負溫條件和礦物摻合料耦合作用對混凝土強度和抗滲性影響

郭海貞，張戎令, 2, ，王起才,，代金鵬, ，婁許煜，謝智剛

負溫條件和礦物摻合料耦合作用對混凝土強度和抗滲性影響

郭海貞1，張戎令1, 2, 3，王起才1,3，代金鵬1, 3，婁許煜1，謝智剛1

(1. 蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室，甘肅 蘭州 730070；2. 卡迪夫大學 工程學院，英國 卡迪夫 CF24 3AB；3. 蘭州交通大學 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

為研究礦物摻合料在負溫養護條件下對混凝土抗壓強度和抗滲性的影響規律，并從微觀角度解釋其內在機理，進行?3 ℃養護條件下雙摻不同摻量粉煤灰、礦粉和三摻不同摻量粉煤灰、礦粉、硅灰對混凝土抗壓強度、孔隙結構和電通量的試驗。試驗結果表明:在?3℃養護條件下，摻入礦物摻合料均降低了混凝土早期的抗壓強度，但在雙摻10%粉煤灰和10%礦粉的基礎上，摻入不同摻量的硅灰，摻量為1%時，可有效改善混凝土早期抗壓強度；從其滲透性來看，礦物摻合料可以有效改善混凝土的細觀孔結構和抗氯離子滲透性能。

負溫條件；混凝土；礦物摻合料；強度；抗氯離子滲透；微觀機理

我國西北高寒高海拔凍土地區溫度常年維持在?3.5~0 ℃，這種高寒，低負溫等劣化因素對混凝土耐久性影響很大[1]。長期以來，高寒高海拔地區惡劣的環境嚴重影響混凝土結構的使用壽命，甚至部分結構物因材質劣化造成過早失效。因此，高寒高海拔地區如何保證混凝土耐久性進行深入研究具有重大意義。隨著綠色、環保和混凝土技術發展的需求，為有效利用工業廢渣和提高混凝土的耐久性，減少水泥用量，降低成本和保護環境，粉煤灰、礦粉和硅灰等礦物摻合料被廣泛應用于混凝土工程中，由于其具有良好的微集料效應、填充效應、火山灰效應、滾珠效應和溫峰降低效應等而被人們稱之為混凝土第6組成部分。作為混凝土的輔助膠凝材料，礦物摻合料改善混凝土性能而被混凝土研究者所關注，許多學者針對礦物摻合料對混凝土力學性能的改善作用[2?3]以及礦物摻合料對混凝土抗壓強度的影響[4]進行了大量研究；李玉平等[5]研究表明礦物摻合料能夠優化輕骨料混凝土的微觀結構；郭育霞等[6]通過研究內摻和外摻石灰粉對混凝土力學性能和耐久性的影響，結果表明石灰粉外摻的效果明顯優于內摻；依據ITZ的成因及其微結構特征，摻加不同物化特性的礦物摻合料能夠有效的改善混凝土界面過渡區的微觀結構[7?10]；胡翔等[11?12]研究表明礦物摻合料摻入可以改善混凝土抗氯離子滲透的能力,高摻量礦物摻合料混凝土的滲透性對養護條件非常敏感[13]；龍廣成等[14]分析得到超細磨粉煤灰、磨細礦渣及硅粉可以提高新拌水泥漿體密實性，能降低混凝土的吸收率和孔隙率，使混凝土更加防水[15]。但是，目前關于礦物摻合料在負溫條件下的研究尚有不足，本文通過復摻粉煤灰、礦粉和硅灰在?3 ℃養護下對混凝土強度和抗滲性的試驗研究，為高寒高海拔地區礦物摻合料的選取提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥采用祁連山牌P.O42.5級普通硅酸鹽；礦粉為蘭州東盛微粉有限責任公司生產S75級礦粉，粉煤灰為中鋁電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，硅灰采用青海青瑞集團股份有限公司生產的硅灰；粗骨料采用5~31.5 mm 連續級配碎石，壓碎指標10%，表觀密度2 670 kg/m3，堆積密度1 650 kg/m3；細骨料采用天然河砂，細度模數2.41，Ⅱ區中砂，表觀密度2 610 kg/m3，堆積密度1 514.9 kg/m3，含泥量0.9%；拌合用水采用實驗室自來水；減水劑用江蘇博特生產的緩凝性聚羧酸系高性能減水劑。水泥和礦物摻合料的檢測結果如表1~4所示。

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥技術指標

1.2 試驗方案

1.2.1 強度測試方法

依據GB/T50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土試塊抗壓強度試驗。將在實驗室內新拌合的混凝土澆筑入模后，直接帶模具放入?3 ℃恒溫大氣模擬箱內進行養護，3 d后脫模持續養護(混凝土澆筑完不能過早脫模，為了使初始養護環境和現場環境保持一致，在?3 ℃養護條件下試驗發現，混凝土試件澆筑完3 d左右才能基本完成終凝，故需帶模養護3 d后再脫模繼續養護)，分別測試3，7，14，28，56，84，112和140 d齡期下的抗壓強度。

表2 粉煤灰的技術指標

表3 礦粉的技術指標

表4 硅灰的技術指標

1.2.2 孔結構測試方法

孔結構測試方法選用氣孔分析法；試驗采用RapidAir457孔結構分析儀，對養護至28 d齡期混凝土的孔徑分布、氣孔數目、硬化含氣量、平均氣泡弦長等孔結構參數進行測試。測試過程可分為2步：1) 首先將混凝土試塊切割成厚度為1~2 cm的試件，表面經打磨、平整、清潔后，放入溫度為50 ℃的烘箱烘烤6 h，以便除去試件中的水分，每個試塊切割3個試件用來測試，減小由于試件引起的誤差；2) 將硫酸鋇和凡士林制成的熒光粉試劑均勻涂抹于試件測試面，放入已在測試軟件中調好水泥漿體含量、測試范圍、閾值等參數的試驗臺，自動采集數據。

1.2.3 抗氯離子試驗方法

混凝土抗氯離子滲透性測定采用多功能混凝土耐久性綜合試驗儀測試，依據GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的電通量法，試驗試件是采用Φ100 mm×50 mm試模制成Φ100 mm×50 mm 的圓柱體試件。試驗前先對試件進行打磨、拋光、清潔，然后進行真空飽水；將飽水完成后的試件安裝于正、負極兩測分別裝滿濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液和質量分數為3%的NaCl溶液的試驗槽內，檢查密封性良好后，接通電源給試件軸向施加60 V直流恒電壓，自動記錄記錄 6 h 內通過試件的總電量。

1.2.4 試件養護模擬條件

凍土區按照年平均地溫分為極穩定凍土(

1.3 配合比設計

在?3 ℃環境下混凝土耐久性很難得到保證，為了得到適用于該環境下混凝土的配合比，混凝土試驗水膠比選為0.38，同時復摻粉煤灰、礦粉、硅灰分別代替等質量的水泥，通過?3 ℃養護條件下不同齡期混凝土的強度、孔結構、電通量等性能來研究配合比的優劣性。混凝土配合比如表5所示。

表5 配合比

2 試驗結果及分析

2.1 礦物外摻料對混凝土抗壓強度的影響

在?3 ℃條件下，對NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6組不同配合比的混凝土進行3，7，14，28，56，84，112和140 d不同齡期的抗壓強度測試，試驗結果如圖1所示。

圖1 負溫(?3 ℃)混凝土抗壓強度

從圖1(a)可知，對比NC1，TC1，TC2和TC3 4組混凝土的抗壓強度測試結果表明：摻入礦物摻合料明顯降低了負溫條件下混凝土的早期抗壓強度。相對NC1未摻礦物摻合料混凝土，復摻粉煤灰和礦粉對14 d齡期前混凝土強度影響更為明顯，摻量越多影響越大，84 d齡期之后，復摻10%粉煤灰和10%礦粉的TC2組混凝土抗壓強度增長速率最低。相對不摻礦物摻合料的基準混凝土NC1組，摻入礦物摻合料的TC1，TC2和TC3 3組的混凝土抗壓強度明顯有所降低，其整體的抗壓強度呈現出NC1>TC1> TC2>TC3的趨勢。這主要是因為礦粉等礦物摻合料只具有潛在活性，不會與水直接發生反應，一般都是與水泥水化生成的氫氧化鈣發生反應，在?3 ℃持續養護下混凝土中部分水的溫度已接近冰點，水泥水化緩慢，生成的氫氧化鈣含量很少，另外礦物摻合料等量替代水泥也會減少與水發生反應的水泥的用量，這樣就更加減少了氫氧化鈣的生成，在這種溫度和礦物摻合料的耦合作用下，負溫養護環境下礦物摻合料的潛在活性不能充分發揮，生成的水化產物不能夠良好的將混凝土內部黏結在一起，使得界面過渡區的黏結力不足和黏結程度非常脆弱，從而降低了混凝土早期強度的增長。

從圖1(b)可知，在復摻10%粉煤灰和10%礦粉的TC2組基準上，同時采用摻量為1%和3%的硅灰分別等質量代替水泥的SC1和SC2 2組試驗結果表明：在負溫養護條件下，相對TC2組比較，摻入1%的硅灰的SC1組可以有效的改善混凝土的抗壓強度，但在摻3%的硅灰SC2組改善效果并不明顯，在84 d齡期之前TC2和SC2 2組混凝土抗壓強度基本相同，84 d齡期之后SC2組混凝土抗壓強度略高于TC2組。

通過數據曲線擬合分析，圖1(a)和1(b)中的強度曲線符合公式(1)的非線性關系：

其中：，和c均為常數。且2均大于0.99，關聯性較高。

表6表示不同配合比混凝土擬合公式的相關系數。

表6 混凝土非線性擬合相關系數

2.2 礦物外摻料對混凝土孔徑分布的影響

采用氣孔分析儀對混凝土28 d齡期的孔隙結構進行測試，試驗結果如圖2~4所示。

圖2 負溫(?3 ℃)混凝土孔徑分布圖

圖3 負溫(?3 ℃)混凝土氣孔數目分布圖

圖4 負溫(?3 ℃)混凝土含氣量分布圖

?3 ℃條件下，礦物摻合料對混凝土孔徑分布的測試結果如圖2所示。從圖2(a)和2(b)圖中混凝土的孔徑分布曲線可知，28 d齡期NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6組的混凝土孔徑主要分布在0~50 μm和50~1 000 μm范圍，分別占總孔徑的36.9%，42.1%，43.5%，49.9%，46.1%，50.2%和59.4%，54.9%，51.8%，8.1%，49.3.7%和44.6%，這表明摻入礦物摻合料可以細化混凝土的孔徑分布，小孔分布頻率增加，大孔出現的頻率降低。從對細化孔徑分布作用來看，相對對比組(TC1)，摻入礦物摻合料明顯減少了分布在50~1 000 μm范圍的孔徑，而增加了0~50 μm范圍的出現概率。從細化效率來看，明顯有TC3>TC2>TC1>NC1和SC2> SC1>TC2>NC1的規律，這說明在負溫養護條件下，隨著礦物摻合料摻量的增加對混凝土的孔徑細化作用越明顯。

從圖3(a)和3(b) 2圖中可得，28 d齡期NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6組的混凝土氣孔數目主要分布在0~280 μm和280~1 000 μm范圍內，其中空白組(NC1)混凝土的氣孔數目分別是1 282和316，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 5組在0~280 μm分布區間上分別是NC1組的2.06倍，2.08倍，2.52倍，2.21倍和3.06倍，在280~1 000 μm分布區間上分別是NC1組的0.86倍，0.83倍，0.61倍，0.64倍和0.50倍。這表明孔徑數目分布隨著礦物摻合料摻量的增加，細小孔的數目越來越多，孔徑分布向小孔方向移動，大孔數目減少。

從圖4(a)和4(b) 2圖中可以看出，28 d齡期NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6組的混凝土含氣量主要分布在0~280 μm和280~1 000 μm范圍內。其中空白(NC1)組混凝土的含氣量分布主要在280~1 000 μm范圍內，而TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 5組的混凝土含氣量主要分布在0~280 μm范圍內。這說明摻入礦物摻合料有效的降低了混凝土含氣量在280~1 000 μm范圍內的頻率，使得0～280 μm范圍內的含氣量頻率增加。這表明在負溫條件下，礦物摻合料能夠細化混凝土的孔徑分布，減少280~1 000 μm范圍內氣孔數目，增多0~280 μm范圍內的氣孔數目，使得混凝土細小孔的分布增加，大孔減少，從而出現小孔含氣量增加，大孔含氣量減少的現象。這主要是因為水泥的平均粒徑一般在20～30 μm，小于10 μm的粒徑占比不大，所以其填充性能不好，而粉煤灰、礦粉的平均粒徑約為3～6 μm，硅灰的粒徑更細約為0.10~0.26 μm，在水化緩慢的負溫條件，可以作為微細集料的填充水泥石中的微小空隙，優化了水泥石與粗骨料間的界面結構，從而改善了混凝土的細觀孔隙結構的分布和抗滲透性能。

2.3 礦物外摻料對混凝土硬化含氣量和平均氣泡弦長的影響

對混凝土28 d和56 d齡期的硬化含氣量和平均氣泡弦長進行測試，試驗結果如圖5所示。

圖5 負溫(?3 ℃)混凝土氣孔間距系數與硬化含氣量圖

由圖5可以看出，NC1，TC1，TC2，TC3，SC1和SC1 6組不同配合比混凝土的氣孔間距系數和硬化含氣量隨著齡期的增加均呈現減小趨勢，兩者具有正相關性。對比NC1，TC1，TC2和TC3復摻粉煤灰和礦粉的4組混凝土，測試結果表明氣孔間距系數和硬化含氣量隨著摻量的增加均呈現減小趨勢；28 d時NC1，TC1，TC2和TC3 4組混凝土氣孔間距系數和硬化含氣量分別是203，153，141，136 μm和8.56%，8.18%，7.96%，7.73%，這表明相對NC1組，摻入摻合料的TC1，TC2和TC3 3組對混凝土氣孔間距系數和硬化含氣量均有顯著的改善作用，但TC1，TC2和TC3 3組橫向對比其改善作用并不明顯。

由NC1，TC2，SC1和SC2 4組混凝土測試結果可知，摻入1%和3%的硅灰可有效減小混凝土氣孔間距系數和硬化含氣量。這表明在復摻粉煤灰和礦粉基礎上，摻入一定摻量的硅灰(1%～3%)可以更好的改善混凝土的孔徑分布和相關的參數指標。

2.4 礦物外摻料對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

圖6是28 d和56 d齡期不同配合比混凝土抗氯離子滲透和平均孔徑的測試結果。從圖6可以看出，隨著齡期的增長不同配合比的混凝土電通量和平均孔徑越來越小；對比NC1，TC1，TC2和TC3 4組混凝土可得，隨著礦物摻合料摻量的增加混凝土電通量和平均孔徑越來越小。從對抗氯離子滲透性能和孔徑優化作用上來看，隨著摻量的增加礦物摻合料對的平均孔徑的改善具有明顯作用，而對抗氯離子滲透性能的改善相對較弱。從復摻粉煤灰、礦粉和三摻粉煤灰、礦粉、硅灰對混凝土的抗滲性來看，三摻粉煤灰、礦粉、硅灰的改善作用明顯優于復摻粉煤灰、礦粉，這主要是因為硅灰的顆粒粒徑比粉煤灰和礦粉的粒徑更為細小，能夠更好的填充水泥、粉煤灰、礦粉三者粒徑間的縫隙，改善孔徑分布，降低水泥石中的總孔隙率和連通孔的數量，從而有效的減少了可能形成的滲水通道，提高了氯離子滲入混凝土內部的難度[14]。

圖6 負溫(?3 ℃)混凝土電通量與平均孔徑圖

3 結論

1) 復摻不同摻量粉煤灰和礦粉均降低了混凝土早期的抗壓強度，但在復摻10%粉煤灰和10%礦粉的基礎上摻入1%的硅灰后，可以有效的改善負溫養護條件對強度增長的抑制作用，縮短達到等強度的天數。

2) 摻入礦物摻合料可以有效改善混凝土孔徑分布，使得氣孔頻率、氣孔數目、含氣量在0~280 μm氣孔弦長區間內的增加，280~1 000 μm氣孔弦長區間內減少。

3) 摻入礦物摻合料能夠有效的提高混凝土抗氯離子的性能，三摻粉煤灰、礦粉、硅灰比復摻粉煤灰、礦粉對改善混凝土的抗滲性效果更好。

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Influence of negative temperature condition and mineral admixture coupling on strength and impermeability of concrete

GUO Haizhen1, ZHANG Rongling1, 2, 3, WANG Qicai1, 3, DAI Jinpeng1, 3, LOU Xuyu1, XIE Zhigang1

(1. Key Laboratory of Road & Bridges and Underground Engineering of Gansu Province, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China;2. Cardiff University, School of Civil Engineering, Cardiff, UK, CF24 3AB;3. National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road & Bridge Disaster Prevention and Control, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to study the influence of mineral admixtures on the compressive strength and impermeability of concrete under negative temperature curing and to explain its internal mechanism from a microscopic point of view, the compressive strength, pore structure and electric flux of concrete cured at 3 ℃ were tested by mixing fly ash, slag powder and silica fume with different content of fly ash, slag and silica fume. The test results show that the early compressive strength of concrete decreases with the addition of mineral admixtures under the curing condition of 3 ℃,but on the basis of mixing 10% fly ash and 10% mineral powder, mixing different amount of silica fume with 1% content can effectively improve the early compressive strength of concrete. respectively From the perspective of permeability, mineral admixtures can effectively improve the mesoporous structure and chlorine resistance of concrete ion permeability.

crocosmic mnegative temperature conditions; concrete; mineral admixture; strength; antichloride ion penetration; miechanism

TU528

A

1672 ? 7029(2019)10? 2475 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.013

2018?12?27

國家自然科學基金資助項目(51268032，51768033)；青年人才托舉工程(2015QNRC001)；飛天學者特聘計劃；長江學者和創新團隊發展計劃滾動支持項目(IRT_15R29)；中國交建2016年創新平臺建設應用基礎研究資助項目(2016-ZJKJ-PTJS04)；甘肅省高校協同創新科技團隊支持計劃資助項目(2017C-08)；隴原青年創新創業人才團隊計劃

張戎令(1984?)，男，內蒙古人，教授，博士，從事干寒地區材料與結構耐久性、系桿拱橋力學性能研究；E?mail：mogzrlggg@163.com

(編輯 涂鵬)