沙漠砂混凝土抗氯离子性能影响因素研究★

贾 磊

(交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

1 概述

我国沙漠储量丰富，将其替代中砂掺入混凝土中，对降低工程造价，发掘新能源，保护环境有重大调节作用。采用沙漠砂代替河砂，可避免因建筑需求而过度开采河砂，破坏河床的稳定结构，干扰河流中泥砂的自然沉降行为，致使更严重的安全事故。因此，开展以沙漠砂为基础工程材料的理论研究，不仅直接降低混凝土施工过程中的材料成本及运输成本，而且有极其重要的社会意义和生态效益[1-2]。

张财等[3]采用非洲撒哈拉沙漠地区的特细沙漠砂，成功制备出了强度达到C50等级的沙漠砂混凝土。王娜等[4]同样采用了来源于非洲撒哈拉沙漠的特细沙漠砂(细度模数最高为1.74)，将其掺入机制砂中以配置出了C50预应力沙漠砂混凝土，并成功将其应用于实际工程中的大跨度预应力T梁的制备。李志强等[5]选用了我国新疆古尔班通古特沙漠砂，其细度模数为0.334，设计了5因素4水平的正交试验，分析了龄期分别为7 d和28 d的沙漠砂混凝土抗压强度和施工和易性，并给出了相应沙漠砂混凝土的最优配合比。朱腾明等[6]则研究了我国新疆塔克拉玛干沙漠砂的基本性质，分别制备了沙漠砂砂浆和沙漠砂混凝土，研究表明，两者的抗压强度均满足工程需求，并成功将沙漠砂混凝土应用在油田工程中的电杆、油罐和压缩机等基础设施中。吕志栓[7]研究了新疆吐鲁番地区的沙漠砂性质，细度模数为1.3，进一步制备了掺加沙漠砂的MS5和MS10水泥砂浆，并且与常规的M5和M10水泥砂浆的抗压强度和和易性进行对比，该研究证明了沙漠砂作为砂浆细骨料代替水泥砂浆中普通中砂的可行性。张国学等[8]采用了腾格里沙漠砂(细度模数0.334)，同样分别制备了沙漠砂混凝土和砂浆。研究发现，对后者而言，灰砂比对其力学性能的影响较明显。具体而言，当灰砂比(质量比)大于1∶2时，所选用的砂率才能满足工程实际使用的要求。陈美美等[9]同样研究了新疆地区的腾格里沙漠砂的相关性质，并且采用正交试验探究了沙漠砂混凝土的黏聚性、保水性以及7 d,28 d抗压强度，从而得到该类型沙漠砂混凝土的最优配合比。刘海峰等[10]则采用了宁夏盐池地区的毛乌素沙漠砂(细度模数0.194)，通过多因素多水平正交试验和单因素控制试验相结合的试验方案，系统研究了普通沙漠砂混凝土以及高强沙漠砂混凝土的多项力学性能，最终给出了最佳沙漠砂掺量。田帅等[11]同样采用宁夏地区的沙漠砂，聚焦于高强沙漠砂混凝土的高温后抗压强度进行研究。其中，共设计了6个实验温度以研究其影响，并根据正交试验结果确定了高强沙漠砂混凝土的最优配合比。吕剑波等[12]则在研究中设计了浇水冷却与自然冷却两种冷却方式，探究了不同冷却方式对高温后沙漠砂混凝土抗压强度的影响。研究表明，沙漠砂混凝土的高温后抗压强度随着选用温度的升高而不断降低。进一步地，研究者通过数理统计分析方法(方差和极差分析)确定了混凝土的最佳配合比，从而为后续关于沙漠砂混凝土的研究提供了理论支持。

目前针对沙漠砂混凝土的抗氯离子渗透性能及其优化的研究仍较少。一般而言，氯离子对混凝土渗透性能的影响主要考虑到如下两个因素：1)混凝土的密实性，这与其自身的阻碍作用密切相关；2)固化能力，也就是氯离子与混凝土产物的结合能力[13]。混凝土的抗氯离子性能的评价方法主要分为快速法和慢速法两大类。其中，快速法主要包括常用的电通量法、快速氯离子迁移系数法(即RCM法)、饱盐直流电法(即NEL法)以及交流阻抗谱法等，而慢速法则主要包括浸泡法等。GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准提供了两种标准测试方法，分别为上述的RCM法和电通量法。在已有研究中，冯仲伟等[14]采用了这两种方法，研究对比了普通混凝土和粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能。该研究发现：随着水灰比和水泥用量的不断增加，试验测定的混凝土电通量和氯离子扩散系数值也不断增大，这也代表着其抗氯离子性能减弱；而另一方面，随着粉煤灰掺量的增加，粉煤灰混凝土的电通量和氯离子扩散系数却不断减小，这说明混凝土的抗氯离子性能在不断增强。

本文拟利用电通量法和RCM法，分别测定不同类型沙漠砂混凝土(包括单掺粉煤灰混凝土、单掺沙漠砂混凝土以及复掺粉煤灰和沙漠砂混凝土)在不同浓度NaCl溶液中的电通量值和氯离子迁移系数，进而评价沙漠砂混凝土的抗氯离子渗透性能。

2 材料与方法

水泥采用海螺水泥有限公司生产的P.O42.5R水泥；粗骨料采用粒径范围为5 mm～20 mm的人工碎石；细骨料分别采用细度模数为3.12的普通砂和细度模数为0.27的超细度沙漠砂，两者的物理性能指标如表1所示；粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰。

表1 普通砂和沙漠砂的物理性能指标

设计混凝土强度等级为C40，选用水胶比0.5和砂率35%。首先，考虑单掺沙漠砂混凝土，分别采用替代率为20%,40%,60%和80%的沙漠砂等量代替普通砂;其次，考虑单掺粉煤灰混凝土，分别采用替代率为10%,20%和30%的粉煤灰等量替代水泥;最后，考虑复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土，首先以替代率分别为10%,20%和30%的粉煤灰等量代替水泥，随后在相同粉煤灰掺量下，再分别采用替代率分别为20%,40%,60%和80%的沙漠砂代替普通砂配制复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土。所有混凝土样品的配合比参数及单位体积各材料用量如表2，表3所示。

表2 混凝土配合比参数

表3 混凝土单位体积各材料用量

抗氯离子渗透性能试验的混凝土试件采用直径100 mm 和高50 mm的圆柱体，每组共9块。按照规范GB/T 50082—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和RCM(快速氯离子迁移系数)法，分别测定各个混凝土试件在0%,3%,6%NaCl溶液中的电通量和氯离子扩散系数。

3 结果与讨论

3.1 单掺沙漠砂混凝土的抗氯离子渗透性能

如表4，图1所示，单掺沙漠砂混凝土的电通量和氯离子迁移系数随着超细度沙漠砂替代率的增加呈现出先提升后降低的演变趋势。其中，当沙漠砂替代(河砂)率选用60%时，单掺沙漠砂混凝土的抗氯离子渗透性能达到最优。

就混凝土的抗氯离子渗透性能而言，其本身的密实性起到了至关重要的作用。超细度沙漠砂的粒径极小，可显著改善沙漠砂混凝土自身的密实性。但事实上，超细度沙漠砂仅作为一种细骨料，并不直接参与混凝土内部的各种复杂化学反应。因此，其对混凝土抗氯离子渗透性能的影响实际上较小。

从表4，图1可见，当超细度沙漠砂替代率在20%～80%的范围内不断增加时，试验测定的沙漠砂混凝土的电通量值和氯离子迁移系数的数值变化幅度并不明显。这具体表现为单掺沙漠砂混凝土的电通量变化幅度在200 C内，氯离子迁移系数的变化幅度在20×10-13m2/s以内。

表4 单掺沙漠砂混凝土的电通量与氯离子迁移系数

3.2 单掺粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能

单掺粉煤灰混凝土的电通量及氯离子迁移系数的试验结果如表5，图2所示。可发现，单掺粉煤灰混凝土的电通量和氯离子迁移系数随着粉煤灰掺量的增加基本上呈现出线性下降的趋势。

表5 单掺粉煤灰混凝土的电通量与氯离子迁移系数

一方面，这是由于粉煤灰的掺入起到了充填混凝土内部孔隙的作用，从而增强了混凝土的密实性，进而能有效阻挡氯离子渗透的通道；另一方面，这也是由于掺入的粉煤灰可以有效结合固化游离的氯离子，同时混凝土二次水化生成的凝胶产物具有较大的比表面积，也可促进对游离氯离子的吸附作用。上述两方面原因均起到了固化作用，促进了氯离子与混凝土产物的结合。

3.3 复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能

如表6所示，当粉煤灰掺量为30%时，与超细度沙漠砂进行复掺配制的混凝土的电通量非常低，因此可得出复掺粉煤灰和沙漠砂能显著改善混凝土的抗氯离子渗透性能。其次，图3展示了不同体积浓度(0%，3%，6%)氯化钠溶液中复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土的电通量与沙漠砂替代率和粉煤灰掺量的变化趋势，而图4展示了不同体积浓度(3%，6%)氯化钠溶液中复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土的氯离子迁移系数与沙漠砂替代率和粉煤灰掺量的变化趋势。

表6 复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土的电通量与氯离子迁移系数

由图3,图4可知，随着粉煤灰掺量增加，复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土的电通量与氯离子迁移系数均呈现出降低的趋势。另一方面，随着沙漠砂替代率的增加，复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土的电通量与氯离子迁移系数则呈现出先降低后上升的变化趋势。其中，当沙漠砂替代率为60%和粉煤灰掺量为30%时，复掺沙漠砂和粉煤灰混凝土的电通量与氯离子迁移系数均达到最低值，即抗氯离子渗透性能达到最优。

4 结语

利用电通量法和RCM法，分别评价了单掺沙漠砂、单掺粉煤灰和复掺沙漠砂与粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能，并分别揭示了沙漠砂替代率以及粉煤灰掺量两个因素独立和耦合作用下对相应混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律。试验结果表明：

1)单掺沙漠砂混凝土的抗氯离子渗透性能随着沙漠砂替代率的增加呈现出先提升后降低的演变趋势。其中，当沙漠砂替代(河砂)率选用60%时，单掺沙漠砂混凝土的电通量与氯离子扩散系数最小。

2)单掺粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性能基本上随着粉煤灰掺量的增加而持续增强，当粉煤灰掺量为30%时，粉煤灰混凝土的电通量和氯离子扩散系数最小。

3)复掺粉煤灰和沙漠砂混凝土的电通量与氯离子迁移系数同样随着沙漠砂替代率的增加呈先减小后增大的趋势，而随着粉煤灰掺量的增加而不断减小。其中，当沙漠砂替代率为60%，粉煤灰掺量为30%时，混凝土的抗氯离子渗透性能达到最优。