海工磨細礦渣混凝土的凍滲性與孔結構研究

楊文武，杜蓬娟，范 偉，李 想

(大連民族大學土木工程學院，大連 116650)

0 引 言

寒冷地區海洋環境下混凝土的耐久性問題是一種典型復雜的與海水侵蝕和抗凍性有關的劣化過程，尤其是海水中的氯離子對鋼筋銹蝕產生不利影響，凍融循環作用又對混凝土產生很大破壞。近年來，沿海地區大型工程日益增多，對遭受海水侵蝕和凍融循環雙重耦合作用下的海工混凝土需求量劇增，因此研究抗凍性和抗氯離子滲透性(簡稱凍滲性)耦合作用下的海工混凝土性能具有很高的應用價值[1-4]。在海水侵蝕條件下混凝土的凍滲性耦合作用的影響過程很復雜，國內外對混凝土凍滲性的研究很多，涉及混凝土中的水泥摻合料、外加劑、內部裂縫特征、孔結構特征、碳化和飽和度等[5-8]，研究內容和范圍也非常廣泛，有一定的參考價值。但縱觀其研究方法，尤其是針對海洋環境下的混凝土耐久性研究還存在不足，如混凝土試件由于浸泡海水時未考慮飽和度的影響[8]，導致試件內部所含海水或鹽分的含量不足，凍滲性試驗溶液介質有的用單一的鹽溶液或人工海水來替代研究等。混凝土凍滲性耦合的評價方法和影響因素研究還不多，這些研究能否在實際工程中很好地應用還需進一步探討。

本文模擬中高緯度海洋環境特點，針對混凝土凍滲性耦合作用，通過改變養護方式使得試驗試件達到海水飽和或含鹽量較高的狀態，從而更接近實際服役海工混凝土的狀態，用新的R值評價方法[9]研究磨細礦渣摻合料、引氣劑、水膠比、孔結構特征等對混凝土凍滲性的主要影響，以期研究結果具有一定海防工程參用價值。

1 實 驗

1.1 原材料與混凝土配合比

水泥(C)，大連水泥廠P·Ⅱ 42.5水泥；磨細礦渣(GGBS)，S95級，比表面積430 m2/kg；減水劑，NF1型萘系高效減水劑，所有配合比內摻均為1%；引氣劑，SJ-2引氣劑；細骨料(S)，中砂，細度模數2.65，屬Ⅱ區級配；粗骨料(G)，粒徑5～16 mm碎石，連續級配；水(W)，自來水。礦粉、減水劑和引氣劑的摻量為占膠凝材料(B)總量的質量比。混凝土配合比及其它測試性能見表1。

表1 磨細礦渣混凝土配合比和性能Table 1 Mix proportions and properties of GGBS concrete

1.2 試件制備與試驗方法

混凝土拌合物按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能試驗方法標準》攪拌成型，外加劑先溶于水中再摻加。所有混凝土試件成型3 d后脫模，放入凈化天然海水中養護28 d齡期，海水溫度為(20±2) ℃，15 d更換1次海水。混凝土抗壓強度試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，凍融和動彈性模量試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，氯離子滲透試件尺寸為100 mm×100 mm×50 mm。混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。海工混凝土凍融循環按照JTJ 270—98《水運工程混凝土試驗規程》的快凍方法執行，凍融介質為天然海水，凍融循環做300次，25次做一個橫向基頻動彈性模量和質量損失測試。混凝土氯離子滲透試驗按照CCE S01—2005《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中的NEL方法執行。壓汞法(Mercury Intrusion Porosimetry，MIP)實驗儀器采用9162A型水銀高壓測孔儀，混凝土試樣粒度約3～5 mm，用無水乙醇終止水化后，置于65 ℃的烘箱中烘干至質量恒重，然后進行壓汞實驗，實測最大壓力為300 MPa，所測試驗數據按公式P=750/r計算出累計壓汞量等孔結構參數，其中，P是壓力，r是孔隙半徑。

2 試驗結果

2.1 混凝土抗凍性試驗

表2是混凝土試件在海水中養護28 d，最高凍融循環至300次，混凝土抗凍耐久性指數(DF)以及凍融循環后試件的重量損失率(SN)的試驗結果，其中試件OPC/GGBS1/GGBS2未到300次即凍壞(DF<75%)。

表2 海水中凍融循環耐久性指數和重量損失Table 2 Durability factor and mass loss after freeze-thaw cycles in seawater

2.2 混凝土氯離子滲透試驗

表3是海水中養護28 d，試驗測得的混凝土試件的氯離子擴散系數(DNEL)試驗數據。

表3 28 d氯離子擴散系數Table 3 Chloride ions diffusion coefficients at 28 d /(cm2·s-1)

2.3 MIP試驗

圖1(a)和圖1(b)分別為OPC、GGBS2和GGBS5試件在海水中凍融循環最高至300次，然后取樣進行MIP試驗所得孔徑分布的積分曲線和微分曲線。表4列出的是MIP試驗數據通過計算所得的總孔隙率、臨界孔徑和平均孔徑結果以及最可幾孔徑的尺寸范圍。

圖1 海水中300次凍融循環后OPC、GGBS2和GGBS5孔結構的MIP結果Fig.1 MIP results of OPC, GGBS2 and GGBS5 after 300 free-thaw cycles in seawater

表4 MIP試驗結果參數匯總Table 4 Summary of resulting parameters from MIP experiment

3 結果與討論

3.1 混凝土凍滲性的影響因素

本文試驗研究主要是從同時考慮混凝土抗凍性-抗氯離子滲透性的耦合性能角度出發，分析討論在海洋環境下混凝土凍滲性的影響因素。

表5中列出的是R=DF/DNEL的計算結果，R值評價方法和表征的物理意義見文獻[9]。表5中R值大小排序為：GGBS5>GGBS7>GGBS4>GGBS6>GGBS3>GGBS8>OPC>GGBS1>GGBS2。從排序可以看出，摻加引氣劑有助于提高R值，在引氣劑混凝土中摻加礦粉，R值提高幅度更大，引氣劑似乎助長了礦粉潛在性能的發揮從而改善了內部孔結構的孔隙分布，引氣劑的摻入某種程度上可以彌補礦粉對降低R值所帶來的不足，使礦粉對提高混凝土的凍滲性產生了有益的作用。

表5 磨細礦渣混凝土的R值Table 5 R-value of GGBS concretes /(s·cm-2)

圖2(a)～(d)分別顯示了R值與水膠比、GGBS摻量、引氣劑摻量、28 d抗壓強度的對應關系。

圖2(a)顯示了引氣劑與礦粉摻量固定時，水膠比與R值的變化關系。結合表1和表5可以看出，隨著水膠比增大，R值逐漸減小，結果表明，摻加引氣劑和礦粉混凝土的凍滲性明顯降低。

圖2(b)中曲線1是SJ-2摻量為0%、水膠比為0.35的混凝土，曲線2是SJ-2摻量為0.01%、水膠比為0.40的混凝土，結合表1和表5可以看出，摻加引氣劑和礦粉的曲線2的R值明顯高于曲線1的不摻加引氣劑的礦粉混凝土。對于曲線1的非引氣混凝土，隨著礦粉摻量增加，R值緩慢下降，表明礦粉摻加有減小混凝土的凍滲性的作用。曲線2是引氣混凝土，隨著礦粉摻量增大，R值明顯增大，表明礦粉摻量增大明顯提高引氣混凝土的凍滲性。

圖2(c)為當水膠比和礦粉摻量固定不變時，SJ-2引氣劑摻量對R值的變化曲線。結合表1和表5可以看出，當引氣劑摻量增大或含氣量增大(見表1)時，R值增大，但SJ-2摻量超過0.01%，R值增長趨勢明顯變緩，說明引氣劑摻量或含氣量過大，混凝土的凍滲性增長效果不顯著，實際應用中宜綜合考慮引氣劑的摻量。

圖2 各種因素對GGBS混凝土R值的影響Fig.2 Effect of various influencing factors on R-value of GGBS concrete

圖2(d)是9組混凝土試件海水養護28 d的抗壓強度與R值變化的關系。可以看出，混凝土抗壓強度等級在40～60 MPa范圍內，R值大小與強度值離散性比較大，沒有明顯的規律性。

以上R值討論的結果與已有的研究混凝土抗凍性[1,3]以及研究氯離子滲透性文獻[5-7]有很好的相關性，研究結果和趨勢相互比較基本吻合。

3.2 R值與孔結構的關系

在R值與混凝土宏觀性能的影響因素分析基礎上，根據R值大小，選取凍融循環后R值最小的GGBS2、R值最大的GGBS5以及對比樣OPC做MIP試驗，用于探討孔結構的細觀試驗是否與宏觀結果相對應。

根據圖1(b)結合表4和表5可以看出，OPC、GGBS2、GGBS5都出現了明顯的單峰，OPC最可幾孔徑為57.47 nm，GGBS2最可幾孔徑為105.46 nm，二者都屬于較大的有害孔；GGBS5最可幾孔徑為42.90 nm屬于少害孔。混凝土凍滲后最可幾孔徑大小：GGBS2>OPC>GGBS5，R值大小：GGBS2

圖3是按照文獻對孔的分類方法[10-12]，用無害孔(<20 nm)、少害孔(20～50 nm)、有害孔(50～200 nm)和多害孔(>200 nm)進行四種類型孔隙劃分，然后根據MIP數據計算出四種級別孔徑的孔隙體積占孔隙總體積的比例分布所做柱狀圖。根據表4和圖3可知，總孔隙數量：GGBS2>GGBS5>OPC，50 nm以下范圍無害孔和少害孔的比例：GGBS5>OPC>GGBS2，50 nm以上有害孔和多害孔的比例：GGBS5

圖3 OPC、GGBS2和GGBS5混凝土各類孔隙的分布Fig.3 Pore size distribution of OPC, GGBS2 and GGBS5

4 結 論

(1)對于摻加磨細礦渣的海工混凝土，無論摻加引氣劑與否，水膠比增大，R值逐漸減小；不摻引氣劑，礦粉摻量增大，R值逐漸減小；摻加引氣劑，隨著礦粉摻量增大，R值增大；引氣劑摻量增大，R值增大明顯，但摻量超過0.01%，R值增長不顯著；抗壓強度等級在40～60 MPa范圍內，其R值與強度沒有明顯的規律性。

(2)摻加磨細礦渣和引氣劑的海工混凝土凍滲后，R值與無害孔和少害孔總體積比例有一定的相關性，與最可幾孔徑大小有明顯的反比對應關系，與總孔隙率、臨界孔徑、平均孔徑沒有明顯的對應關系。