礦物摻合料對水泥混凝土抗鹽凍性能的影響

楊耀恒

(中鐵二十一局集團有限公司第一工程有限公司，新疆烏魯木齊　830011)

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礦物摻合料對水泥混凝土抗鹽凍性能的影響

楊耀恒

(中鐵二十一局集團有限公司第一工程有限公司，新疆烏魯木齊830011)

摘要：為解決寒冷氣候條件下水泥混凝土受海水或除冰鹽凍融破壞問題，以28 d齡期混凝土試件、質量濃度為3%氯化鈉溶液、循環溫度-20～20 ℃為試驗條件，以單位面積剝落物質量為評價標準，對摻加不同礦物摻合料的水泥混凝土進行抗鹽凍性能試驗。試驗結果表明：隨著膠凝材料中硅灰質量分數的增加，水泥混凝土的抗鹽凍性能逐漸增長，當膠凝材料中硅灰的質量分數大于11%后，水泥混凝土抗鹽凍性能增長變緩；粉煤灰和礦粉的摻加對水泥混凝土抗鹽凍性能有一定的降低作用，當膠凝材料中粉煤灰的質量分數大于20%，膠凝材料中礦粉的質量分數大于15%，水泥混凝土抗鹽凍性能下降變緩。

關鍵詞：礦物摻合料；水泥混凝土；抗鹽凍性能；耐久性

水泥混凝土鹽凍破壞嚴重影響其耐久性，相比普通凍融破壞，鹽類物質導致水泥混凝土飽水度升高，滲透壓和結冰壓變大，同時在水泥混凝土干燥后，鹽類物質結晶也會在水泥混凝土內部產生一定膨脹壓力，從而加劇水泥混凝土的凍融循環破壞[1-5]。由于水泥混凝土鹽凍破壞速率高并且破壞后果嚴重，因此使處于寒冷氣候下海水環境及使用除冰鹽、融雪劑環境下的水泥混凝土結構滿足抗鹽凍性能要求，成為最近幾年水泥混凝土耐久性領域研究的熱點[6-11]。

在水泥混凝土中應用硅灰、礦粉、粉煤灰等礦物摻合料，不僅有利于廢棄物的循環再生利用[12-17]，而且可顯著改善水泥混凝的性能[18-22]。研究摻加礦物摻合料的水泥混凝土抗鹽凍性能變化規律，對增強水泥混凝土結構的耐久性具有極其重要的意義。本文通過試驗，研究了不同礦物摻合料對水泥混凝土抗鹽凍性能的影響，為進一步研究礦物摻合料水泥混凝土的耐久性提供相應的理論指導。

1試驗

1.1原材料

1)水泥。選用拉法基P.O42.5水泥，其主要成分見表1，物理力學性能見表2。

表1　水泥主要成分

2)砂。普通河砂，細度模數為2.87。

3)石。粒徑范圍為4.75～26.5 mm的連續級配碎石。

4)硅灰。硅灰為北京邦德印有限公司生產，比表面積為24.1 m2/g。

5)礦粉。選用S95型礦粉，比表面積為410 m2/kg。

6)粉煤灰。粉煤灰由河北唐山電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，細度8.4%。

7)外加劑及水。聚羧酸系高效減水劑，普通飲用自來水。

表2　水泥物理力學性能

1.2礦物摻合料水泥混凝土配合比

本次試驗采用不同摻量礦物摻合料，具體配合比見表3。

表3　礦物摻合料混凝土配合比

1.3試驗方法

1)試件制作。將攪拌好的水泥混凝土裝入直徑250 mm，高75 mm的PVC管材中，下方鋪設墊板，在振動臺上振動密實，用木質抹刀對成型面進行處理，24 h后去除墊板，將PVC管材和混凝土試件同時進行標準養護。養護至24 d后，將試塊放入養護間水中繼續養護4 d，每組試件數量為2個，以成型面進行鹽凍試驗。

2)試驗參數設置。鹽溶液采用質量濃度為3%的氯化鈉水溶液，試驗機設置溫度變化范圍為-20～20 ℃，由20 ℃到-20 ℃的降溫時間為3 h，然后低溫保溫1 h，升溫時間為3 h，高溫保溫1 h，此為一個循環過程，整個試驗過程為30個循環，每完成5 個循環為一個節點，使用超聲波清洗機收集水泥混凝土試件剝落物，并更換氯化鈉水溶液。收集的剝落物使用烘箱烘干后稱重，精確到0.01 g。

2試驗結果及分析

2.1硅灰對水泥混凝土抗鹽凍性能的影響

測定了膠凝材料中不同硅灰的質量分數(分別為0%、5%、8%、11%、14%)情況下，水泥混凝土剝落量，試驗結果見表4。

表4　摻加硅灰的水泥混凝土鹽凍剝落量統計結果

由表4可以看出，相同鹽凍循環次數下，隨著膠凝材料中硅灰的質量分數的增加，水泥混凝土試件的鹽凍剝落量逐漸減少，說明抗鹽凍性能增強；膠凝材料中硅灰的質量分數相同的情況下，隨著鹽凍循環次數的增加，水泥混凝土試件的鹽凍剝落量逐漸增大，說明抗鹽凍性能降低。當完成30次鹽凍循環后，試件的剝落量隨膠凝材料中硅灰的質量分數的增加而降低，說明硅灰對水泥混凝土抗鹽凍性能有一定的提高，當膠凝材料中硅灰的質量分數超過11%以后，對水泥混凝土抗鹽凍性能提高幅度逐漸變緩。

分析原因可知，由于硅灰比表面積非常大，摻入水泥混凝土后，可有效填充水泥混凝土內部孔隙，使水泥混凝土密實度增大，降低水泥混凝土的極限飽水率，有效減少了水的凍結膨脹壓力，從而提高了水泥混凝土的抗鹽凍性能。

2.2粉煤灰對水泥混凝土抗鹽凍性能的影響

測定了膠凝材料中不同粉煤灰的質量分數(分別為0%、10%、20%、30%、40%)情況下水泥混凝土剝落物，試驗結果見表5。由表5可以看出，相同鹽凍循環次數下，隨著粉煤灰的質量分數的增加，水泥混凝土試件的鹽凍剝落量逐漸增加，說明抗鹽凍性能降低；相同粉煤灰的質量分數情況下，隨著鹽凍循環次數的增加，水泥混凝土試件的鹽凍剝落量逐漸增大，說明抗鹽凍性能降低。當完成30次鹽凍循環后，試件的剝落量隨粉煤灰的質量分數的增加而增加，說明粉煤灰對水泥混凝土抗鹽凍性能有一定的降低，當粉煤灰的質量分數超過20%以后，對水泥混凝土抗鹽凍性能降低幅度逐漸變緩。

表5　摻加粉煤灰的水泥混凝土鹽凍剝落量統計結果

分析原因可知，粉煤灰屬火山灰質材料，其中活性成分需與水泥混凝土硬化后生成的堿性物質相遇才能發生二次水化，由于試塊是在養護室養護28 d后進行鹽凍試驗，此時水泥混凝土內部剛水化結束，而粉煤灰水化仍處于緩慢階段，造成水泥混凝土內部孔隙率較高，密實度較低，從而導致水泥混凝土抗鹽凍性能降低。

2.3礦粉對水泥混凝土抗鹽凍性能的影響

測定了膠凝材料中礦粉的質量分數不同(分別為0%、5%、10%、15%、20%)情況下水泥混凝土剝落物，試驗結果見表6。

表6　摻加礦粉的水泥混凝土鹽凍剝落量統計結果

由表6可以看出，與摻加粉煤灰的水泥混凝土類似，在相同鹽凍循環次數下，隨著礦粉的質量分數的增加，試件的鹽凍剝落量逐漸增加，說明抗鹽凍性能降低；粉煤灰的質量分數相同的情況下，隨著鹽凍循環次數的增加，水泥混凝土試件的鹽凍剝落量逐漸增大，說明抗鹽凍性能降低。當完成30次鹽凍循環后，試件的剝落量隨著礦渣摻量的增加而增加，說明礦粉對水泥混凝土抗鹽凍性能有一定的降低，當硅灰的質量分數超過15%以后，對水泥混凝土抗鹽凍性能降低幅度逐漸變緩。分析原因可知，礦渣與粉煤灰類似，也含有活性物質，同樣需要與水泥混凝土硬化過程中產生的堿性物質相遇才能發生二次水化，由于試件齡期較短，因此礦粉的水化處于緩慢開始階段，導致水泥混凝土的抗鹽凍性能降低。

3結論

1)硅灰對提高水泥混凝土的抗鹽凍性能有一定的幫助作用，但因硅灰價格較高，因此在工程造價承受范圍內，適量添加硅灰可有效提高水泥混凝土抗鹽凍性能，增強其耐久性。

2)粉煤灰和礦粉的加入對28 d齡期水泥混凝土的抗鹽凍性能有一定的降低作用，當粉煤灰和礦粉摻量較少時，水泥混凝土抗鹽凍性能下降幅度較大，隨著摻量的增加，下降幅度變緩。由于本次試驗試件養護齡期為28 d，導致本次試驗出現粉煤灰和礦粉降低混凝土抗鹽凍性能的現象，后續試驗將延長混凝土齡期，驗證長期養護條件下，粉煤灰和礦粉對水泥混凝土抗鹽凍性能的影響規律。

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(責任編輯：郎偉鋒)

收稿日期：2016-04-28

作者簡介：楊耀恒(1978—)，男，甘肅天水人，工程師，主要研究方向為混凝土質量控制，E-mail:279040337@qq.com.

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2016.02.010

中圖分類號：U414.18

文獻標志碼：A

文章編號：1672-0032(2016)02-0055-06

Effect of Mineral Admixtures on the Anti-Salt Freezing Performance of Cement Concrete

YANGYaoheng

(EngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway21stBureauGroup,Urumqi830011,China)

Abstract:To solve the problem of the cement concrete salt freeze-thaw damage caused by seawater or de-icing salt in cold climate conditions, with the age of 28 d concrete specimen, the concentration of 3% sodium chloride solution, circulating temperature -20～20℃ as the test conditions, with the concrete specimen flaking volume per unit area as the evaluation index, the experiment on the anti-salt freezing performance of cement concrete mixed with different mineral admixtures is conducted in this paper. The testing results show as follows. With the mass fraction of silica fume increasing, the anti-salt freezing performance of the cement concrete gradually increases. When the mass fraction of the silica fume is greater than 11%, the growth of the anti-salt freezing performance of the cement concrete is slow. The addition of the fly ash and slag powder can to some extent reduce the anti-salt freezing performance of the cement concrete on cement concrete. When the mass fraction of the fly ash is greater than 20% and the mass fraction of the slag powder is greater than 15%, the anti-salt freezing performance of the cement concrete declines slowly.

Key words:mineral admixture; cement concrete; salt frost resistance; durability