礦物摻合料和引氣劑對混凝土抗鹽凍性能影響的研究

張立群，賈辰辰，張曉冉，張靜軒，胡靖宇

（河北建筑工程學院 土木工程學院，河北 張家口 075000）

0 引言

鋼筋混凝土橋梁耐久性問題對橋梁結構的安全至關重要，受橋梁服役環境的影響，不同地區混凝土橋梁所面臨的影響因素也不同[1-2]。我國寒冷地區冬季漫長而嚴寒，凍融循環頻繁，加之融雪劑的使用，導致混凝土橋梁多有鹽凍病害現象。鹽凍破壞是凍融循環破壞的一個分支[3-5]，既有凍融破壞的相似點，也有其獨特的破壞特點。混凝土的鹽凍剝蝕破壞速度與侵蝕鹽濃度之間并不是簡單的線性關系，當鹽濃度為3.5%左右的中低濃度時，混凝土結構的破壞程度最嚴重[6-8]。鹽凍凍融循環對混凝土結構的破壞程度較普通凍融循環破壞更為劇烈，且發展更迅速。

有研究表明[9-10]，礦物摻合料和引氣劑能提高混凝土的抗鹽凍性能，但二者對混凝土抗鹽凍性能的影響并沒有定量的研究，致使這一成果至今尚未得到科學的運用。本試驗主要研究引氣劑、礦物摻合料的種類及摻量對混凝土抗鹽凍性能的影響，在改善混凝土鹽凍后抗壓強度和質量損失率的前提下，提出了引氣劑及礦物摻合料的最優摻量。

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）水泥：張家口宣化金隅水泥有限公司生產的P·O42.5水泥，比表面積332 m2/kg，標準稠度用水量28%，細度（0.08 mm篩篩余）0.3%。

（2）粗骨料：張家口本地碎石，5~25 mm連續級配。

（3）細骨料：張家口宣化天然砂，細度模數2.9。

（4）硅灰：SF93級，張家口市金華礦業有限公司，外觀呈灰色，主要性能指標見表1。

表1 硅灰的主要性能指標

（5）粉煤灰：Ⅱ級，鞏義市二電廠產，45 μm篩篩余13%，密度2.34 g/cm3，含水率0.5%，燒失量2.34%，主要化學成分見表2。

表2 粉煤灰的主要化學成分 %

（6）引氣劑：紹興市上虞舜洋建筑材料有限公司生產的聚羧酸系引氣劑SA-20。

1.2 試驗混凝土配合比

結合工程實際初步確定材料用量，控制混凝土坍落度為（100±30）mm，根據坍落度情況調配各材料用量，C30、C40基準混凝土的配合比見表3。

表3 C30、C40基準混凝土的配合比 kg/m3

在各強度等級混凝土的基準配合比上，試驗設計單摻引氣劑（摻量分別為膠凝材料質量的0.01%、0.02%、0.03%）、單摻粉煤灰（取代水泥質量為15%、20%、25%）、單摻硅灰（取代水泥質量為5%、10%、15%），復摻5%硅灰+25%粉煤灰、復摻10%硅灰+20%粉煤灰、復摻15%硅灰+15%粉煤灰，以及復摻并摻加0.02%引氣劑的對比組。

1.3 試驗方法

混凝土抗鹽凍性能試驗方法：采用快凍法進行鹽凍試驗，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，養護齡期為28 d，根據張家口某橋梁服役地土壤化驗結果配制鹽溶液，采用4%NaCl+2%KCl+1%Na2SO4組合鹽溶液，試驗的溫度范圍設置為-20~30℃。養護完成的試塊在鹽溶液中浸泡2 d，隨后稱量試件的初始質量，進行外觀檢查并拍照留證。

混凝土試塊浸泡在鹽溶液中放入凍融循環箱中進行鹽環境下凍融循環試驗。凍融循環試驗中，每20 h為1個凍融循環周期。冷凍階段設置為14 h，其中-20℃的溫度維持4 h；融化階段設置為6 h，其中30℃的溫度維持2 h。每組試塊均進行14個凍融循環周期試驗，試驗后稱量混凝土試塊的質量，并進行抗壓試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 鹽凍后混凝土的質量損失率

2.1.1 引氣劑摻量對混凝土質量損失率的影響

引氣劑摻量對鹽凍后混凝土質量損失率的影響見圖1。

圖1 引氣劑摻量對鹽凍后混凝土質量損失率的影響

由圖1可見，對于C30混凝土，鹽凍循環14次時基準混凝土的質量損失率為3.55%，摻0.01%引氣劑的混凝土質量損失率為8.85%，而摻0.02%和0.03%引氣劑的混凝土質量損失率幾乎為0。對于C40混凝土，鹽凍循環14次時基準混凝土的質量損失率為0.20%，摻0.01%引氣劑的混凝土質量損失率為0.46%，而摻0.02%和0.03%引氣劑的混凝土質量損失率幾乎為0。分析其原因，可能是引氣劑摻量過小時，混凝土內部形成的封閉氣泡小而分散，無法充分發揮引氣劑的作用，但是較基準混凝土而言孔隙多，因此0.01%引氣劑摻量的混凝土鹽凍后質量損失率較高。

2.1.2 礦物摻合料單摻對混凝土質量損失率的影響

硅灰和粉煤灰單摻對鹽凍后混凝土質量損失率的影響分別見圖2、圖3。

圖2 硅灰摻量對鹽凍后混凝土質量損失率的影響

圖3 粉煤灰摻量對鹽凍后混凝土質量損失率的影響

由圖2、圖3可見，混凝土強度等級越高，質量損失率越小。鹽凍循環14次時，對于C30混凝土，摻5%、10%、15%硅灰的質量損失率分別為1.52%、0.91%、1.92%，摻15%、20%、25%粉煤灰的質量損失率分別為4.21%、6.04%、8.18%；對于C40混凝土，摻5%、10%、15%硅灰的質量損失率分別為0、1.05%、0.81%，摻15%、20%、25%粉煤灰的質量損失率分別為2.47%、8.03%、5.94%。

對比試驗數據可以看出，較粉煤灰而言，摻加硅灰的混凝土試塊具有較好的抗鹽凍性能，鹽凍后試塊的質量損失率較小。不同等級混凝土的最優硅灰摻量不同，C30混凝土在硅灰摻量為10%時有較好的抗鹽凍性能，C40混凝土在硅灰摻量為5%時有較好的抗鹽凍性能。

2.1.3 礦物摻合料復摻對混凝土質量損失率的影響

硅灰和粉煤灰復摻以及復摻并摻0.02%引氣劑對鹽凍后混凝土質量損失率的影響見圖4。

圖4 礦物摻合料復摻對鹽凍后混凝土質量損失率的影響

由圖4可見，硅灰、粉煤灰復摻或復摻并摻引氣劑均不能有效抑制混凝土鹽凍后的質量損失，可能是因為試驗設計中復摻的摻量較大，過多的水泥被替代，導致混凝土中的水泥摻量整體減少，從而導致混凝土抗鹽凍性能下降。

2.2 鹽凍后混凝土的抗壓強度

2.2.1 引氣劑摻量對混凝土抗壓強度的影響

引氣劑摻量對鹽凍后混凝土抗壓強度的影響見圖5。

由圖5可見，當鹽凍循環少于5次時，摻加引氣劑的效果不明顯，當鹽凍循環大于11次時，引氣劑的效果逐漸突顯出來。對于C30混凝土，摻0.01%、0.02%、0.03%引氣劑的混凝土鹽凍循環14次后抗壓強度較基準混凝土分別提高-21.08%、43.52%、21.91%。對于C40混凝土，摻0.01%、0.02%和0.03%引氣劑的抗壓強度較基準混凝土分別提高4.71%、17.08%、22.66%。摻0.02%、0.03%引氣劑摻量均能提高混凝土鹽凍后的抗壓強度，這與前述試驗摻0.02%、0.03%引氣劑均能減小混凝土鹽凍后的質量損失率的結論一致。

圖5 引氣劑摻量對鹽凍后混凝土抗壓強度的影響

2.2.2 礦物摻合料單摻對混凝土抗壓強度的影響

硅灰和粉煤灰單摻對鹽凍后混凝土抗壓強度的影響分別見圖 6、圖7。

圖6 硅灰摻量對鹽凍后混凝土抗壓強度的影響

圖7 粉煤灰摻量對鹽凍后混凝土抗壓強度的影響

由圖6、圖7可見，當鹽凍循環超過6次時，5%硅灰摻量的C30混凝土抗鹽凍性能趨于穩定，其抗壓強度較基準組提高6.0%。當鹽凍循環大于11次時，摻5%、10%、15%硅灰均能提高C40混凝土的抗鹽凍性能；鹽凍循環14次時，摻5%、10%、15%硅灰的混凝土抗壓強度較基準混凝土分別提高3.77%、4.0%、17.07%。

單摻粉煤灰對增強C30、C40等級混凝土鹽凍后抗壓強度影響不大，當鹽凍循環11次時，摻15%粉煤灰的C30混凝土抗壓強度較基準組提高5.75%。

2.2.3 礦物摻合料復摻對混凝土抗壓強度的影響

硅灰、粉煤灰復摻及復摻再摻引氣劑對鹽凍后混凝土抗壓強度的影響見圖8。

由圖8可見，硅灰、粉煤灰復摻及復摻再摻引氣劑對增強C30、C40等級混凝土鹽凍后抗壓強度影響不顯著。這是因為，礦物摻合料等質量替代水泥，水泥用量的減少勢必伴隨混凝土抗壓強度的降低。硅灰、粉煤灰復摻或復摻再摻加引氣劑對混凝土抗鹽凍性能的提高遠不能抵消水泥減少所產生的副作用。

圖8 礦物摻合料復摻對混凝土抗壓強度的影響

3 結論

（1）與水膠比相比，引氣劑摻量對混凝土抗鹽凍性能的影響更為顯著。對C30、C40等級混凝土，摻0.02%和0.03%的引氣劑均能大幅減少混凝土鹽凍后質量損失率，并提高抗壓強度，而摻0.01%的引氣劑效果不明顯，遠不如基準組混凝土抗鹽凍性能好。

（2）硅灰能提高混凝土抗鹽凍性能，隨硅灰摻量的增加，混凝土抗鹽凍性能呈現先增強后減弱的趨勢。對C30、C40等級混凝土，硅灰的較優摻量為5%～10%。粉煤灰的摻量越多，混凝土的抗鹽凍性能越差。

（3）復摻30%的硅灰+粉煤灰或復摻再摻加引氣劑對增強C30、C40等級混凝土抗鹽凍性能影響不顯著。后續有必要降低礦物摻合料復摻總量深入研究其對混凝土鹽凍性能的影響。