水工混凝土掺矿物掺合料的抗氯离子渗透性研究

魏龙男

(盘锦市城乡建设事业发展服务中心，辽宁 盘锦 124000)

钢筋混凝土结构受氯离子侵蚀、碳化等环境条件作用表现出非常突出的耐久性问题，其主要是钢筋钝化膜因氯离子侵蚀发生破坏而引起的锈蚀，钢筋锈蚀导致结构的力学性能发生改变，加之锈蚀后钢筋体积产生膨胀，并进一步导致整体结构发生破坏，特别是在沿海地区这种情况更加严重[1-3]。沿岸和海底钢筋混凝土管道、跨海大桥、石油平台、海港码头等大量钢筋混凝土构筑物，大多由于氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀而导致破坏和巨大的经济损失[4-6]。因此，研究水工混凝土侵蚀破坏机理以及增强其抗氯离子侵蚀性能是极其必要的。鉴于此，本试验利用粉煤灰和石粉两种掺合料，从抗氯离子侵蚀性能上的角度探讨了掺合料的增强作用，旨在为再生利用矿物掺合料提供一定数据支持。

1 试验方案

1.1 试验目的

通过试验研究水工混凝土抗氯离子侵蚀性能，探讨了相同荷载作用下不同掺合料混凝土的氯离子侵蚀机理以及掺合料掺量与抗氯离子侵蚀之间的关系，并结合氯离子传输机理确定最优配合比，以期为水工结构耐久性设计提供试验依据。

1.2 原材料准备

水泥选用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；花岗岩石粉细度有0-80μm和0-150μm两种，掺量设计10%、20%。、30%三种；粉煤灰选用火电厂生产Ⅱ级灰，细度16.1%，掺量设计10%、20%。、30%三种；试验用砂为天然河砂，细度模数2.5；粗骨料为连续级配碎石，粒径5-25mm；减水剂选用聚羧酸高效减水剂，掺量取矿物掺合料和水泥总量的0.5%。

1.3 配合比设计

本试验设计砂率为42%、水胶比为0.45的16组配合比，每组配制3个混凝土试件，其尺寸大小φ100mm×50mm，混凝土配合比设计，见表1。其中，J、S、H代表基准配合比、花岗岩石粉和粉煤灰；S1-80中的1、80分别代表石粉的掺量10%和细度0-80μm；F1代表粉煤灰的掺量10%；H2-80中的2、80代表粉煤灰与花岗岩石粉的总掺量20%和石粉细度0-80μm，双掺质量比为1∶1。

表1 混凝土配合比设计 km/m3

1.4 试验原理

本试验利用RCM法测试氯离子扩散系数，试件外部的氯离子在外加电场作用下加速向内部迁移，氯离子侵蚀试验装置，见图1。

图1 氯离子侵蚀试验装置

1.5 氯离子扩散系数

通电一段时间后沿轴向将试件劈开，然后将硝酸银溶液喷在新劈开的断面上，硝酸银与渗入试件内部的氯离子反应生成白色沉淀，由此可以测量出渗透深度并确定氯离子扩散系数DRCM(m2/s)，一般以经验公式计算确定：

(1)

一般地，各组试件的试验测定值取该组3个试件的平均值，若中值与任一测量值的差值>15%则取中值，若中值与任两个测量值的差值>15%则认为试验数据无效。

2 结果与分析

2.1 单掺粉煤灰

单掺粉煤灰氯离子扩散系数，见表2；归纳分析各组试验数据生成不同掺量下的氯离子扩散系数图，单掺粉煤灰氯离子扩散系数，见图2。

图2 单掺粉煤灰氯离子扩散系数图

表2 单掺粉煤灰氯离子扩散系数

结果表明，单掺10%、20%、30%粉煤灰组的DRCM值均小于基准组，其中单掺20%粉煤灰的DRCM值最小。混凝土拌合初期，水泥颗粒可以组成相互连接的絮状结构，其内部含有部分水分使得拌合物成为非均质化合物，并对混凝土工作性造成一定影响。粉煤灰掺入后会断开水泥颗粒间的连接，使絮状物被分散并释放出更多的水分，具有亲水性的粉煤灰颗粒会吸附释放出的水分，从而减少泌水量。若泌水量过大混凝土极易产生分层离析，内部产生微观孔道导致混凝土抗渗性下降，为氯离子侵蚀渗入提供条件[7]。因此，粉煤灰掺入后会增大水泥浆体的硬化致密性，减少多雨自由水分的移动，降低混凝土泌水性以及增强其抗氯离子侵蚀性。

混凝土内部孔隙被粉煤灰的微集料效应堵塞，从而降低了混凝土孔隙率和密实度，改善了微观孔结构，抗氯离子渗透性明显增强。一定掺量的粉煤灰与水泥水化产物发生二次水化反应生成更多额水化铝酸钙、硅酸钙等胶凝物质，有效改善了内部密实性，水化铝酸钙作为氯离子化学固化的主要物质可以降低了混凝土中游离氯离子含量，使得氯离子渗透混凝土的作用大大减弱[8]。

因此，试验组较基准组氯离子扩散系数较小的关键原因在于粉煤灰的化学和物理活性。让入，质量相同条件下粉煤灰体积高于水泥约30%，粉煤灰替代水泥掺量较高时，降低了水泥浆体的包裹效应，导致混凝土内部密实性和抗氯离子侵害性能也下降，氯离子扩散系数增加。结合试验数据，10%和20%掺量时，随粉煤灰掺量增加氯离子扩散系数均逐渐减小，而30%掺量时氯离子扩散系数不降反增。单掺花岗岩石粉氯离子扩散系数，见表3。

2.2 单掺花岗岩石粉

混凝土单掺花岗岩石粉的氯离子扩散系数如表3，归纳分析各组试验数据生成不同掺量的DRCM值变化趋势图，单掺花岗岩石粉氯离子扩散系数图，见图3。

图3 单掺花岗岩石粉氯离子扩散系数图

表3 单掺花岗岩石粉氯离子扩散系数

结果表明，单掺石粉试件的DRCM值均随着掺量的增加而增大；相同掺量情况下，混凝土掺花岗岩石粉细度越小则其抗氯离子侵蚀性越优，如细度0-80μm组的DRCM值均小于相同掺量下的细度0-150μm组的测试值。研究认为[9-10]，混凝土中渗入的氯离子存在形式主要有3种：①化学吸附，外界渗入的氯离子与内部的氯酸盐反应生成3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O(单氯水化铝酸钙)；②物理吸附，胶凝材料水化产物中未参与化学反应而被吸附进去的氯离子，并且处于不可逆吸附；③自由离子，在混凝土中以毛细作用、渗透、扩散等形式迁移。氯离子对混凝土的物理与化学吸附称为固化作用，但内部存在的自由迁移的氯离子是混凝土侵蚀破坏的主要原因。

掺量较低情况下，花岗岩石粉对混凝土内部孔隙发挥着填充作用，有利于提高混凝土的密实性、抗渗性以及降低内部孔隙率，因此掺量较低时单掺花岗岩石粉的氯离子扩散系数值低于基准组。混凝土凝胶材料随石粉掺量的增加逐渐减少，从而降低了混凝土固化氯离子的作用，石粉掺量越高则固化作用减弱越显著，在外界侵蚀溶液浓度相同情况下，随石粉掺量的增加内部游离自由氯离子数增多[11]，石粉掺量为30%时的氯离子扩散系数较基准组高。

结合试验数据，采用花岗岩石粉替代胶凝材料掺入混凝土中时，细度较小(0-80μm)的石粉比细度较大(0-150μm)石粉的抗氯离子性能更好，但整体相差不明显。根据孔径20-50nm、50-200nm、>200mm依次为少害孔、有害孔、多害孔的等级划分原则，花岗岩石粉的细度越小则对混凝土内部多害孔、有害孔、少害孔的填充效果越优，所以混凝土氯离子扩散系数在掺0-80μm石粉组整体偏低。

2.3 双掺粉煤灰与石粉

按质量1∶1和掺量20%、30%、40%双掺粉煤灰与花岗岩石粉替代水泥，双掺粉煤灰与石粉的氯离子扩散系数，见表4，归纳分析各组试验数据生成不同掺量下的氯离子扩散系数图，双掺粉煤灰与石粉的氯离子扩散系数图，见图4。

图4 双掺粉煤灰与石粉的氯离子扩散系数图

表4 双掺粉煤灰与石粉的氯离子扩散系数

结果显示，双掺0-80μm花岗岩石粉与粉煤灰时，粉煤灰占主导地位影响试样抗氯离子侵蚀性；双掺0-150μm花岗岩石粉与粉煤灰时，花岗岩石粉占主导地位影响试样抗氯离子侵蚀性。总体而言，双掺量不超过40%情况下均有利于提高抗氯离子侵蚀性能。

花岗岩石粉质量相同时，细度小的石粉具有更大的比表面积，其与水泥浆体的接触范围也更大，有利于促进水化产物与粉煤灰的二次反应以及水泥的水化反应，从而较早地体现粉煤灰影响抗氯离子侵蚀性的效应，这是保持其他条件不变而花岗岩石粉细度不同造成氯离子扩散系数变化的根本原因[12-17]。

3 结 论

1)单掺粉煤灰或花岗岩石粉以及两者双掺的水工混凝土，控制掺量处于一定范围时均能够在不同程度上降低氯离子扩散系数，即增强混凝土的抗氯离子侵蚀性，并表现出规律性。双掺粉煤灰和花岗岩石粉具有叠加效应，即双掺较单掺更能改善混凝土抗氯离子侵蚀性，其中双掺30%时具有更加显著的效果。

2)研究表明，水工混凝土中掺入粉煤灰和花岗岩石粉时，其抗氯离子侵蚀性能够得到明显提升，研究成果可为水工混凝土配合比设计以及矿物掺合料选用提供一定参考。