海工磨细矿渣混凝土的冻渗性与孔结构研究

杨文武，杜蓬娟，范 伟，李 想

(大连民族大学土木工程学院，大连 116650)

0 引 言

寒冷地区海洋环境下混凝土的耐久性问题是一种典型复杂的与海水侵蚀和抗冻性有关的劣化过程，尤其是海水中的氯离子对钢筋锈蚀产生不利影响，冻融循环作用又对混凝土产生很大破坏。近年来，沿海地区大型工程日益增多，对遭受海水侵蚀和冻融循环双重耦合作用下的海工混凝土需求量剧增，因此研究抗冻性和抗氯离子渗透性(简称冻渗性)耦合作用下的海工混凝土性能具有很高的应用价值[1-4]。在海水侵蚀条件下混凝土的冻渗性耦合作用的影响过程很复杂，国内外对混凝土冻渗性的研究很多，涉及混凝土中的水泥掺合料、外加剂、内部裂缝特征、孔结构特征、碳化和饱和度等[5-8]，研究内容和范围也非常广泛，有一定的参考价值。但纵观其研究方法，尤其是针对海洋环境下的混凝土耐久性研究还存在不足，如混凝土试件由于浸泡海水时未考虑饱和度的影响[8]，导致试件内部所含海水或盐分的含量不足，冻渗性试验溶液介质有的用单一的盐溶液或人工海水来替代研究等。混凝土冻渗性耦合的评价方法和影响因素研究还不多，这些研究能否在实际工程中很好地应用还需进一步探讨。

本文模拟中高纬度海洋环境特点，针对混凝土冻渗性耦合作用，通过改变养护方式使得试验试件达到海水饱和或含盐量较高的状态，从而更接近实际服役海工混凝土的状态，用新的R值评价方法[9]研究磨细矿渣掺合料、引气剂、水胶比、孔结构特征等对混凝土冻渗性的主要影响，以期研究结果具有一定海防工程参用价值。

1 实 验

1.1 原材料与混凝土配合比

水泥(C)，大连水泥厂P·Ⅱ 42.5水泥；磨细矿渣(GGBS)，S95级，比表面积430 m2/kg；减水剂，NF1型萘系高效减水剂，所有配合比内掺均为1%；引气剂，SJ-2引气剂；细骨料(S)，中砂，细度模数2.65，属Ⅱ区级配；粗骨料(G)，粒径5～16 mm碎石，连续级配；水(W)，自来水。矿粉、减水剂和引气剂的掺量为占胶凝材料(B)总量的质量比。混凝土配合比及其它测试性能见表1。

表1 磨细矿渣混凝土配合比和性能Table 1 Mix proportions and properties of GGBS concrete

1.2 试件制备与试验方法

混凝土拌合物按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能试验方法标准》搅拌成型，外加剂先溶于水中再掺加。所有混凝土试件成型3 d后脱模，放入净化天然海水中养护28 d龄期，海水温度为(20±2) ℃，15 d更换1次海水。混凝土抗压强度试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，冻融和动弹性模量试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，氯离子渗透试件尺寸为100 mm×100 mm×50 mm。混凝土抗压强度参照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。海工混凝土冻融循环按照JTJ 270—98《水运工程混凝土试验规程》的快冻方法执行，冻融介质为天然海水，冻融循环做300次，25次做一个横向基频动弹性模量和质量损失测试。混凝土氯离子渗透试验按照CCE S01—2005《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中的NEL方法执行。压汞法(Mercury Intrusion Porosimetry，MIP)实验仪器采用9162A型水银高压测孔仪，混凝土试样粒度约3～5 mm，用无水乙醇终止水化后，置于65 ℃的烘箱中烘干至质量恒重，然后进行压汞实验，实测最大压力为300 MPa，所测试验数据按公式P=750/r计算出累计压汞量等孔结构参数，其中，P是压力，r是孔隙半径。

2 试验结果

2.1 混凝土抗冻性试验

表2是混凝土试件在海水中养护28 d，最高冻融循环至300次，混凝土抗冻耐久性指数(DF)以及冻融循环后试件的重量损失率(SN)的试验结果，其中试件OPC/GGBS1/GGBS2未到300次即冻坏(DF<75%)。

表2 海水中冻融循环耐久性指数和重量损失Table 2 Durability factor and mass loss after freeze-thaw cycles in seawater

2.2 混凝土氯离子渗透试验

表3是海水中养护28 d，试验测得的混凝土试件的氯离子扩散系数(DNEL)试验数据。

表3 28 d氯离子扩散系数Table 3 Chloride ions diffusion coefficients at 28 d /(cm2·s-1)

2.3 MIP试验

图1(a)和图1(b)分别为OPC、GGBS2和GGBS5试件在海水中冻融循环最高至300次，然后取样进行MIP试验所得孔径分布的积分曲线和微分曲线。表4列出的是MIP试验数据通过计算所得的总孔隙率、临界孔径和平均孔径结果以及最可几孔径的尺寸范围。

图1 海水中300次冻融循环后OPC、GGBS2和GGBS5孔结构的MIP结果Fig.1 MIP results of OPC, GGBS2 and GGBS5 after 300 free-thaw cycles in seawater

表4 MIP试验结果参数汇总Table 4 Summary of resulting parameters from MIP experiment

3 结果与讨论

3.1 混凝土冻渗性的影响因素

本文试验研究主要是从同时考虑混凝土抗冻性-抗氯离子渗透性的耦合性能角度出发，分析讨论在海洋环境下混凝土冻渗性的影响因素。

表5中列出的是R=DF/DNEL的计算结果，R值评价方法和表征的物理意义见文献[9]。表5中R值大小排序为：GGBS5>GGBS7>GGBS4>GGBS6>GGBS3>GGBS8>OPC>GGBS1>GGBS2。从排序可以看出，掺加引气剂有助于提高R值，在引气剂混凝土中掺加矿粉，R值提高幅度更大，引气剂似乎助长了矿粉潜在性能的发挥从而改善了内部孔结构的孔隙分布，引气剂的掺入某种程度上可以弥补矿粉对降低R值所带来的不足，使矿粉对提高混凝土的冻渗性产生了有益的作用。

表5 磨细矿渣混凝土的R值Table 5 R-value of GGBS concretes /(s·cm-2)

图2(a)～(d)分别显示了R值与水胶比、GGBS掺量、引气剂掺量、28 d抗压强度的对应关系。

图2(a)显示了引气剂与矿粉掺量固定时，水胶比与R值的变化关系。结合表1和表5可以看出，随着水胶比增大，R值逐渐减小，结果表明，掺加引气剂和矿粉混凝土的冻渗性明显降低。

图2(b)中曲线1是SJ-2掺量为0%、水胶比为0.35的混凝土，曲线2是SJ-2掺量为0.01%、水胶比为0.40的混凝土，结合表1和表5可以看出，掺加引气剂和矿粉的曲线2的R值明显高于曲线1的不掺加引气剂的矿粉混凝土。对于曲线1的非引气混凝土，随着矿粉掺量增加，R值缓慢下降，表明矿粉掺加有减小混凝土的冻渗性的作用。曲线2是引气混凝土，随着矿粉掺量增大，R值明显增大，表明矿粉掺量增大明显提高引气混凝土的冻渗性。

图2(c)为当水胶比和矿粉掺量固定不变时，SJ-2引气剂掺量对R值的变化曲线。结合表1和表5可以看出，当引气剂掺量增大或含气量增大(见表1)时，R值增大，但SJ-2掺量超过0.01%，R值增长趋势明显变缓，说明引气剂掺量或含气量过大，混凝土的冻渗性增长效果不显著，实际应用中宜综合考虑引气剂的掺量。

图2 各种因素对GGBS混凝土R值的影响Fig.2 Effect of various influencing factors on R-value of GGBS concrete

图2(d)是9组混凝土试件海水养护28 d的抗压强度与R值变化的关系。可以看出，混凝土抗压强度等级在40～60 MPa范围内，R值大小与强度值离散性比较大，没有明显的规律性。

以上R值讨论的结果与已有的研究混凝土抗冻性[1,3]以及研究氯离子渗透性文献[5-7]有很好的相关性，研究结果和趋势相互比较基本吻合。

3.2 R值与孔结构的关系

在R值与混凝土宏观性能的影响因素分析基础上，根据R值大小，选取冻融循环后R值最小的GGBS2、R值最大的GGBS5以及对比样OPC做MIP试验，用于探讨孔结构的细观试验是否与宏观结果相对应。

根据图1(b)结合表4和表5可以看出，OPC、GGBS2、GGBS5都出现了明显的单峰，OPC最可几孔径为57.47 nm，GGBS2最可几孔径为105.46 nm，二者都属于较大的有害孔；GGBS5最可几孔径为42.90 nm属于少害孔。混凝土冻渗后最可几孔径大小：GGBS2>OPC>GGBS5，R值大小：GGBS2

图3是按照文献对孔的分类方法[10-12]，用无害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)进行四种类型孔隙划分，然后根据MIP数据计算出四种级别孔径的孔隙体积占孔隙总体积的比例分布所做柱状图。根据表4和图3可知，总孔隙数量：GGBS2>GGBS5>OPC，50 nm以下范围无害孔和少害孔的比例：GGBS5>OPC>GGBS2，50 nm以上有害孔和多害孔的比例：GGBS5

图3 OPC、GGBS2和GGBS5混凝土各类孔隙的分布Fig.3 Pore size distribution of OPC, GGBS2 and GGBS5

4 结 论

(1)对于掺加磨细矿渣的海工混凝土，无论掺加引气剂与否，水胶比增大，R值逐渐减小；不掺引气剂，矿粉掺量增大，R值逐渐减小；掺加引气剂，随着矿粉掺量增大，R值增大；引气剂掺量增大，R值增大明显，但掺量超过0.01%，R值增长不显著；抗压强度等级在40～60 MPa范围内，其R值与强度没有明显的规律性。

(2)掺加磨细矿渣和引气剂的海工混凝土冻渗后，R值与无害孔和少害孔总体积比例有一定的相关性，与最可几孔径大小有明显的反比对应关系，与总孔隙率、临界孔径、平均孔径没有明显的对应关系。