水工混凝土摻礦物摻合料的抗氯離子滲透性研究

魏龍男

(盤錦市城鄉建設事業發展服務中心，遼寧 盤錦 124000)

鋼筋混凝土結構受氯離子侵蝕、碳化等環境條件作用表現出非常突出的耐久性問題，其主要是鋼筋鈍化膜因氯離子侵蝕發生破壞而引起的銹蝕，鋼筋銹蝕導致結構的力學性能發生改變，加之銹蝕后鋼筋體積產生膨脹，并進一步導致整體結構發生破壞，特別是在沿海地區這種情況更加嚴重[1-3]。沿岸和海底鋼筋混凝土管道、跨海大橋、石油平臺、海港碼頭等大量鋼筋混凝土構筑物，大多由于氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕而導致破壞和巨大的經濟損失[4-6]。因此，研究水工混凝土侵蝕破壞機理以及增強其抗氯離子侵蝕性能是極其必要的。鑒于此，本試驗利用粉煤灰和石粉兩種摻合料，從抗氯離子侵蝕性能上的角度探討了摻合料的增強作用，旨在為再生利用礦物摻合料提供一定數據支持。

1 試驗方案

1.1 試驗目的

通過試驗研究水工混凝土抗氯離子侵蝕性能，探討了相同荷載作用下不同摻合料混凝土的氯離子侵蝕機理以及摻合料摻量與抗氯離子侵蝕之間的關系，并結合氯離子傳輸機理確定最優配合比，以期為水工結構耐久性設計提供試驗依據。

1.2 原材料準備

水泥選用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；花崗巖石粉細度有0-80μm和0-150μm兩種，摻量設計10%、20%。、30%三種；粉煤灰選用火電廠生產Ⅱ級灰，細度16.1%，摻量設計10%、20%。、30%三種；試驗用砂為天然河砂，細度模數2.5；粗骨料為連續級配碎石，粒徑5-25mm；減水劑選用聚羧酸高效減水劑，摻量取礦物摻合料和水泥總量的0.5%。

1.3 配合比設計

本試驗設計砂率為42%、水膠比為0.45的16組配合比，每組配制3個混凝土試件，其尺寸大小φ100mm×50mm，混凝土配合比設計，見表1。其中，J、S、H代表基準配合比、花崗巖石粉和粉煤灰；S1-80中的1、80分別代表石粉的摻量10%和細度0-80μm；F1代表粉煤灰的摻量10%；H2-80中的2、80代表粉煤灰與花崗巖石粉的總摻量20%和石粉細度0-80μm，雙摻質量比為1∶1。

表1 混凝土配合比設計 km/m3

1.4 試驗原理

本試驗利用RCM法測試氯離子擴散系數，試件外部的氯離子在外加電場作用下加速向內部遷移，氯離子侵蝕試驗裝置，見圖1。

圖1 氯離子侵蝕試驗裝置

1.5 氯離子擴散系數

通電一段時間后沿軸向將試件劈開，然后將硝酸銀溶液噴在新劈開的斷面上，硝酸銀與滲入試件內部的氯離子反應生成白色沉淀，由此可以測量出滲透深度并確定氯離子擴散系數DRCM(m2/s)，一般以經驗公式計算確定：

(1)

一般地，各組試件的試驗測定值取該組3個試件的平均值，若中值與任一測量值的差值>15%則取中值，若中值與任兩個測量值的差值>15%則認為試驗數據無效。

2 結果與分析

2.1 單摻粉煤灰

單摻粉煤灰氯離子擴散系數，見表2；歸納分析各組試驗數據生成不同摻量下的氯離子擴散系數圖，單摻粉煤灰氯離子擴散系數，見圖2。

圖2 單摻粉煤灰氯離子擴散系數圖

表2 單摻粉煤灰氯離子擴散系數

結果表明，單摻10%、20%、30%粉煤灰組的DRCM值均小于基準組，其中單摻20%粉煤灰的DRCM值最小。混凝土拌合初期，水泥顆粒可以組成相互連接的絮狀結構，其內部含有部分水分使得拌合物成為非均質化合物，并對混凝土工作性造成一定影響。粉煤灰摻入后會斷開水泥顆粒間的連接，使絮狀物被分散并釋放出更多的水分，具有親水性的粉煤灰顆粒會吸附釋放出的水分，從而減少泌水量。若泌水量過大混凝土極易產生分層離析，內部產生微觀孔道導致混凝土抗滲性下降，為氯離子侵蝕滲入提供條件[7]。因此，粉煤灰摻入后會增大水泥漿體的硬化致密性，減少多雨自由水分的移動，降低混凝土泌水性以及增強其抗氯離子侵蝕性。

混凝土內部孔隙被粉煤灰的微集料效應堵塞，從而降低了混凝土孔隙率和密實度，改善了微觀孔結構，抗氯離子滲透性明顯增強。一定摻量的粉煤灰與水泥水化產物發生二次水化反應生成更多額水化鋁酸鈣、硅酸鈣等膠凝物質，有效改善了內部密實性，水化鋁酸鈣作為氯離子化學固化的主要物質可以降低了混凝土中游離氯離子含量，使得氯離子滲透混凝土的作用大大減弱[8]。

因此，試驗組較基準組氯離子擴散系數較小的關鍵原因在于粉煤灰的化學和物理活性。讓入，質量相同條件下粉煤灰體積高于水泥約30%，粉煤灰替代水泥摻量較高時，降低了水泥漿體的包裹效應，導致混凝土內部密實性和抗氯離子侵害性能也下降，氯離子擴散系數增加。結合試驗數據，10%和20%摻量時，隨粉煤灰摻量增加氯離子擴散系數均逐漸減小，而30%摻量時氯離子擴散系數不降反增。單摻花崗巖石粉氯離子擴散系數，見表3。

2.2 單摻花崗巖石粉

混凝土單摻花崗巖石粉的氯離子擴散系數如表3，歸納分析各組試驗數據生成不同摻量的DRCM值變化趨勢圖，單摻花崗巖石粉氯離子擴散系數圖，見圖3。

圖3 單摻花崗巖石粉氯離子擴散系數圖

表3 單摻花崗巖石粉氯離子擴散系數

結果表明，單摻石粉試件的DRCM值均隨著摻量的增加而增大；相同摻量情況下，混凝土摻花崗巖石粉細度越小則其抗氯離子侵蝕性越優，如細度0-80μm組的DRCM值均小于相同摻量下的細度0-150μm組的測試值。研究認為[9-10]，混凝土中滲入的氯離子存在形式主要有3種：①化學吸附，外界滲入的氯離子與內部的氯酸鹽反應生成3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O(單氯水化鋁酸鈣)；②物理吸附，膠凝材料水化產物中未參與化學反應而被吸附進去的氯離子，并且處于不可逆吸附；③自由離子，在混凝土中以毛細作用、滲透、擴散等形式遷移。氯離子對混凝土的物理與化學吸附稱為固化作用，但內部存在的自由遷移的氯離子是混凝土侵蝕破壞的主要原因。

摻量較低情況下，花崗巖石粉對混凝土內部孔隙發揮著填充作用，有利于提高混凝土的密實性、抗滲性以及降低內部孔隙率，因此摻量較低時單摻花崗巖石粉的氯離子擴散系數值低于基準組。混凝土凝膠材料隨石粉摻量的增加逐漸減少，從而降低了混凝土固化氯離子的作用，石粉摻量越高則固化作用減弱越顯著，在外界侵蝕溶液濃度相同情況下，隨石粉摻量的增加內部游離自由氯離子數增多[11]，石粉摻量為30%時的氯離子擴散系數較基準組高。

結合試驗數據，采用花崗巖石粉替代膠凝材料摻入混凝土中時，細度較小(0-80μm)的石粉比細度較大(0-150μm)石粉的抗氯離子性能更好，但整體相差不明顯。根據孔徑20-50nm、50-200nm、>200mm依次為少害孔、有害孔、多害孔的等級劃分原則，花崗巖石粉的細度越小則對混凝土內部多害孔、有害孔、少害孔的填充效果越優，所以混凝土氯離子擴散系數在摻0-80μm石粉組整體偏低。

2.3 雙摻粉煤灰與石粉

按質量1∶1和摻量20%、30%、40%雙摻粉煤灰與花崗巖石粉替代水泥，雙摻粉煤灰與石粉的氯離子擴散系數，見表4，歸納分析各組試驗數據生成不同摻量下的氯離子擴散系數圖，雙摻粉煤灰與石粉的氯離子擴散系數圖，見圖4。

圖4 雙摻粉煤灰與石粉的氯離子擴散系數圖

表4 雙摻粉煤灰與石粉的氯離子擴散系數

結果顯示，雙摻0-80μm花崗巖石粉與粉煤灰時，粉煤灰占主導地位影響試樣抗氯離子侵蝕性；雙摻0-150μm花崗巖石粉與粉煤灰時，花崗巖石粉占主導地位影響試樣抗氯離子侵蝕性。總體而言，雙摻量不超過40%情況下均有利于提高抗氯離子侵蝕性能。

花崗巖石粉質量相同時，細度小的石粉具有更大的比表面積，其與水泥漿體的接觸范圍也更大，有利于促進水化產物與粉煤灰的二次反應以及水泥的水化反應，從而較早地體現粉煤灰影響抗氯離子侵蝕性的效應，這是保持其他條件不變而花崗巖石粉細度不同造成氯離子擴散系數變化的根本原因[12-17]。

3 結 論

1)單摻粉煤灰或花崗巖石粉以及兩者雙摻的水工混凝土，控制摻量處于一定范圍時均能夠在不同程度上降低氯離子擴散系數，即增強混凝土的抗氯離子侵蝕性，并表現出規律性。雙摻粉煤灰和花崗巖石粉具有疊加效應，即雙摻較單摻更能改善混凝土抗氯離子侵蝕性，其中雙摻30%時具有更加顯著的效果。

2)研究表明，水工混凝土中摻入粉煤灰和花崗巖石粉時，其抗氯離子侵蝕性能夠得到明顯提升，研究成果可為水工混凝土配合比設計以及礦物摻合料選用提供一定參考。