玻璃粉對摻礦粉和摻粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性的影響

金 霞

(武漢城市建設集團有限公司，湖北 武漢 430010)

氯離子可經多途徑侵入混凝土造成鋼筋銹蝕，例如在橋梁混凝土中運用冰鹽，極有可能造成鋼筋鈍化膜受損與保護層混凝土裂縫情況，在各港口、海工等工程項目中，經擴散、滲透過程氯離子會進入混凝土結構中，造成上述問題。所以如何提高混凝土抗氯離子滲透性，始終作為工程領域重視的熱門話題，礦粉(GGBS)與粉煤灰(FA)作為常見混凝土摻合料，目前研究界已經對此材料的抗氧離子滲透性展開大量研究，因為與粉煤灰相比之下，礦粉有著更大活性，所以摻礦粉混凝土在早期抗氯離子滲透性就要優于摻粉煤灰混凝土。從反應機理層面，不管是摻礦粉還是摻粉煤灰，這種活性摻合料均經混凝土內堿性成分和摻和料活性成分發生二次水化所起的作用。所以混凝土內氫氧化鈣與堿金屬離子構成堿性環境，會影響水化反應形成的產物與微觀結構，進而對混凝土的抗滲透性能造成影響。玻璃粉作為無定型硅酸鹽物質，近年來用于混凝土中得到大量研究，現有文獻表示玻璃粉可以經二次水化發揮與常規摻合料相似的作用。其中氧化鈉高達13%，二次水化改變了混凝土孔溶液的組成，所以有希望能夠發揮堿激發作用，對混凝土性能產生特殊作用。目前這方面研究較少，玻璃粉對不同摻合料混凝土體系影響的研究也較少，所以本文將展開玻璃粉對摻礦粉與摻粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性影響研究。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料

(1)本實驗所用玻璃粉原材料包括石英砂、長石、石灰石、純堿，經高溫1 550～1 600 ℃熔融、成型、冷卻、固化所形成的微觀無規則結果，作為非靜態固體，主要化學成分為SiO、AlO、CaO、FeO、NaO，含有少量KO、MgO、SO、TiO；

(2)本實驗所用粉煤灰的物理性能，細度13%、流動度140 mm、堆積密度912 kg/m，將粉煤灰摻入混凝土中能夠有效節約水泥用量，減少用水量和水化熱，進而改善混凝土和易性；所以粉煤灰作為優質水泥混合材料，主要化學組成：SiO、AlO、FeO、CaO、KO、TiO；

(3)本實驗所用摻礦粉能夠起到活性效應，對混凝土早期強度有一定貢獻，主要化學組成：CaO、AlO、SiO、MgO、FeO、TiO、KO、SO、NaO；

(4)本實驗所用水泥為某牌普通硅酸鹽水泥，細度為380 m/kg；初凝時間為115 min，終凝時間為155 min；3、28 d抗壓強度分別為34.0、59.6 MPa；3、28 d抗折強度分別為6.3、9.2 MPa；

(5)本實驗所用碎石均為5～25 mm連續粒級，26.5 mm為最大粒徑，級配與標準要求相符，根據標準規定作為低堿活性集料；

(6)本實驗所用減水劑符合高性能減水劑標準型指標，減水率31%、泌水率11%、含氣量4.8%；初凝時間差20 min，終凝時間差35 min；28 d收縮率101%、氯離子含量0.015%，pH值5.81。

1.2 實驗混凝土配合比

本次實驗選用C60強度混凝土展開RCPT、RCM試驗，制備150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，制樣24 h后將混凝土試塊脫模后，在20 ℃室溫、相對濕度大于95%養護室環境中養護成型，直至指定齡期可以運用混凝土取芯機進行取芯，獲得直徑100 mm的圓柱體；運用切割切除混凝土圓柱體浮漿層、沉積層，可以獲得直徑100 mm、高度50 mm的2個樣品試塊。制備用于抗壓強度、孔隙率測試的100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方體試塊，進行與上面所述等同的脫模、養護操作。

1.3 實驗方案

(1)配置3種：0.39、0.49、0.66水膠比混凝土，對比分析試驗不同水膠比條件下，所加入摻合料不同取代率對混凝土抗氯離子滲透性、孔隙結構的影響；

(2)在2種水膠比0.39、0.66試驗條件下，設計10%、20%、30%取代率，設計對比組；在0.49水膠比時，設計40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%取代率。為了對不同取代率梯度條件下，所加入不同摻合料對混凝土力學性能和抗氯離子滲透性、孔隙結構的影響進行分析，找出可行的摻合料最佳取代率與優化取代范圍；

(3)在100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方體試塊進行立方體抗壓強度、抗拉強度實驗，共62組，每組3塊。并運用NEL法對氯離子擴散系數進行測定，保證與NEL測試儀的應用規格相符，共58組，每組3塊；

(4)設計28 d標準養護齡期對比60 d養護，研究不同齡期下的實驗變化。本次實驗中W表示玻璃粉；M表示煤矸石粉；F表示粉煤灰；K表示礦粉；D表示齡期。

1.4 計算方法

(1)本次計算抗氯離子滲透性的計算公式：

(1)

式中：混凝土非穩態氯離子遷移系數用表示；施加電壓絕對值用表示；陽極溶液初始溫度和終止溫度均值用表示；試塊厚度用表示；氯離子滲透深度計算均值用表示；實驗用時用表示。

(2)本次實驗計算總孔隙率公式：

(2)

式中：總孔隙率用表示；飽水之后試塊質量用表示；烘干之后試塊質量用表示。

2 結果及討論

2.1 不同取代率玻璃粉試驗結果

不同取代率玻璃粉試驗結果，具體如表1所示。

由表1可以看出，本設計在其他條件不變取代率改變時，對比對照組和玻璃分壓泵試驗結果，發現玻璃粉會對同齡期混凝土的孔結構造成差異化影響，玻璃粉的等質量水泥取代率和混凝土抗氯離子擴散系數各指標之間呈正相關，隨之增加而增加且明顯大于對照組結果。雖然玻璃粉的摻入量不斷增加，但在30%摻量條件下，摻玻璃粉混凝土的上述試驗指標均小于對照組，證明孔結構復雜度與微小孔的含量均高于水泥對照組。

表1 不同取代率玻璃粉試驗結果Tab. 1 Test results of glass powder with different substitution rates

2.2 不同齡期玻璃粉試驗結果

不同齡期玻璃粉試驗結果，具體如表2所示。

由表2可以看出，在水膠比為0.49條件下，摻玻璃粉在28、60 d對比水泥對照組，發現玻璃粉混凝土的各指標與齡期密切相關，與水泥對照組相較明顯更大；隨著齡期逐漸延長，摻玻璃粉混凝土孔徑明顯細化，有害孔數量減少，無害孔數量增加，混凝土內部孔隙結構更加密實。

表2 不同齡期摻玻璃粉試驗結果Tab. 2 Test results of mixing glass powder at different ages

2.3 不同礦物摻合料試驗結果

不同礦物摻合料試驗結果，具體如表3所示。

表3 不同礦物摻合料試驗結果Tab. 3 Test results of different mineral admixtures

由表3可以看出，摻玻璃粉和摻礦粉各指標與水泥對照組相較明顯要小；摻粉煤灰和摻礦粉與水泥對照組相較略大。所以對比證明摻玻璃粉、摻礦粉這2類混凝土，可以有效改善混凝土的孔結構，細化混凝土的內部孔隙，減少混凝土內有害孔對整體性能造成的影響，相比之下摻玻璃粉混凝土的性能改善效果最為顯著。

通過觀察發現，摻玻璃粉混凝土孔隙結構，與水泥對照組和摻煤矸石粉、摻粉煤灰、摻礦粉混凝土相較結構更加密集，基本接近于水泥對照組。這證明了摻玻璃粉能夠有效改變混凝土的內部孔隙結構，增強混凝土的密實度，減少有害孔，增加微小無害孔。發生這類反應的原因在于，經28 d養護，摻玻璃粉特征峰值，較水泥對照組混凝土更高。隨著養護齡期的逐漸增加，經60 d養護，摻玻璃粉的特征衍射峰值則低于水泥對照組，這是因為摻玻璃混凝土發生玻璃粉水化反應需要不斷消耗，隨著時間的增加，水化產物隨之增多，所以摻玻璃粉混凝土在早期強度較低；但隨著養護時間的延長后期強度則會不斷增加。在延長養護齡期過程中，更徹底地反應摻玻璃粉活性與二次水化反應，填充水分蒸發孔和不完全水化反應后留下的孔，從而增加結構密實度，提高混凝土的抗氯離子滲透性。

2.4 抗壓強度試驗結果

由圖1、圖2可以看出，在高水膠比0.66混凝土抗壓強度變化規律中，30%摻粉煤灰取代率，28 d與60 d強度和摻煤矸石粉等質量取代10%水泥情況下，28 d混凝土強度較水泥對照組明顯大；剩余摻合料的取代率相應強度，與水泥對照組相較明顯小。水泥對照組在60 d混凝土強度與28 d相較達到12.4%增長率；摻玻璃粉等質量水泥取代率在10%、20%、30%時，60 d混凝土強度與28 d相較達到20.3%、23.8%、19.7%，摻煤矸石粉等質量水泥取代率在20%、30%條件下，60 d混凝土強度與28 d混凝土強度達到23.6%、16%增長率，與水泥對照組相較明顯更大。摻粉煤灰、摻礦粉等質量取代水泥取代率為10%、20%、30%情況下，60 d對28 d強度增長率較水泥基準組明顯較小，所以與基準水泥組相較，摻玻璃粉的混凝土強度增長率，明顯高于摻粉煤灰和摻礦粉。

圖1 水膠比0.66時28 d抗壓強度值Fig.1 28 d compressive strength at water-binder ratio 0.66

圖2 水膠比0.66時60 d抗壓強度值Fig.2 60 d compressive strength at water-binder ratio 0.66

2.5 劈裂抗拉強度試驗結果

在混凝土抗拉強度試驗中，當水膠比為0.66時，發現在28 d摻煤矸石粉10%水泥取代率條件下，能夠達到最高的混凝土劈裂抗拉強度，與水泥對照組相較明顯超出；在60 d煤矸石粉為10%、20%水泥取代率條件下，劈裂抗拉強度與水泥對照組相較明顯高，在強度增長率方面，摻玻璃粉的表現更為突出，摻玻璃粉設計10%、20%、30%不同取代率，摻煤矸石粉為30%取代率，摻礦粉10%、30%取代率下，與水泥對照組相較均超出。

在水膠比為0.49條件下，對混凝土劈裂抗拉強度變化規律進行分析，發現在30%水泥取代率條件下，劈裂抗拉強度較礦渣粉取代率明顯大；20%、10%長粉煤灰劈裂抗拉強度，較水泥基準組抗拉強度明顯更大；在60 d礦渣粉10%取代率條件下，劈裂抗拉強度較20%摻粉煤灰取代率明顯更大；30%礦渣粉取代率和水泥基準組劈裂抗拉強度值更大。

在水膠比為0.39條件下，發現60 d養護時間內摻玻璃粉的取代率劈裂抗拉強度較摻煤矸石粉明顯更大，呈現一致的變化趨勢；在40%以內摻量下，劈裂抗拉強度值呈平穩變化，與基準劈裂抗拉強度值基本接近。在超出40%摻量后，開始呈現迅速降低抗拉強度的情況；而在100%取代率情況下抗拉強度已經基本為0。結果表明，無論是摻玻璃粉、摻礦粉、摻粉煤灰的水泥取代率均要在40%以內，才能夠有效改善混凝土力學性能，提高抗壓強度。

3 結語

針對混凝土抗氯離子滲透性能，展開玻璃粉、礦粉、粉煤灰對比試驗，獲得混凝土抗氯離子擴散系數，根據總孔隙率、比孔容、最可幾孔徑有關參數，研究抗氯離子滲透性。

(1)玻璃粉、粉煤灰、礦渣粉、煤矸石粉，均有良好火山灰活性，摻入這些優質礦物摻合料，能夠有效降低混凝土的氯離子擴散系數，改善混凝土的孔隙結構增強滲透性；

(2)在30%取代率時，抗氯離子滲透性最優；取代率在40%以內，這幾類礦物摻合料等質量取代水泥混凝土，所得抗壓強度、劈裂抗拉強度與水膠比密切相關；表明其具有可行性，能夠優化混凝土力學性能。