高性能輕集料混凝土的抗氯離子滲透性能研究

陳連發，陳 悅，李 龍，王 辰

(1．吉林化工學院材料科學與工程學院，吉林吉林132022;2．中國電器科學研究院有限公司 威凱檢測家電事業部，廣東廣州510663;3．亞泰集團長春建材有限公司吉林市分公司，吉林吉林132002)

高性能輕集料混凝土作為高性能混凝土的一個支系，是采用粗糙微、細孔結構、滲透性能優異的輕集料和適當的配合比技術配制的輕集料混凝土，其抗氯離子滲透性能比同級別普通混凝土好，原因是輕集料的重量輕且表面粗糙多微、細孔，使每顆輕集料就像一臺微小的水泵，此“微泵”效應，在混凝土成型初期，輕集料吸收水泥漿體中的一些水分，導致界面區水灰比下降，從而提高了水泥硬化體的密實度并加強了輕集料與水泥硬化體的界面過渡區域，在中、后期，輕集料顆粒中的微、細孔又會逐漸釋放出水分，使水泥硬化體獲得充分的養護，此過程改善了混凝土的孔隙結構，輕集料的微、細孔結構使其與水泥硬化體結構的界面密實度提高，使輕集料混凝土的抗滲透性能得到較大的改善［1-2］．通過調整混凝土中膠凝材料用量、水膠比、摻加高效減水劑和礦物摻合料可以有效地微細化混凝土孔隙結構、改善界面區粘結力、降低不利晶體相數量并提高混凝土的密實程度，從而提高混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力［3］．提高輕集料混凝土的抗滲透性能就可以有效地抵抗水和侵蝕性介質的侵入，使鋼筋避免腐蝕和上銹，結構物的使用功能得以保證和延長了壽命．因此，抗氯離子滲透性能成為評價高性能輕集料混凝土耐久性的重要指標之一．

1 試驗部分

1.1 原材料

(1)水泥:吉林亞泰水泥廠生產的鼎鹿牌P·O42．5級普通硅酸鹽水泥;

(2)粉煤灰:吉化熱電廠生產的I級粉煤灰，細度(45μm 篩)為 8．2%;

(3)礦渣:吉林聯達高新建材廠生產的粒化高爐礦渣超細粉;

(4)輕集料:湖北宜昌寶珠陶粒有限公司生產的800級碎石型膨脹頁巖陶粒．水泥、粉煤灰和礦渣的主要物理性能指標見表1和表2，輕集料的主要物理性能指標見表3;

表1 水泥主要性能指標

表2 原材料物理性質與化學組成

表3 輕集料基本性能指標

(5)細集料:普通河砂，細度模數Mx=3．0，堆積密度為1550 kg/m3，表觀密度為2620 kg/m3，含泥量＜1%，II區級配;

(6)外加劑:上海花王萘系高效減水劑Mighty(粉狀)，減水率 15% ～25%;SJ-2型引氣劑;

(7)拌合水:自來水．

1.2 試驗方法

試驗按照《普通混凝土耐久性能試驗標準》(GBJ 82-85)、《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51-2002)和(ASTMC 1202-97)標準進行，抗滲試驗按照ASTMC 1202-97標準的快速試驗方法一直流電量法進行測試，測定試樣在80V電壓下8 h內通過的電量，評價輕集料混凝土抵抗氯離子滲透性能，試驗采用從150 mm×150 mm×150 mm立方體混凝土試件中鉆芯取樣，然后切割成Φ100 mm×50 mm的圓柱試樣，試驗研究了膠凝材料用量、砂率、粉煤灰摻量、粉煤灰與礦渣雙摻和引氣劑對輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的影響．

2 試驗結果與討論

2.1 配合比設計方案

試驗配合比按照《輕骨料混凝土技術規程》(JGJ 51-2002)配合比設計方法中的松散體積法設計，為了與實際工程施工過程接軌，輕集料不進行預先吸水預濕，第一步先制定輕集料混凝土配合比:膠凝材料用量為550 kg/m3，有效水膠比為0．28，體積砂率為40%，I級粉煤灰采用等量取代，取代率為10%，減水劑摻入量取膠凝材料用量的0．5%．設此配合比(A2)作為基準，然后固定另外影響因素不變時，分別進行探討膠凝材料用量、砂率、礦物摻合料以及引氣劑摻量不同時對輕集料混凝土抗滲透性能和強度的影響．詳細混凝土配合比及混凝土物理性能見表4所示．

表4 高性能輕集料混凝土試驗配合比及混凝土性能

2.2 抗氯離子滲透性能測試研究與討論

測試混凝土80V電壓下8 h通過混凝土的電量來評價混凝土的氯離子滲透性能，通過電量與氯離子滲透性能的關系如表5所示．

表5 通過電量的氯離子滲透性能

2.3 膠凝材料用量對高性能輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的影響

以配合比A2為基準，在用水量160 kg/m3不變的條件下，通過調整膠凝材料用量以研究不同有效水膠比(0．26、0．28、0．3 和 0．32)對輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的影響．

圖1 膠凝材料用量對混凝土抗氯離子滲透性的影響

由圖1可見，隨著膠凝材料用量的增加，有效水膠比下降，混凝土8 h庫侖電量有所下降．膠凝材料用量從474 kg/m3增至582 kg/m3，輕集料混凝土28 d的8 h庫侖電量由116℃降低至98℃，降幅為15．7%，氯離子滲透性能級別處于低與很低的交界區域．輕集料混凝土的抗氯離子滲透性能得以提高．原因在于用水量不變的條件下增加膠凝材料用量，相當于降低了輕集料混凝土中自由水的量，導致混凝土中的空隙率也降低，密實程度得以提高［4，5］，當膠凝材料用量增加至 550 kg/m3以后，輕集料混凝土各齡期的抗氯離子滲透性能提高幅度變化甚微，原因是隨著膠凝材料用量的增加，混凝土的粘聚性能增大，但單純靠增加水泥用量來改善水泥漿體與輕集料界面粘接處的結合情況十分有限．由此說明，單純增加膠凝材料用量，降低有效水膠比并非是提高混凝土抵抗氯離子滲透能力的有效途徑，過大的膠凝材料用量反而會產生較大的干縮變形、水化熱高和較高的成本［6］．從表4中輕集料混凝土28 d抗壓強度的結果也可以看出，膠凝材料用量超過550 kg/m3后，輕集料混凝土的強度增長很有限．因此，選擇550 kg/m3的膠凝材料用量和0．28的有效水膠比即可以達到較高抗滲性和強度．

2.4 砂率對高性能輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的影響

砂率的合理選擇既可以改善混凝土的工作性能和強度，還能提高混凝土的抗氯離子滲透性能．以基準配比(A2)為標準，按照松散體積法進行砂率計算，設輕集料和砂子總體積不變的條件下，探討不同砂率與輕集料混凝土抗氯離子滲透性能和強度的影響．

圖2 砂率對混凝土抗氯離子滲透性的影響

從圖2的試驗結果可見，隨著砂率的增加，混凝土8 h庫侖電量產生了一些波動，砂率在40% ～42%附近時可達到最低值，高于此值時，無論增加或者降低砂率，混凝土的8 h庫侖電量都有所增加，尤其是砂率增至44%時，庫侖電量值最大．分析原因是:細集料在一定范圍內增多可以相應地提高混凝土的粘聚性，改善了水泥砂漿中的微細孔結構，使集料間的空隙得到更好的填充，輕集料用量相對減少，界面面積也就相應減小，導致混凝土總的氯離子擴散系數有所降低．然而過高的砂率很容易使混凝土出現分層離析和泌水現象的發生，嚴重影響混凝土的性能，抗氯離子滲透性能也會隨之下降．而砂率過低也會造成細集料對粗集料的包裹不足，混凝土中空隙較多，抗氯離子滲透性能也變差;而高性能輕集料混凝土對流動性要求高．因此，在配制高性能輕集料混凝土時，應重視砂率的適宜選擇，達到最佳配合比的目標．

2.5 礦物摻合料對輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的影響

2．5．1 粉煤灰摻量對輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的影響

在有效水膠比為0．28的條件下，單摻粉煤灰對抗氯離子滲透性能的影響的試驗結果如圖3所示．粉煤灰等量取代水泥能較大幅度降低輕集料混凝土8 h的庫侖電量，且隨粉煤灰摻入量的增加，輕集料混凝土8 h庫侖電量有較大的降低，28 d單摻粉煤灰的輕集料混凝土較不摻粉煤灰混凝土降低了99℃以上，降幅超過47%，抗氯離子滲透等級從“中等級別”降到“低等級別”水平．

圖3 粉煤灰摻量對抗氯離子滲透性的影響

圖4 粉煤灰與礦渣對抗氯離子滲透性的影響

原因是粉煤灰的形態效應和微集料效應發揮的作用，粉煤灰的摻入減少了用水量，填充水泥顆粒間的空隙導致空隙率的降低、同時使膠凝材料體系的顆粒分布更加合理，堆積密實度提高［7］:并且隨著水泥水化反應的進行，粉煤灰的活性成分與水泥水化析出的氫氧化鈣反應，生成了比較穩定的硅酸鈣水化物，填充了毛細孔和其它孔隙，使輕集料混凝土結構更加密實［8］．此水化物有助于強度的增長，其中一部分漿體顆粒還會滲入輕集料表面的空洞和間隙中，隨著水化齡期的延長，輕集料與水泥硬化體之間的界面區域也得到了改善和強化，結構更加致密化，有效地延長了毛細微孔通道，導致輕集料混凝土抗氯離子滲透性能大大增加．可見，粉煤灰是配制高抗滲性高性能輕集料混凝土的必備材料，粉煤灰的摻量存在一個最佳值范圍，原因是還必須考慮到混凝土的工作性能及對強度的影響，綜合考慮各方面影響因素后可以得出:10%的粉煤灰摻量是最優的摻量，此摻量既可以保證較高的抗氯離子滲透性能又對其抗壓強度影響較小．

2．5．2 粉煤灰與礦渣雙摻摻量對輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的影響

礦渣細粉是煉鐵的副產品．機械磨細獲得的，物相以玻璃體為主，因此具有很高的活性．礦渣和粉煤灰復合作為混凝土的摻合料，不僅可提高混凝土的工作性能和強度，也進一步改善了混凝土的抗氯離子滲透性能．

試驗配合比以A2為基準，比較了CI(空白)、D1(10%礦渣)、D3(5%粉煤灰+5%礦渣)及D2(10%粉煤灰+10%礦渣)4組配合比28 d，56 d、90 d 3個不同指定齡期的8 h庫侖電量值，如圖4所示．結果表明:隨著摻合料摻量的增加，混凝土8 h庫侖電量有所降低，其中粉煤灰和礦渣復合雙摻可以顯著降低輕集料混凝土的8 h庫侖電量，D2組混凝土28 d的8 h庫侖電量只有721．7C，僅為空白組混凝土Cl的35%;而單摻礦渣對提高輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的效果沒有單摻粉煤灰大，而且隨著齡期的增加其抗氯離子滲透性能提高也不明顯;對于相同摻合料取代率的輕集料混凝土，粉煤灰與礦渣雙摻比單摻的抗氯離子滲透效果要好，且隨著齡期的增長，各組輕集料混凝土的8 h庫侖電量值均有不同程度的降低，抗氯離子滲透性能都有所提高．

粉煤灰和礦渣的雙摻，不僅由于二者的細度不同能相互填充空隙，產生復合的填充效應，使混凝土密實度提高，而且能改善水泥硬化體中膠凝材料的組成結構，發揮粉煤灰和礦渣的復合效應，使火山灰反應更加充分，水泥硬化體的結構更加致密，并優化輕集料表層結構，隨著摻合料被輕集料的吸入和水化程度的增加，混凝土滲透孔道大大減少，輕集料混凝土的抗氯離子滲透性能得以提高［9，10］．總之，粉煤灰與礦渣復合雙摻能有效提高輕集料混凝土抗氯離子滲透性能，是配制高性能輕集料混凝土必不可少的原材料．

2.6 引氣劑對輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的影響

改變引氣劑摻量來探索不同含氣量對輕集料混凝土抗氯離子滲透性能的影響．引氣劑的摻量分別取占膠凝材料的0‰、0．05‰和0．1‰，而混凝土含氣量分別為 1．3‰，3．8‰和 7．5‰．試驗結果如圖5所示．

圖5 引氣劑摻量對混凝土滲透性的影響

由圖 5可見:引氣劑摻量由 0‰增加到0．05‰時，輕集料混凝土8 h庫侖電量值有明顯降低，而當引氣劑摻量繼續增大到0．1‰后，混凝土的8 h庫侖電量卻有不同程度的增加，28 d從854 C增加到1 147 C，增幅達33%，而56 d庫侖電量增幅更高，達到1．4倍．由此可見，對于輕集料混凝土抗氯離子滲透性能，引氣劑摻量和混凝土含氣量存在一個最佳值，可使輕集料混凝土達到良好的抗滲透性能．在輕集料混凝土中摻入適量的引氣劑后，會在混凝土內部產生一定量均勻、穩定而封閉的微小氣泡，填充到集料間的空隙，輕集料之間的聯系被切斷，從而提高了混凝土的均質性和密實性，減少了混凝土的滲透性系數．另外，適量引氣還可減小水泥漿體與輕集料間的密度差，使二者的彈性模量接近，變形協調性能有所提高，界面區域缺陷減少，使輕集料混凝土整體表現出較好的抗滲性［11］．但是隨著引氣劑摻量的增大，混凝土含氣量增加到某個極限后，氣泡對混凝土的潤滑作用增大，使混凝土的流變性增大，導致振搗時集料和砂漿之間很容易產生分離，輕集料會出現明顯的上浮現象，使輕集料混凝土的密實性降低、強度下降［12］．因此，控制引氣劑的摻量對混凝土的抗氯離子滲透性及耐久性是有益處的．

3 結 論

(1)高性能輕集料混凝土的抗氯離子滲透性能與膠凝材料用量、水膠比、砂率、礦物摻合料以及外加劑有直接關系，與普通混凝土和輕集料混凝土相比，高性能混凝土具有更優良的抗滲性能，且隨齡期的增長不斷增強;摻入礦物摻合料和適量的引氣劑可以改善輕集料混凝土的抗滲透性能;粉煤灰和礦渣復合雙摻可以很好地發揮復合填充效應和增強效應，對混凝土抗滲透性能的提高頗為有效．隨著膠凝材料用量的增加，輕集料混凝土的抗氯離子滲透性能有所提高，選擇合適的膠凝材料用量和水膠比可以達到較好的抗氯離子滲透性能．

(2)砂率在適當范圍內的增加，可以提高混凝土的抗氯離子滲透性能，但砂率過大容易產生泌水現象，應選擇合理砂率．礦物摻合料是配制高性能輕集料混凝土的必備條件．單摻粉煤灰可以大幅度提高輕集料混凝土的抗氯離子滲透性能，效果比單摻礦渣要好;粉煤灰和礦渣復合雙摻可以較好地發揮復合填充效應和增強效應，其抗氯離子滲透性能更好．加入適量的引氣劑能改善輕集料混凝土的孔結構，提高混凝土密實度和抗氯離子滲透性能，但引氣劑摻量不宜過大．

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