大摻量礦物摻合料混凝土的滲透性指標相關性研究

汪 彬 孟振亞

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京 211103）

0 引言

隨著混凝土超塑化劑開發技術和礦物摻合料應用技術得到快速發展，實際工程中使用的混凝土越來越趨于低水膠比、大流動度、大礦物摻合料化[1]。影響大摻量礦物摻合料混凝土的耐久性因素較多，歸結起來有一個相同的特征，水、有害液體及有害氣體在大摻量礦物摻合料混凝土內部的傳輸滲透特性是影響大摻量礦物摻合料混凝土耐久性能的重要指標。因此，研究大摻量礦物摻合料混凝土耐久性能時應先科學合理的評價混凝土的滲透性能。與傳統混凝土類似，大摻量礦物摻合料混凝土表面對結構起著保護作用，周圍的環境因素對混凝土結構的物理、化學侵蝕一般是從表面開始。通常混凝土在使用過程中其外表面是直接暴露于服役環境中，服役環境中的自由水、有害液體及有害氣體均可以通過傳輸梯度由混凝土外表面進入混凝土結構內部，影響混凝土服役性能，故混凝土滲透性與耐久性密切相關，可以通過混凝土的滲透性來評價混凝土的耐久性。根據傳輸介質的不同可將混凝土的滲透性能分成透水滲透性、透氣滲透性和透離子滲透性，因此出現了幾種不同的表征混凝土滲透性能的測試方法。目前常用的幾種測試混凝土滲透性的方法均有自己的使用特點和應用場所，但也存在一定的不足之處，需要進一步完善。而且由于這幾種表征混凝土滲透性能的測試方法的量綱差異性，即使采用相同的傳輸介質來測試混凝土的滲透性，由于試驗條件的變化，導致測試結果之間不能進行有效的相互比較[2]。目前關于大摻量礦物摻合料混凝土滲透性能的研究已有很多，但不同研究者之間存在著明顯不一致的結論，且目前的研究[3～4]主要集中在僅用某種單一的測試方法來研究混凝土滲透性能。因此，為了綜合評價混凝土滲透性能，需要在不同的滲透介質中考察同一混凝土的傳輸特性，對比研究幾種滲透性指標之間的相關性，探討統一大摻量礦物摻合料混凝土滲透性的評價方法和測試技術的可行性，為用滲透性指標評價大摻量礦物摻合料混凝土的耐久性提供依據。

1 原材料、配合比和試驗方法

1.1 原材料

試驗以金寧羊42.5 水泥，南京某電熱廠Ⅰ級粉煤灰，江蘇某公司生產S95 級礦粉為膠凝材料，以5～20mm 連續級配的玄武巖碎石為粗集料，以細度模數為2.60的河砂為細集料，以江某公司生產的聚羧酸系高效減水劑PCA 為混凝土流動性調控組分。試驗所用水泥、粉煤灰和礦粉的化學組成(本文中的含量、組成、摻量等均為質量分數)見表1。

表1 水泥、粉煤灰和礦粉的化學組成（%）

1.2 配合比

為了研究大摻量礦物摻合料混凝土滲透性能的影響規律，試驗以純水泥體系、單摻30%粉煤灰、單摻45%礦渣以及復摻15%粉煤灰和45%礦渣體系為研究對象，同時在復摻15%粉煤灰和45%礦渣體系中研究0.32、0.37 和0.42 三種不同水膠比條件下的性能，混凝土具體配合比如表2 所示。

表2 試驗用混凝土配合比(kg/m3)

1.3 試驗方法

參照德國Aachen 業大學建筑材料研究所提出的氯離子電遷移快速試驗方法進行氯離子擴散系數試驗，采用Φ100mm×300mm 試模成型Φ100mm×300mm 圓柱體混凝土試件，24h 脫模后在標養室標準養護至規定齡期后取出，先將Φ100mm×300mm 混凝土試件切割制成Φ100mm×50mm 的標準試件，其次將試件真空飽水24h，然后再將試件裝入橡膠筒內，用兩個環箍施加扭矩固定，使試件的側面處于密封狀態，最后將裝有試件的橡膠筒裝到試驗槽中，安好陽極板，在橡膠筒中注入約300ml 的0.2mol/L 的KOH 溶液，使陽性板和試件表面均浸沒于溶液中。接通直流電源，通電完畢后取出測試試件并將其劈成兩半，然后在劈開的試件表面噴涂0.1mol/L 的AgNO3溶液，測量氯離子滲透深度，計算氯離子擴散系數。

參照美國ASTM C1202 標準進行電通量試驗，其測試電壓為60V，通電時間為6h。采用100mm×100mm×300mm 試模成型100mm×100mm×300mm 的棱柱體混凝土試件，24h 脫模后在標養室標準養護至規定齡期后取出，先將100mm×100mm×300mm 混凝土試件切割制成100mm×100mm×50mm 的標準試件，其次將試件真空飽水24h，然后將試件放入兩端濃度為0.3mol/L 的NaOH 溶液和3%的NaCl溶液的電解池內中，軸向施加60V 直流電壓，記錄初始電流并每隔5min 測量一次通過試塊的電流，持續6h，根據6h 通電時間內電流變化計算總電量Q。

采用Torrent 滲透性測試方法進行氣體滲透性試驗，測試裝置內設有內外兩個真空室，采用壓力傳感器平衡內室和外室的壓力，根據內室和外室壓力的改變，估計混凝土的孔隙率，計算混凝土的透氣性系數KT。試驗采用150mm×150mm×300mm 試模成型150mm×150mm×300mm 的棱柱體混凝土試件，24h 脫模后在標養室標準養護至規定齡期后取出，然后將測試試件在50℃高溫環境中先干燥7d，最后用Torrent 滲透性測試裝置測試并計算試件的空氣滲透性。

參照美國ASTM C1585 標準進行毛細管吸附試驗，采用100mm×100mm×100mm 試模成型100mm×100mm×100mm 的立方體混凝土試件，24h 脫模后在標養室標準養護至規定齡期后取出，然后把混凝土試件放入50℃烘箱中烘干至恒重，記錄試件的質量，精確到0.01g。保留上下兩側面，其余面用石蠟材料密封，然后放入容器中，背水面表面覆蓋一塑料薄膜，在20±1℃溫度條件下進行試驗。測定0h、1h、2h、4h、6h、12h、24h、56h 時間的毛細管吸水量，然后用線性回歸分析的方法，對毛細管吸附量I 與s1/2時間進行相關性分析，確定毛細管吸附率(mm/ s1/2)。

2 試驗結果與分析

2.1 氯離子擴散系數與電通量的相關性

將六組不同膠凝材料體系和不同水膠比的混凝土試件標準養護7d、28d、56d、和90d 后分別測試其氯離子擴散系數和電通量，然后將這六組混凝土氯離子擴散系數和電通量數據進行相關性分析，探討大摻量礦物摻合料混凝土氯離子擴散系數與電通量的相關性，結果見圖1 所示。由圖可知，六組混凝土的氯離子擴散系數與電通量之間存在明顯的線性關系，且滿足線性方程：Y=0.366+0.00265X，且二者的相關性系數R2達到0.954，相關性良好。這與Yang 等人的研究基本一致，基本上反映了電通量與氯離子擴散系數之間具有穩定的比例關系，而不受膠凝材料體系和養護齡期的影響。

2.2 氯離子擴散系數與氣體滲透性的相關性

將六組不同膠凝材料體系和不同水膠比的混凝土氯離子擴散系數與干燥7d 時的混凝土氣體滲透性系數之間進行相關性分析，探討大摻量礦物摻合料混凝土氯離子擴散系數與氣體滲透性系數的相關性，結果見圖2 所示。從圖中可以看出，混凝土氯離子擴散系數與氣體滲透性系數呈線性相關，且滿足y=a+b*x，且在0.95置信度水平下相關性系數分別為0.889，相關性較為顯著。Zbigniew[6]等人在研究中也發現，氯離子擴散系數與氣體滲透性系數之間存在較好的相關性。

圖1 大摻量礦物摻合料的混凝土氯離子擴散系數與電通量之間的相關性

圖2 大摻量礦物摻合料的混凝土氯離子擴散系數與氣體滲透性系數之間的相關性

2.3 氯離子擴散系數與毛細管吸水率的相關性

將六組不同膠凝材料體系和不同水膠比的混凝土氯離子擴散系數與混凝土毛細管吸水率之間進行相關性分析，探討大摻量礦物摻合料混凝土氯離子擴散系數與混凝土毛細管吸水率的相關性，結果見圖3 所示。從圖中可以看出，大摻量礦物摻合料混凝土氯離子擴散系數與毛細管吸水率之間呈線性相關，且滿足y=a+b*x，且在0.95 置信度水平下相關性系數為0.748，混凝土氯離子擴散系數與混凝土毛細管吸水率之間存在一定的相關性，但相關性程度不如混凝土氯離子擴散系數與混凝土電通量之間的相關性。

2.4 毛細管吸附率與氣體滲透性系數的相關性

將六組不同膠凝材料體系和不同水膠比的混凝土毛細管吸水率與混凝土氣體滲透性系數之間進行相關性分析，探討大摻量礦物摻合料混凝土毛細管吸水率與混凝土氣體滲透性系數的相關性，結果見圖4 所示。從圖中可以看出，與大摻量礦物摻合料混凝土氯離子擴散系數與毛細管吸水率線性相關規律類似，大摻量礦物摻合料混凝土的毛細管吸附率與混凝土氣體滲透性系數之間也存在一定的相關性，這種相關性同樣滿足y=a+b*x，且在0.95 置信度水平下相關性系數為0.780，但相關性程度不如混凝土氯離子擴散系數與混凝土電通量之間的相關性。

圖3 大摻量礦物摻合料的混凝土氯離子擴散系數與毛細管吸水率之間的相關性

圖4 大摻量礦物摻合料的混凝土毛細管吸水率與毛細管吸水率之間的相關性

3 結論

通過對混凝土滲透性指標之間的相關性分析發現，混凝土氯離子擴散系數與電通量、氣體擴散系數、毛細管吸水率之間相關性系數分別為0.954、0.889 和0.748，氯離子擴散系數與電通量和氣體擴散系數之間的相關性較好，而與毛細管吸水的相關性較差。但是都存在一定的相關性。因此，在評價混凝土的滲透性時，可以把評價混凝土滲透性指標統一到氯離子擴散系數上來，實現混凝土滲透性的評價方法和測試技術的統一，但后續還需要進一步大量的實驗和理論研究為支撐。