復摻礦物摻和料對高性能混凝土耐久性能影響分析

■孟光榮 白 濤

（1.運城北高速公路管理有限公司， 運城 044000； 2.北京中交華聯科技發展有限公司， 北京 100101）

近年來，高性能混凝土因具有穩定性高、耐久性強及優良的工作性能，逐漸在我國公路、橋梁等工程中得到廣泛應用[1-2]。 隨著高性能混凝土的高速發展，粉煤灰、礦渣粉等礦物摻和料作為制備高性能混凝土的重要材料，不同摻量及種類均會對混凝土的耐久性能產生影響[3-4]。 如譚鹽賓等[5]研究了不同火成巖質礦物摻和料對混凝土性能的影響規律，發現火成巖質礦物摻和料與傳統礦物摻和料指標接近。趙晨陽[6]研究了混凝土收縮與開裂之間的關系以及粉煤灰與礦渣對混凝土性能的影響規律。 王曉波[7]研究了摻粉煤灰和礦渣粉對混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。郝文新[8]研究了礦物摻和料摻量對水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響規律， 為高性能抗硫酸鹽侵蝕的水工混凝土的研究提供了參考。 目前， 國內外學者關于礦物摻和料單摻對高性能混凝土的影響研究已相對較多， 但關于礦物摻和料復摻對高性能混凝土的影響研究還有待進一步完善。 基于此， 本研究通過復摻粉煤灰和礦渣粉2 種礦物摻和料， 針對不同復摻比例對高性能混凝土耐久性能的影響規律進行了對比分析， 以得出混凝土耐久性能不同側重指標的礦物摻和料的較優復摻比例。

1 原材料

水泥選用細度為2.2%，燒失率為2.47%的P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥，安定性合格，其相關力學性能如表1 所示。 粗集料選用玄武巖碎石，粒徑范圍4.75～26.5 mm，按照GB/T14685-2011《建筑用卵石、 碎石》 規范要求， 測得其表觀密度為2.56 g/cm3，針片狀含量6.2%，含泥量0.3%，壓碎率4.8%。細集料采用機制砂，按照JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》規范要求，測得其表觀密度為2.7 g/cm3， 含泥量0.7%，MB 值為1.2，空隙率32%，壓碎指標18%。 礦物摻和料選用Ⅱ級粉煤灰和S95 礦渣粉， 其性能檢測結果如表2所示。減水劑采用聚羧酸高效減水劑，測得其固含量為37%，減水率為27.5%。 拌合水采用市政自來水。

表1 水泥基本力學性能

表2 礦物摻和料性能檢測結果

2 試驗方案及配合比設計

2.1 試驗方案

根據GB/T50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規范要求，氯離子滲透試驗采用通電量法，混凝土試件養護成型后鉆芯取樣，圓柱體尺寸為100 mm×50 mm，根據氯離子滲透系數評價抗氯離子滲透性能。 碳化試驗混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，養護成型后轉入CO2濃度為（20±5）%、溫度為（20±5）℃、相對濕度為（80±5）%的碳化箱進行碳化，根據不同碳化時間的碳化深度評價抗碳化性能。 凍融循環試驗采用快速凍融法，養護成型后放入凍融箱，并記錄混凝土試件凍融循環后的質量損失率，循環次數為25 次，檢測質量損失率不超過5%。 抗硫酸鹽侵蝕性能采用干濕循環-硫酸鹽侵蝕試驗方法， 浸泡溶液采用濃度為5%的Na2SO4溶液。

2.2 配合比設計

為研究復摻礦物摻和料對高性能混凝土耐久性能的影響，在進行混凝土配比設計時，保持水膠比為0.25、 減水劑為1%和礦物摻和料總量為30%不變， 分別設計粉煤灰與礦渣粉復摻比例為1∶0、8∶2、6∶4、4∶6 及2∶8 的5 種復摻試驗方案，并針對混凝土的抗氯離子滲透性能、抗碳化性能、抗凍性能及抗硫酸鹽侵蝕性能進行對比分析，具體配合比設計如表3 所示。

表3 不同復摻方案混凝土配合比設計

3 結果與分析

3.1 抗氯離子滲透性能

為研究復摻礦物摻和料對高性能混凝土抗氯離子滲透性能的影響，針對不同養護時間下混凝土的氯離子滲透系數進行對比分析，結果如圖1 所示。

圖1 氯離子滲透系數變化曲線

根據圖1 可知，隨著養護時間的增長，不同復摻方案的混凝土氯離子滲透系數均有所減小，說明混凝土的養護時間會對其抗氯離子滲透性能產生影響。 隨著礦渣粉比例的增大，不同養護時間的混凝土氯離子滲透系數均不斷減小，其中復摻方案五的混凝土氯離子滲透系數減小幅度最為明顯，養護7 d 和28 d 的氯離子滲透系數最大降低了56.3%和58.6%，原因是礦渣粉的活性要優于粉煤灰，二次水化反應效果更好，且吸附氯離子能力更強，因此礦渣粉摻量越大， 混凝土的抗氯離子滲透性能越好，綜合來看粉煤灰和礦渣粉復摻比例選擇2∶8 對于混凝土抗氯離子滲透性能改善效果更好。

3.2 抗碳化性能

分別測定不同比例復摻礦物摻和料的混凝土碳化深度，并針對不同養護時間下混凝土的抗碳化性能進行對比分析，結果如圖2 所示。

圖2 碳化深度變化曲線

根據圖2 可知，隨著養護時間的增長，不同復摻方案的混凝土碳化深度均有所增大，說明混凝土的養護時間會對其抗碳化性能產生影響。 隨著礦渣粉比例的增大，不同養護時間的混凝土碳化深度呈先減小后增大趨勢變化，采用復摻方案后混凝土的碳化深度均有所減小，其中復摻方案二的混凝土碳化深度減小幅度最為明顯，養護7 d 和28 d 的碳化深度分別減小了35.6%和32.9%， 原因是礦渣粉的粒徑要比粉煤灰小，可以更好地填充混凝土內部結構，增強其密實度，因此適量摻入礦渣粉可以有效改善混凝土的抗碳化性能，綜合來看粉煤灰和礦渣粉復摻比例選擇8∶2 對于提升混凝土的抗碳化性能效果更優。

3.3 抗凍性能

分別測定不同比例復摻礦物摻和料的混凝土質量損失率，并針對不同凍融循環次數下混凝土的抗凍性能變化規律進行對比分析， 試驗結果如圖3所示。

圖3 質量損失率變化曲線

根據圖3 可知， 隨著凍融循環次數的增長，不同復摻方案的混凝土質量損失率均有所增大，說明混凝土受凍融破壞的作用會降低其抗凍性能。 隨著礦渣粉比例的增大，不同凍融循環的混凝土質量損失率呈先減小后增大趨勢變化，采用復摻方案后混凝土的質量損失率均有所減小，其中復摻方案四的混凝土質量損失率減小幅度最為明顯，養護7 d 和28 d 的質量損失率分別減小了45.2%和36.1%，原因是礦渣粉的粒徑要比粉煤灰小，使得膠凝材料所占孔隙減少，增強了混凝土內部結構密實度，因此摻入礦渣粉可以有效改善混凝土的抗凍性能，綜合來看粉煤灰和礦渣粉復摻比例選擇4∶6 對于提升混凝土的抗凍性能效果更優。

3.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

分別測定不同比例復摻礦物摻和料的混凝土抗壓強度耐蝕系數系數，并針對不同干濕循環次數下混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能變化規律進行對比分析，試驗結果如圖4 所示。

圖4 抗壓強度耐蝕系數變化曲線

根據圖4 可知， 隨著干濕循環次數的增長，不同復摻方案的混凝土耐蝕系數均有所減小，說明混凝土受干濕循環的作用會降低其抗硫酸鹽侵蝕性能。 隨著礦渣粉比例的增大，不同凍融循環的混凝土耐蝕系數呈先增大后減小趨勢變化，采用復摻方案后混凝土的耐蝕系數均有所增大，其中復摻方案三的混凝土耐蝕系數增長幅度最為明顯， 養護7 d和28 d 的耐蝕系數分別增大了4.6%和7.2%，原因是礦渣粉的摻入可以改善混凝土的微觀結構，充分填充漿體內部孔隙，提升混凝土的結構強度，因此摻入礦渣粉可以有效改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能， 綜合來看粉煤灰和礦渣粉復摻比例選擇6∶4對于提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能效果更優。

4 結論

本文通過復摻粉煤灰和礦渣粉2 種礦物摻和料，對比分析了不同復摻比例對高性能混凝土耐久性能的影響規律，得到以下主要結論：粉煤灰和礦渣粉復摻比例為2∶8 時， 對于混凝土的抗氯離子滲透性能增強效果更好；粉煤灰和礦渣粉復摻比例為8∶2 時，對于提升混凝土的抗碳化性能效果更好；粉煤灰和礦渣粉復摻比例為4∶6 時， 對于提升混凝土的抗凍性能效果更好；粉煤灰和礦渣粉復摻比例為6∶4 時， 對于提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能效果更好，綜合來看復摻礦物摻和料可以顯著改善高性能混凝土的耐久性能，但不同復摻比例對混凝土耐久性能側重指標影響不同，因此在實際應用中可根據使用環境來選擇礦物摻和料的復摻比例。