新拌水泥浆体密实性，能降低混凝土的吸收率和孔隙率，使混凝土更加防水[15]。但是，目前关于矿物掺合料在负温条件下的研究尚有不足，本文通过复掺粉煤灰、矿粉和硅灰在−3 ℃养护下对混凝土强度和抗渗性的试验研究，为高寒高海拔地区矿物掺合料的选取提供参考。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥采用祁连山牌P.O42.5级普通硅酸盐；矿粉为兰州东盛微粉有限责任公司生产S75级矿粉，粉煤灰为中铝电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，硅灰采用青海青瑞集团股份有限公司生产的硅灰；粗骨料采用5~31.5 mm 连续级配碎石，压碎指标10%，表观密度2 670 kg/m3，堆积密度1 650 kg/m3；细骨料采用天然河砂，细度模数2.41，Ⅱ区中砂，表观密度2 610 kg/m3，堆积密度1 514.9 kg/m3，含泥量0.9%；拌合用水采用实验室自来水；减水剂用江苏博特生产的缓凝性聚羧酸系高性能减水剂。水泥和矿物掺合料的检测结果如表1~4所示。

表1 P.O 42.5普通硅酸盐水泥技术指标

1.2 试验方案

1.2.1 强度测试方法

依据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土试块抗压强度试验。将在实验室内新拌合的混凝土浇筑入模后，直接带模具放入−3 ℃恒温大气模拟箱内进行养护，3 d后脱模持续养护(混凝土浇筑完不能过早脱模，为了使初始养护环境和现场环境保持一致，在−3 ℃养护条件下试验发现，混凝土试件浇筑完3 d左右才能基本完成终凝，故需带模养护3 d后再脱模继续养护)，分别测试3，7，14，28，56，84，112和140 d龄期下的抗压强度。

表2 粉煤灰的技术指标

表3 矿粉的技术指标

表4 硅灰的技术指标

1.2.2 孔结构测试方法

孔结构测试方法选用气孔分析法；试验采用RapidAir457孔结构分析仪，对养护至28 d龄期混凝土的孔径分布、气孔数目、硬化含气量、平均气泡弦长等孔结构参数进行测试。测试过程可分为2步：1) 首先将混凝土试块切割成厚度为1~2 cm的试件，表面经打磨、平整、清洁后，放入温度为50 ℃的烘箱烘烤6 h，以便除去试件中的水分，每个试块切割3个试件用来测试，减小由于试件引起的误差；2) 将硫酸钡和凡士林制成的荧光粉试剂均匀涂抹于试件测试面，放入已在测试软件中调好水泥浆体含量、测试范围、阈值等参数的试验台，自动采集数据。

1.2.3 抗氯离子试验方法

混凝土抗氯离子渗透性测定采用多功能混凝土耐久性综合试验仪测试，依据GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的电通量法，试验试件是采用Φ100 mm×50 mm试模制成Φ100 mm×50 mm 的圆柱体试件。试验前先对试件进行打磨、抛光、清洁，然后进行真空饱水；将饱水完成后的试件安装于正、负极两测分别装满浓度为0.3 mol/L的NaOH溶液和质量分数为3%的NaCl溶液的试验槽内，检查密封性良好后，接通电源给试件轴向施加60 V直流恒电压，自动记录记录 6 h 内通过试件的总电量。

1.2.4 试件养护模拟条件

冻土区按照年平均地温分为极稳定冻土(<−5 ℃)、稳定型冻土(−3.0 ℃~−5.0 ℃)、亚稳定型冻土(−1.5 ℃~−3.0 ℃)、过渡型冻土(−0.5 ℃~−1.5 ℃)及不稳定型冻土(+0.5 ℃~−0.5 ℃)等，考虑到大多数多年冻土温度分布在−3 ℃左右，故取−3 ℃作为试验温度。

1.3 配合比设计

在−3 ℃环境下混凝土耐久性很难得到保证，为了得到适用于该环境下混凝土的配合比，混凝土试验水胶比选为0.38，同时复掺粉煤灰、矿粉、硅灰分别代替等质量的水泥，通过−3 ℃养护条件下不同龄期混凝土的强度、孔结构、电通量等性能来研究配合比的优劣性。混凝土配合比如表5所示。

表5 配合比

2 试验结果及分析

2.1 矿物外掺料对混凝土抗压强度的影响

在−3 ℃条件下，对NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6组不同配合比的混凝土进行3，7，14，28，56，84，112和140 d不同龄期的抗压强度测试，试验结果如图1所示。

图1 负温(−3 ℃)混凝土抗压强度

从图1(a)可知，对比NC1，TC1，TC2和TC3 4组混凝土的抗压强度测试结果表明：掺入矿物掺合料明显降低了负温条件下混凝土的早期抗压强度。相对NC1未掺矿物掺合料混凝土，复掺粉煤灰和矿粉对14 d龄期前混凝土强度影响更为明显，掺量越多影响越大，84 d龄期之后，复掺10%粉煤灰和10%矿粉的TC2组混凝土抗压强度增长速率最低。相对不掺矿物掺合料的基准混凝土NC1组，掺入矿物掺合料的TC1，TC2和TC3 3组的混凝土抗压强度明显有所降低，其整体的抗压强度呈现出NC1>TC1> TC2>TC3的趋势。这主要是因为矿粉等矿物掺合料只具有潜在活性，不会与水直接发生反应，一般都是与水泥水化生成的氢氧化钙发生反应，在−3 ℃持续养护下混凝土中部分水的温度已接近冰点，水泥水化缓慢，生成的氢氧化钙含量很少，另外矿物掺合料等量替代水泥也会减少与水发生反应的水泥的用量，这样就更加减少了氢氧化钙的生成，在这种温度和矿物掺合料的耦合作用下，负温养护环境下矿物掺合料的潜在活性不能充分发挥，生成的水化产物不能够良好的将混凝土内部黏结在一起，使得界面过渡区的黏结力不足和黏结程度非常脆弱，从而降低了混凝土早期强度的增长。

从图1(b)可知，在复掺10%粉煤灰和10%矿粉的TC2组基准上，同时采用掺量为1%和3%的硅灰分别等质量代替水泥的SC1和SC2 2组试验结果表明：在负温养护条件下，相对TC2组比较，掺入1%的硅灰的SC1组可以有效的改善混凝土的抗压强度，但在掺3%的硅灰SC2组改善效果并不明显，在84 d龄期之前TC2和SC2 2组混凝土抗压强度基本相同，84 d龄期之后SC2组混凝土抗压强度略高于TC2组。

通过数据曲线拟合分析，图1(a)和1(b)中的强度曲线符合公式(1)的非线性关系：

其中：，和c均为常数。且2均大于0.99，关联性较高。

表6表示不同配合比混凝土拟合公式的相关系数。

表6 混凝土非线性拟合相关系数

2.2 矿物外掺料对混凝土孔径分布的影响

采用气孔分析仪对混凝土28 d龄期的孔隙结构进行测试，试验结果如图2~4所示。

图2 负温(−3 ℃)混凝土孔径分布图

图3 负温(−3 ℃)混凝土气孔数目分布图

图4 负温(−3 ℃)混凝土含气量分布图

−3 ℃条件下，矿物掺合料对混凝土孔径分布的测试结果如图2所示。从图2(a)和2(b)图中混凝土的孔径分布曲线可知，28 d龄期NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6组的混凝土孔径主要分布在0~50 μm和50~1 000 μm范围，分别占总孔径的36.9%，42.1%，43.5%，49.9%，46.1%，50.2%和59.4%，54.9%，51.8%，8.1%，49.3.7%和44.6%，这表明掺入矿物掺合料可以细化混凝土的孔径分布，小孔分布频率增加，大孔出现的频率降低。从对细化孔径分布作用来看，相对对比组(TC1)，掺入矿物掺合料明显减少了分布在50~1 000 μm范围的孔径，而增加了0~50 μm范围的出现概率。从细化效率来看，明显有TC3>TC2>TC1>NC1和SC2> SC1>TC2>NC1的规律，这说明在负温养护条件下，随着矿物掺合料掺量的增加对混凝土的孔径细化作用越明显。

从图3(a)和3(b) 2图中可得，28 d龄期NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6组的混凝土气孔数目主要分布在0~280 μm和280~1 000 μm范围内，其中空白组(NC1)混凝土的气孔数目分别是1 282和316，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 5组在0~280 μm分布区间上分别是NC1组的2.06倍，2.08倍，2.52倍，2.21倍和3.06倍，在280~1 000 μm分布区间上分别是NC1组的0.86倍，0.83倍，0.61倍，0.64倍和0.50倍。这表明孔径数目分布随着矿物掺合料掺量的增加，细小孔的数目越来越多，孔径分布向小孔方向移动，大孔数目减少。

从图4(a)和4(b) 2图中可以看出，28 d龄期NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6组的混凝土含气量主要分布在0~280 μm和280~1 000 μm范围内。其中空白(NC1)组混凝土的含气量分布主要在280~1 000 μm范围内，而TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 5组的混凝土含气量主要分布在0~280 μm范围内。这说明掺入矿物掺合料有效的降低了混凝土含气量在280~1 000 μm范围内的频率，使得0～280 μm范围内的含气量频率增加。这表明在负温条件下，矿物掺合料能够细化混凝土的孔径分布，减少280~1 000 μm范围内气孔数目，增多0~280 μm范围内的气孔数目，使得混凝土细小孔的分布增加，大孔减少，从而出现小孔含气量增加，大孔含气量减少的现象。这主要是因为水泥的平均粒径一般在20～30 μm，小于10 μm的粒径占比不大，所以其填充性能不好，而粉煤灰、矿粉的平均粒径约为3～6 μm，硅灰的粒径更细约为0.10~0.26 μm，在水化缓慢的负温条件，可以作为微细集料的填充水泥石中的微小空隙，优化了水泥石与粗骨料间的界面结构，从而改善了混凝土的细观孔隙结构的分布和抗渗透性能。

2.3 矿物外掺料对混凝土硬化含气量和平均气泡弦长的影响

对混凝土28 d和56 d龄期的硬化含气量和平均气泡弦长进行测试，试验结果如图5所示。

图5 负温(−3 ℃)混凝土气孔间距系数与硬化含气量图

由图5可以看出，NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6组不同配合比混凝土的气孔间距系数和硬化含气量随着龄期的增加均呈现减小趋势，两者具有正相关性。对比NC1，TC1，TC2和TC3复掺粉煤灰和矿粉的4组混凝土，测试结果表明气孔间距系数和硬化含气量随着掺量的增加均呈现减小趋势；28 d时NC1，TC1，TC2和TC3 4组混凝土气孔间距系数和硬化含气量分别是203，153，141，136 μm和8.56%，8.18%，7.96%，7.73%，这表明相对NC1组，掺入掺合料的TC1，TC2和TC3 3组对混凝土气孔间距系数和硬化含气量均有显著的改善作用，但TC1，TC2和TC3 3组横向对比其改善作用并不明显。

由NC1，TC2，SC1和SC2 4组混凝土测试结果可知，掺入1%和3%的硅灰可有效减小混凝土气孔间距系数和硬化含气量。这表明在复掺粉煤灰和矿粉基础上，掺入一定掺量的硅灰(1%～3%)可以更好的改善混凝土的孔径分布和相关的参数指标。

2.4 矿物外掺料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

图6是28 d和56 d龄期不同配合比混凝土抗氯离子渗透和平均孔径的测试结果。从图6可以看出，随着龄期的增长不同配合比的混凝土电通量和平均孔径越来越小；对比NC1，TC1，TC2和TC3 4组混凝土可得，随着矿物掺合料掺量的增加混凝土电通量和平均孔径越来越小。从对抗氯离子渗透性能和孔径优化作用上来看，随着掺量的增加矿物掺合料对的平均孔径的改善具有明显作用，而对抗氯离子渗透性能的改善相对较弱。从复掺粉煤灰、矿粉和三掺粉煤灰、矿粉、硅灰对混凝土的抗渗性来看，三掺粉煤灰、矿粉、硅灰的改善作用明显优于复掺粉煤灰、矿粉，这主要是因为硅灰的颗粒粒径比粉煤灰和矿粉的粒径更为细小，能够更好的填充水泥、粉煤灰、矿粉三者粒径间的缝隙，改善孔径分布，降低水泥石中的总孔隙率和连通孔的数量，从而有效的减少了可能形成的渗水通道，提高了氯离子渗入混凝土内部的难度[14]。

图6 负温(−3 ℃)混凝土电通量与平均孔径图

3 结论

1) 复掺不同掺量粉煤灰和矿粉均降低了混凝土早期的抗压强度，但在复掺10%粉煤灰和10%矿粉的基础上掺入1%的硅灰后，可以有效的改善负温养护条件对强度增长的抑制作用，缩短达到等强度的天数。

2) 掺入矿物掺合料可以有效改善混凝土孔径分布，使得气孔频率、气孔数目、含气量在0~280 μm气孔弦长区间内的增加，280~1 000 μm气孔弦长区间内减少。

3) 掺入矿物掺合料能够有效的提高混凝土抗氯离子的性能，三掺粉煤灰、矿粉、硅灰比复掺粉煤灰、矿粉对改善混凝土的抗渗性效果更好。

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Influence of negative temperature condition and mineral admixture coupling on strength and impermeability of concrete

GUO Haizhen1, ZHANG Rongling1, 2, 3, WANG Qicai1, 3, DAI Jinpeng1, 3, LOU Xuyu1, XIE Zhigang1

(1. Key Laboratory of Road & Bridges and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2. Cardiff University, School of Civil Engineering, Cardiff, UK, CF24 3AB;3. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road & Bridge Disaster Prevention and Control, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to study the influence of mineral admixtures on the compressive strength and impermeability of concrete under negative temperature curing and to explain its internal mechanism from a microscopic point of view, the compressive strength, pore structure and electric flux of concrete cured at 3 ℃ were tested by mixing fly ash, slag powder and silica fume with different content of fly ash, slag and silica fume. The test results show that the early compressive strength of concrete decreases with the addition of mineral admixtures under the curing condition of 3 ℃,but on the basis of mixing 10% fly ash and 10% mineral powder, mixing different amount of silica fume with 1% content can effectively improve the early compressive strength of concrete. respectively From the perspective of permeability, mineral admixtures can effectively improve the mesoporous structure and chlorine resistance of concrete ion permeability.

crocosmic mnegative temperature conditions; concrete; mineral admixture; strength; antichloride ion penetration; miechanism

TU528

A

1672 − 7029(2019)10− 2475 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.10.013

2018−12−27

国家自然科学基金资助项目(51268032，51768033)；青年人才托举工程(2015QNRC001)；飞天学者特聘计划；长江学者和创新团队发展计划滚动支持项目(IRT_15R29)；中国交建2016年创新平台建设应用基础研究资助项目(2016-ZJKJ-PTJS04)；甘肃省高校协同创新科技团队支持计划资助项目(2017C-08)；陇原青年创新创业人才团队计划

张戎令(1984−)，男，内蒙古人，教授，博士，从事干寒地区材料与结构耐久性、系杆拱桥力学性能研究；E−mail：mogzrlggg@163.com

(编辑 涂鹏)