單摻礦物摻合料混凝土性能研究

馬寶富

（中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088）

引言

混凝土結構是迄今為止應用最為廣泛、性能最為優異的建筑結構[1]，但在結構正常使用年限內，混凝土結構由于外界環境、自身材料和施工等因素發生不同程度的損傷，輕則出現肉眼可見的裂縫，造成使用者的心理壓力，重則出現混凝土保護層剝落、鋼筋嚴重銹蝕等現象，結構不得不修復或報廢，造成很大的經濟損失。

混凝土結構設計從初始的許用應力法至現在應用的基于概率的分項系數設計法，均為基于結構的安全性進行設計[2-3]，設計人員均認為結構達到規定的安全性要求就可以在設計使用年限內正常使用結構。隨著技術發展及對建筑結構要求的提升，混凝土結構的耐久性設計尤為重要，現有規范關于耐久性設計多為定性要求，包括規定其最小保護層厚度、最小混凝土強度等級、最大水膠比等[4-5]，而對于氯化物環境中還特別規定了以28 d基于快速氯離子遷移系數法（RCM）試驗測得的混凝土氯離子擴散系數[6]，表征其抗氯離子侵入性指標的最大限值。此外，對于定量耐久性設計，此參數也是設計基本變量，起著十分重要的作用。因此，研究28 d齡期下以RCM試驗測得的氯離子擴散系數十分必要。

高性能混凝土具有高強度、高耐久性等特點，是現代混凝土結構的應用趨勢，其配比是在原有普通混凝土基礎材料上加入適量的高效外加劑及礦物摻合料。硅灰是一些硅合金冶煉過程中排放的以無定形氧化硅為主的超微顆粒，摻入至混凝土中可大幅提高混凝土的工作性能、密實性能、強度、抗滲等耐久性能；粉煤灰又稱飛灰，為火電廠煤燃燒后由煙道排出的廢棄粉末，將其摻入混凝土中亦可大幅提高混凝土結構的工作性能及耐久性能。此外，硅灰和粉煤灰是工業生產的工業廢料，將其作為礦物摻合料適量摻入混凝土也可做到廢物利用，資源優化及可持續發展。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

（1）42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為360 m2/kg，28 d抗壓強度為49.5 MPa；（2）硅灰比表面積為22 000 m2/kg；（3）粉煤灰I級，比表面積為450 m2/kg，水泥、硅灰及粉煤灰的化學成分見表1；（4）中砂細度模數為2.5；（5）5～25.5 mm連續級配碎石；（6）普通生活用水；（7）聚羧酸類高效減水劑。

表1 水泥、硅灰及粉煤灰的化學成分比/%

1.2 試驗方法及設備

1.2.1 坍落度試驗

為測定新拌混凝土的流動性，試驗測定混凝土拌合物的坍落度。試驗基于流變原理，利用混凝土拌合物的自重，判定其工作性能，應用廣泛，操作簡單，但僅適用于新拌混凝土，且人為因素影響大。

操作步驟：（1）將試驗用坍落度筒、搗棒以及鐵板用水潤濕，然后將坍落度筒放在平整鐵板上，踩住腳踏板；（2）分三次裝填新拌混凝土，每次裝填略高于坍落度筒的均分區域，然后沿螺旋線用搗棒由邊緣至中心插搗，每次25下，在最后一層插搗過程中應該隨時加料以保證混凝土高于筒口；（3）插搗完成在5～10 s內平穩地將筒體取下，放于新拌混凝土旁，整個試驗控制在150 s內；（4）把標尺放在試樣頂端，讀拌合混凝土至塌落度筒頂部的差值，精確到1 mm。

1.2.2 混凝土立方體抗壓試驗

混凝土抗壓強度采用WHY-3000型微機控制全自動壓力試驗機?；炷林苽渫瓿? d后拆模，標準養護28 d后進行混凝土立方體抗壓試驗。操作步驟：（1）將混凝土試塊從養護室取出后擦拭干凈，檢查外觀并測量尺寸；（2）將混凝土試塊放置試驗機下壓板中心，保證承壓面與成型頂面垂直；（3）啟動試驗機，當上壓板與試塊接近時，調整球座以使接觸平衡；（4）新建試驗，輸入試塊尺寸及其他信息，查看控制參數，負荷、位移清零；（5）加載，試塊破壞后試驗自動停止。

1.2.3 快速氯離子遷移試驗

以RCM法進行抗氯離子滲透試驗是測定混凝土中非穩態遷移的遷移系數，來確定混凝土的抗氯離子滲透性能，原理是將試件置于陰極溶液和陽極溶液間，施加外電場，一定時間電遷移后將試件沿軸向劈開，根據顯色指示劑的區域確定混凝土氯離子擴散系數。

試驗操作步驟[7]：（1）試件標養28 d后取出，將表面擦凈，用游標卡尺確定直徑和高度，精確至0.1 mm；（2）試件面干狀態下進行真空處理，試件間保留一定孔隙，應在5 min內將壓強減少至1～5 kPa，保持該真空度3 h，運轉下注入飽和氫氧化鈣溶液，浸泡試件1 h后恢復常壓，繼續浸泡18±2 h；（3）試件取出后，電吹風冷風檔吹干，裝入硅橡膠套底部，安裝環箍擰緊至扭矩30±2 N·m，安裝陰極板后放置試驗槽中，安裝陽極板；（4）在硅橡膠套中注入約300 mL濃度為0.3 mol/L的氫氧化鈉溶液，保證浸沒陽極板和試件，在試驗槽中注入12 L質量濃度為10%的氯化鈉溶液，使其與硅橡膠套中液面平齊；（5）將電源陽極與硅橡膠套中陽極板連接，電源陰極與試驗槽中陰極板連接，安裝溫度傳感器；（6）利用RCM擴散系數測定儀測定，電源開啟后將電壓調整至30±0.3 V，記錄初始電流，確定施加電壓、新的初始電流及持續時間，記錄溫度及電流值；（7）斷開電源，取出試件，沖洗擦凈，沿軸向劈開，立即噴涂0.1 mol/L的硝酸銀溶液，15 min后觀察顏色變化，用防水筆描出并用游標卡尺測量距離，精確至0.1 mm；（8）試驗結束后排除溶液，清洗后用電吹風冷風檔吹干。

2 試驗設計

試驗研究0.3、0.4、0.5三種水膠比情況下普通混凝土、單摻硅灰（SF）或粉煤灰（FA）混凝土的工作性能、力學性能及耐久性能，單摻時硅灰摻量分別為3%、5%、8%，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%、40%，試驗配合比見表2。

表2 試驗配合比/（kg·m-3）

混凝土立方體抗壓試驗選用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，每組試驗三塊；快速氯離子遷移試驗采用Φ100 mm，高度為50 mm的圓柱體試塊，每組試驗三塊。

3 試驗結果分析

3.1 坍落度試驗結果與分析

新拌混凝土的坍落度是判定混凝土結構和易性和工作性能最重要的參數，圖1（a、b、c）為不同水灰比及不同硅灰、粉煤灰摻量對混凝土坍落度的影響。可知，不論是普通混凝土還是摻入硅灰或粉煤灰的混凝土，坍落度均隨著水灰比的增加呈增長趨勢；坍落度隨著硅灰摻量的增加呈降低趨勢；坍落度隨粉煤灰摻量的增加呈先增長后降低的趨勢。

圖1 坍落度試驗結果

分析原因：（1）當水灰比增加時，用水量增加，故坍落度會明顯增長。（2）摻入硅灰時，坍落度降低，因硅灰的比表面積為22 000 m2/kg，遠大于水泥的比表面積，拌和后硅灰會吸附大量的水，導致拌合物中漿體稠度增加，流動性降低，導致坍落度降低。（3）對于摻入粉煤灰的混凝土，坍落度先增加后下降，是因為即使粉煤灰的比表面積略大于水泥，但其顆粒為近似表面光滑的球體，利于漿體間相對滾動，稱為“滾珠效應”，且在一定范圍內隨摻量的增加效應越顯著，但粉煤灰摻量超過30%時，比表面積持續增大，吸附水量增加，坍落度呈降低趨勢。

3.2 抗壓強度試驗結果與分析

立方體抗壓強度是判定混凝土質量的重要指標之一，圖2為不同水膠比下不同硅灰、粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響。

圖2 混凝土抗壓強度變化曲線

可知：（1）隨著水灰比的增加，混凝土抗壓強度降低。（2）隨著硅灰摻量的增加，混凝土抗壓強度增加；而隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗壓強度降低。（3）硅灰比表面積很大，微集料填充效應使其填充于混凝土漿體孔隙間，改善膠凝材料的集配，增大混凝土的密實度，因此其抗壓強度提高。（4）雖然粉煤灰也具有火山灰活性，但其黏結粗細骨料的能力遠低于水泥，且早期水化能力很弱，在標養28 d后仍未充分發揮其二次水化能力，導致混凝土強度較低。

3.3 氯離子擴散系數試驗結果與分析

混凝土氯離子擴散系數是表征混凝土結構耐久性能的重要參數，亦是反映混凝土抵抗氯離子侵蝕能力的重要指標之一。圖3為不同水膠比下不同硅灰、粉煤灰摻量對混凝土氯離子擴散系數的影響。

圖3 氯離子擴散系數變化曲線

可知：（1）隨著水灰比的增加，混凝土氯離子擴散系數增加。（2）隨著硅灰摻量或粉煤灰摻量的增加，混凝土氯離子擴散系數降低。分析原因：（1）隨著水膠比的增加，混凝土質量降低，密實度下降，因此其抵抗氯離子侵入的性能下降，氯離子擴散系數增加。（2）粉煤灰或硅灰的摻入，火山灰效應使得礦物摻合料中的火山灰活性物質與水泥水化產物發生二次水化反應，提高結構致密性，此外微集料填充效應也使得微細顆粒填充于混凝土內部孔隙，所以氯離子擴散系數降低。

4 結語

通過研究水膠比為0.3、0.4、0.5三種情況下普通混凝土結構、單摻硅灰的混凝土結構、單摻粉煤灰的混凝土結構的坍落度、立方體抗壓強度及氯離子擴散系數，得到結論：（1）隨著水膠比的增加，混凝土坍落度增加，但混凝土抗壓強度及抗氯離子滲透性降低。（2）在混凝土中摻入硅灰雖降低其工作性能，使得坍落度有所下降，但提高了混凝土的抗壓強度及抗氯離子滲透性，且隨著摻量的增加，性能提升越明顯。（3）粉煤灰的摻入可以改善混凝土的工作性能及抗氯離子滲透性能，但一定程度上降低了混凝土的抗壓強度。