单掺矿物掺合料混凝土性能研究

马宝富

（中交公路规划设计院有限公司，北京 100088）

引言

混凝土结构是迄今为止应用最为广泛、性能最为优异的建筑结构[1]，但在结构正常使用年限内，混凝土结构由于外界环境、自身材料和施工等因素发生不同程度的损伤，轻则出现肉眼可见的裂缝，造成使用者的心理压力，重则出现混凝土保护层剥落、钢筋严重锈蚀等现象，结构不得不修复或报废，造成很大的经济损失。

混凝土结构设计从初始的许用应力法至现在应用的基于概率的分项系数设计法，均为基于结构的安全性进行设计[2-3]，设计人员均认为结构达到规定的安全性要求就可以在设计使用年限内正常使用结构。随着技术发展及对建筑结构要求的提升，混凝土结构的耐久性设计尤为重要，现有规范关于耐久性设计多为定性要求，包括规定其最小保护层厚度、最小混凝土强度等级、最大水胶比等[4-5]，而对于氯化物环境中还特别规定了以28 d基于快速氯离子迁移系数法（RCM）试验测得的混凝土氯离子扩散系数[6]，表征其抗氯离子侵入性指标的最大限值。此外，对于定量耐久性设计，此参数也是设计基本变量，起着十分重要的作用。因此，研究28 d龄期下以RCM试验测得的氯离子扩散系数十分必要。

高性能混凝土具有高强度、高耐久性等特点，是现代混凝土结构的应用趋势，其配比是在原有普通混凝土基础材料上加入适量的高效外加剂及矿物掺合料。硅灰是一些硅合金冶炼过程中排放的以无定形氧化硅为主的超微颗粒，掺入至混凝土中可大幅提高混凝土的工作性能、密实性能、强度、抗渗等耐久性能；粉煤灰又称飞灰，为火电厂煤燃烧后由烟道排出的废弃粉末，将其掺入混凝土中亦可大幅提高混凝土结构的工作性能及耐久性能。此外，硅灰和粉煤灰是工业生产的工业废料，将其作为矿物掺合料适量掺入混凝土也可做到废物利用，资源优化及可持续发展。

1 试验材料及方法

1.1 试验原材料

（1）42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为360 m2/kg，28 d抗压强度为49.5 MPa；（2）硅灰比表面积为22 000 m2/kg；（3）粉煤灰I级，比表面积为450 m2/kg，水泥、硅灰及粉煤灰的化学成分见表1；（4）中砂细度模数为2.5；（5）5～25.5 mm连续级配碎石；（6）普通生活用水；（7）聚羧酸类高效减水剂。

表1 水泥、硅灰及粉煤灰的化学成分比/%

1.2 试验方法及设备

1.2.1 坍落度试验

为测定新拌混凝土的流动性，试验测定混凝土拌合物的坍落度。试验基于流变原理，利用混凝土拌合物的自重，判定其工作性能，应用广泛，操作简单，但仅适用于新拌混凝土，且人为因素影响大。

操作步骤：（1）将试验用坍落度筒、捣棒以及铁板用水润湿，然后将坍落度筒放在平整铁板上，踩住脚踏板；（2）分三次装填新拌混凝土，每次装填略高于坍落度筒的均分区域，然后沿螺旋线用捣棒由边缘至中心插捣，每次25下，在最后一层插捣过程中应该随时加料以保证混凝土高于筒口；（3）插捣完成在5～10 s内平稳地将筒体取下，放于新拌混凝土旁，整个试验控制在150 s内；（4）把标尺放在试样顶端，读拌合混凝土至塌落度筒顶部的差值，精确到1 mm。

1.2.2 混凝土立方体抗压试验

混凝土抗压强度采用WHY-3000型微机控制全自动压力试验机。混凝土制备完成1 d后拆模，标准养护28 d后进行混凝土立方体抗压试验。操作步骤：（1）将混凝土试块从养护室取出后擦拭干净，检查外观并测量尺寸；（2）将混凝土试块放置试验机下压板中心，保证承压面与成型顶面垂直；（3）启动试验机，当上压板与试块接近时，调整球座以使接触平衡；（4）新建试验，输入试块尺寸及其他信息，查看控制参数，负荷、位移清零；（5）加载，试块破坏后试验自动停止。

1.2.3 快速氯离子迁移试验

以RCM法进行抗氯离子渗透试验是测定混凝土中非稳态迁移的迁移系数，来确定混凝土的抗氯离子渗透性能，原理是将试件置于阴极溶液和阳极溶液间，施加外电场，一定时间电迁移后将试件沿轴向劈开，根据显色指示剂的区域确定混凝土氯离子扩散系数。

试验操作步骤[7]：（1）试件标养28 d后取出，将表面擦净，用游标卡尺确定直径和高度，精确至0.1 mm；（2）试件面干状态下进行真空处理，试件间保留一定孔隙，应在5 min内将压强减少至1～5 kPa，保持该真空度3 h，运转下注入饱和氢氧化钙溶液，浸泡试件1 h后恢复常压，继续浸泡18±2 h；（3）试件取出后，电吹风冷风档吹干，装入硅橡胶套底部，安装环箍拧紧至扭矩30±2 N·m，安装阴极板后放置试验槽中，安装阳极板；（4）在硅橡胶套中注入约300 mL浓度为0.3 mol/L的氢氧化钠溶液，保证浸没阳极板和试件，在试验槽中注入12 L质量浓度为10%的氯化钠溶液，使其与硅橡胶套中液面平齐；（5）将电源阳极与硅橡胶套中阳极板连接，电源阴极与试验槽中阴极板连接，安装温度传感器；（6）利用RCM扩散系数测定仪测定，电源开启后将电压调整至30±0.3 V，记录初始电流，确定施加电压、新的初始电流及持续时间，记录温度及电流值；（7）断开电源，取出试件，冲洗擦净，沿轴向劈开，立即喷涂0.1 mol/L的硝酸银溶液，15 min后观察颜色变化，用防水笔描出并用游标卡尺测量距离，精确至0.1 mm；（8）试验结束后排除溶液，清洗后用电吹风冷风档吹干。

2 试验设计

试验研究0.3、0.4、0.5三种水胶比情况下普通混凝土、单掺硅灰（SF）或粉煤灰（FA）混凝土的工作性能、力学性能及耐久性能，单掺时硅灰掺量分别为3%、5%、8%，粉煤灰掺量分别为10%、20%、30%、40%，试验配合比见表2。

表2 试验配合比/（kg·m-3）

混凝土立方体抗压试验选用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，每组试验三块；快速氯离子迁移试验采用Φ100 mm，高度为50 mm的圆柱体试块，每组试验三块。

3 试验结果分析

3.1 坍落度试验结果与分析

新拌混凝土的坍落度是判定混凝土结构和易性和工作性能最重要的参数，图1（a、b、c）为不同水灰比及不同硅灰、粉煤灰掺量对混凝土坍落度的影响。可知，不论是普通混凝土还是掺入硅灰或粉煤灰的混凝土，坍落度均随着水灰比的增加呈增长趋势；坍落度随着硅灰掺量的增加呈降低趋势；坍落度随粉煤灰掺量的增加呈先增长后降低的趋势。

图1 坍落度试验结果

分析原因：（1）当水灰比增加时，用水量增加，故坍落度会明显增长。（2）掺入硅灰时，坍落度降低，因硅灰的比表面积为22 000 m2/kg，远大于水泥的比表面积，拌和后硅灰会吸附大量的水，导致拌合物中浆体稠度增加，流动性降低，导致坍落度降低。（3）对于掺入粉煤灰的混凝土，坍落度先增加后下降，是因为即使粉煤灰的比表面积略大于水泥，但其颗粒为近似表面光滑的球体，利于浆体间相对滚动，称为“滚珠效应”，且在一定范围内随掺量的增加效应越显著，但粉煤灰掺量超过30%时，比表面积持续增大，吸附水量增加，坍落度呈降低趋势。

3.2 抗压强度试验结果与分析

立方体抗压强度是判定混凝土质量的重要指标之一，图2为不同水胶比下不同硅灰、粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响。

图2 混凝土抗压强度变化曲线

可知：（1）随着水灰比的增加，混凝土抗压强度降低。（2）随着硅灰掺量的增加，混凝土抗压强度增加；而随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗压强度降低。（3）硅灰比表面积很大，微集料填充效应使其填充于混凝土浆体孔隙间，改善胶凝材料的集配，增大混凝土的密实度，因此其抗压强度提高。（4）虽然粉煤灰也具有火山灰活性，但其黏结粗细骨料的能力远低于水泥，且早期水化能力很弱，在标养28 d后仍未充分发挥其二次水化能力，导致混凝土强度较低。

3.3 氯离子扩散系数试验结果与分析

混凝土氯离子扩散系数是表征混凝土结构耐久性能的重要参数，亦是反映混凝土抵抗氯离子侵蚀能力的重要指标之一。图3为不同水胶比下不同硅灰、粉煤灰掺量对混凝土氯离子扩散系数的影响。

图3 氯离子扩散系数变化曲线

可知：（1）随着水灰比的增加，混凝土氯离子扩散系数增加。（2）随着硅灰掺量或粉煤灰掺量的增加，混凝土氯离子扩散系数降低。分析原因：（1）随着水胶比的增加，混凝土质量降低，密实度下降，因此其抵抗氯离子侵入的性能下降，氯离子扩散系数增加。（2）粉煤灰或硅灰的掺入，火山灰效应使得矿物掺合料中的火山灰活性物质与水泥水化产物发生二次水化反应，提高结构致密性，此外微集料填充效应也使得微细颗粒填充于混凝土内部孔隙，所以氯离子扩散系数降低。

4 结语

通过研究水胶比为0.3、0.4、0.5三种情况下普通混凝土结构、单掺硅灰的混凝土结构、单掺粉煤灰的混凝土结构的坍落度、立方体抗压强度及氯离子扩散系数，得到结论：（1）随着水胶比的增加，混凝土坍落度增加，但混凝土抗压强度及抗氯离子渗透性降低。（2）在混凝土中掺入硅灰虽降低其工作性能，使得坍落度有所下降，但提高了混凝土的抗压强度及抗氯离子渗透性，且随着掺量的增加，性能提升越明显。（3）粉煤灰的掺入可以改善混凝土的工作性能及抗氯离子渗透性能，但一定程度上降低了混凝土的抗压强度。