矿物掺合料对水利工程高性能混凝土的影响分析

陈广华

(朝阳县水利勘测设计队，辽宁 朝阳 122000)

水利工程大多建于地质条件极其复杂的偏远地区，一般具有后期维护难度大、环境条件恶劣、施工作业困难等特点，故对结构耐久要求更高[1]。长期以来，为施工方便及确保混凝土强度，通常利用增加单方用水量和提高水泥用量的方式生产水工混凝土。实践表明，该方法难以保证混凝土耐久性。由于具有优异的耐久性能、力学性能和拌合物性能，高性能混凝土(HPC)被广泛应用于水库大坝、江河堤防等工程领域，对于降低全寿命周期综合成本、提高工程质量等发挥着积极作用[2]。

在推广应用HPC时，应考虑不利侵蚀因素、实际气候条件等科学设计配合比以及选择矿物掺合料。近年来，国内学者通过试验探讨了HPC试件的抗冻性或者抗氯离子侵蚀性受不同水胶比和矿物掺合料的影响[3-6]，但因水工结构所处环境的多样化、原材料性能及品质方面的差异等尚未形成统一的研究成果，对多重或双重破坏因素作用下矿物掺合料对HPC耐久性的研究还鲜有报道。鉴于此，文章以水胶比为0.42的HPC为例，研究了HPC抗冻性能及抗氯离子渗透性受矿渣粉、粉煤灰单掺以及矿渣粉与粉煤灰复掺掺量变化的影响，探讨了HPC抗冻性能及电通量与矿物掺合料产量之间的关系，旨在为HPC的配合比优化设计提供一定参考。

1 研究方法

1.1 原材料性能

试验所用的水泥、粉煤灰、矿渣粉、减水剂、粗细骨料等原材料性能，所用水为自来水。原材料性能指标，见表1。

表1 原材料性能指标

1.2 配合比设计

以C30 HPC为例，设计塌落度160-200mm，保持水胶比0.42改变矿渣粉、粉煤灰掺量，探究矿物掺合料对HPC抗冻性能、抗氯离子渗透性能及抗压强度的影响。HPC配合比设计，见表2。其中，P0为混凝土基准配合比，将水泥等量取代成矿物掺合料，X、Y组为单掺粉煤灰和矿渣粉矿物掺合料，掺量为10%、20%、30%、40%；Z组为复掺矿渣粉与粉煤灰矿物掺合料，掺入比例为4∶0、3∶1、2∶2、1∶3、0∶4，总掺量40%。

表2 HPC配合比设计

1.3 试验仪器与方法

试验过程中所使用到的仪器有CABR-HDK9型快速冻融试验机、CABR-RCP9型氯离子电通量测定仪。根据普通混凝土耐久性能、长期性能和力学性能试验方法标准，按照推荐的快冻法、电通量法等测试混凝土试件抗冻性、抗氯离子渗透性和抗压强度，对28d抗氯离子渗透性进行重点分析。

2 结果与分析

2.1 粉煤灰对抗氯离子渗透性影响

HPC电通量受粉煤灰掺量的影响，见图1。从图1可以看出，28d龄期的HPC电通量随粉煤灰掺量的增加呈先下降后上升的变化趋势，HPC电通量在粉煤灰掺量为20%时达到最小的751.6C，该条件下的抗氯离子渗透性最好。深入分析发现，早期活性较低的粉煤灰依赖水泥水化生成的Ca(OH)2进行二次水化反应，粉煤灰掺20%时其填充效应和火山灰效应达到最佳，并在很大程度上改善了HPC的微观结构，HPC内部更加密实，所以通电量较小。掺40%粉煤灰时通电量增加至1445.0C，粉煤灰掺量的增加使得火山灰水化反应变慢，凝胶材料水化程度下降，HPC的密实性变差并带来负面效应，HPC电通量增大降低了抗氯离子渗透性能。

图1 HPC电通量受粉煤灰掺量的影响

84d龄期的HPC电通量随粉煤灰掺量的增加呈先快速下降后趋于平缓的变化趋势，HPC电通量在粉煤灰掺量为30%时达到最小的381.5C，掺30%粉煤灰的84d电通量相对于28d的减少68.4%，相对于未掺粉煤灰的减少60.5%。HPC电通量随着龄期的增加均有所减小，其电通量在粉煤灰掺量超过30%时出现小幅度的增大。

2.2 矿渣粉对抗氯离子渗透性影响

HPC电通量受矿渣粉掺量的影响，见图2。从图2可以看出，28d、84d龄期的HPC电通量随矿渣粉掺量的增加呈先下降后上升的变化趋势，HPC电通量在矿渣粉掺量为20%时达到最小，其28d、84d电通量分别为651.6C和405.2C，该条件下的抗氯离子渗透性最好。HPC电通量在掺40%矿渣粉时达到最大，其28d、84d通电量为1582.6C和1182.1C，与未掺矿渣粉的相比增大72.9%和47.3%。掺0%、10%、20%、30%、40%矿渣粉的84d HPC通电量均<掺相应比例的28d通电量，并且未掺矿渣粉的84d、28dHPC通电量减小幅度均低于掺矿渣粉的；HPC电通量在掺40%矿渣粉情况下具有最明显的下降幅度，与28d相比84d的电通量减少58.2%。

图2 HPC电通量受矿渣粉掺量的影响

虽然矿渣粉火山灰反应较慢但能够改善水化产物组成和HPC内部微观结构，即同龄期下掺入矿渣粉的HPC强度和孔隙率均有所下降，并进一步降低HPC电通量提升其抗氯离子侵蚀性能。另外，经机械粉磨而成的矿渣粉颗粒形貌大多不规则，掺量的进一步增大会导致凝胶体系密实度的下降，因此随掺量的增加HPC通量呈现下降或上升的变化趋势。矿渣粉反应程度随龄期的增加会相对加大，从而增大结构密实度，故同掺量下28d电通量>84d。

2.3 矿物掺合料复掺对抗氯离子渗透性影响

保持矿物掺合料掺量及胶凝材料总量不变，改变矿渣粉与粉煤灰的比例测试其抗氯离子渗透性，HPC电通量受矿渣粉掺量的影响，见图3。

图3 HPC电通量受矿渣粉掺量的影响

结果表明，掺40%矿物掺合料时，HPC电通量随粉煤灰比例的增大而逐渐减小，HPC各龄期的电通量在m(矿渣粉)：m(粉煤灰)复掺比例为1∶3时最小，该条件下28d、84d电通量为631.8C和375.2C；HPC电通量在粉煤灰掺量占矿物掺合料100%时又会增大，与m(矿渣粉)：m(粉煤灰)复掺比例为1∶3时相比，28d、84d的HPC电通量增加127.2%和5.6%。

深入分析可知，HPC中掺入不同比例的矿渣粉与粉煤灰，胶凝材料产生的叠加效应和级配效应不同，当m(矿渣粉)：m(粉煤灰)复掺比例为1∶3时胶凝体系级配最优，该条件下结构内部的毛细孔径最小，密实度也最高，故HPC的电通量最小其抗氯离子渗透性最耗。

2.4 矿物掺合料对抗压强度影响

HPC抗压强度受矿渣粉、粉煤灰的影响，HPC抗压强度，见表2。在胶凝材料总量及水胶比不变的条件下，用矿渣粉或粉煤灰等量取代水泥，从0%逐渐增加矿渣粉或粉煤灰掺量至胶凝材料的40%，与基准对照组P0相比，结果显示X组、Y组HPC各龄期抗压强度随矿物掺合料产量的增大呈减少趋势。深入分析可知，水泥水化产物Ca(OH)2需要与矿渣粉、粉煤灰反应才能生成凝胶性水化产物，而水泥水化速率高于该反应速率。所以，将水泥采用矿渣粉、粉煤灰等量取代后会降低凝胶体系的水化速率。在矿物掺合料用量及凝胶材料总量不变的情况下，改变矿渣粉与粉煤灰比例的Z组，同一龄期内Z1-Z5组的抗压强度变幅较小，各龄期强度与基准对照组P0相比明显下降，这也与较大的矿物掺合料掺量降低了胶凝材料的水化速率有关。

表2 HPC抗压强度

2.5 矿物掺合料对抗冻性的影响

HPC的抗冻性能利用快冻法测试，试验测定的相对动弹性模量和质量损失率，HPC相对动弹性模量受矿物掺合料的影响，见表3；HPC冻融循环质量损失率受矿物掺合料的影响，见表4。其中，“/”代表相对动弹性模量减小至60%停止试验。为了降低HPC抗冻性受含气量差异的影响，试验过程中统一设定含气量为(2.5±0.2)%，HPC的质量及动弹性模量按每冻融循环25次测定一次。

从表3、表4可看出，P0的抗冻等级达到F200，该组抗冻性最好；保持其他因素不变的条件下，单掺矿渣粉或粉煤灰时，HPC抗冻性随掺量的增加逐渐变差，HPC在矿渣粉或粉煤灰掺量为胶凝材料的40%时能够经受75次冻融循环，按照评定标准可以达到F50抗冻等级。结合Z1-Z5组冻融循环数据，复掺矿渣粉与粉煤灰总量为胶凝材料40%时改变两者的掺量比例HPC抗冻等级均为F50。HPC被冻融循环后表面发生水泥浆侵蚀，但整体情况良好，质量损失率均未超过5%的标准规定，因此动弹性模量下降为HPC破坏的主要形式。

表3 HPC相对动弹性模量受矿物掺合料的影响 %

表4 HPC冻融循环质量损失率受矿物掺合料的影响 %

3 结 论

1)保持胶凝材料总量及水胶比不变的条件下，将水泥用矿渣粉或粉煤灰等量取代时，HPC28d、84d抗压强度随掺量的增加均逐渐减小。复掺矿渣粉及粉煤灰时，不同复掺比例下各龄期HPC抗压强度均低于基准组。

2)单掺情况下，HPC电通量随粉煤灰掺量的增加呈先下降后上升的变化趋势，HPC电通量在粉煤灰掺量为20%时达到最小的751.6C，该条件下的抗氯离子渗透性最好。掺30%粉煤灰的84d电通量相对于28d的减少68.4%，相对于未掺粉煤灰的减少60.5%；HPC电通量随矿渣粉掺量的增加呈先下降后上升的变化趋势，HPC电通量在矿渣粉掺量为20%时达到最小，该条件下的抗氯离子渗透性最好。

3)掺40%矿物掺合料时，HPC电通量随粉煤灰比例的增大而逐渐减小，HPC各龄期的电通量在m(矿渣粉)：m(粉煤灰)复掺比例为1:3时最小，该条件下的抗氯离子渗透性最好。保持水胶比和含量不变，HPC抗冻性在不掺加矿物掺合料时最好，抗冻等级达到F200；单掺矿渣粉或粉煤灰时，HPC抗冻性随掺量的增加逐渐变差，复掺矿渣粉与粉煤灰总量为胶凝材料40%时HPC抗冻等级均为F50，改变两者的掺入比例抗冻等级没有变化。

4)将适量矿渣粉及粉煤灰掺入混凝土内，可以在一定程度上改善抗氯离子渗透性能，但不利于混凝土抗冻性，对于有抗冻性要求的混凝土要通过试验确定矿物掺合料产量，为增强其抗冻性能可以掺入适量引气剂。