礦物摻合料對沿海地區結構混凝土耐久性影響規律研究

譚虓隆 ，劉云凱，李曉巖，王瑩

（1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730；2.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；3.中南勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430073）

1 引言

在沿海及鹽湖地區，混凝土結構容易受到海水中氯離子及硫酸根離子侵蝕滲透所造成的破壞。國內外學者分析了侵蝕機理：擴散前期，氯離子和硫酸根離子相互牽制，氯離子擴散速率快，率先滲透侵蝕，與AFm反應生成Friedel鹽，抑制其他離子擴散；隨著擴散時間的增加，硫酸根離子逐漸擴散，分解Friedel鹽并與AFm反應生成AFt；擴散后期，隨著膨脹性產物鈣礬石的增加，混凝土出現膨脹劣化，增大氯離子及硫酸根離子擴散速率。

為減小離子侵蝕造成的破壞，適量的粉煤灰和礦渣粉取代水泥有利于提高抗離子侵蝕能力。余紅發等發現隨礦渣粉取代水泥量的增加，混凝土對Cl的化學結合能力并非一直增加，而是呈現先增大后減小的趨勢。金祖權等發現礦渣的摻入提高了凈漿的氯離子結合能力，0～35%的粉煤灰能提高混凝土結合氯離子量。為進一步探究造成粉煤灰和礦渣粉對混凝土抗氯離子和硫酸根離子侵蝕能力的影響程度及機理，本文選用不同配合比進行試驗，系統分析粉煤灰與礦渣粉對混凝土力學性能、抵抗氯離子滲透擴散與硫酸鹽侵蝕性能的影響規律，相關研究成果將為沿海地區地下結構混凝土的組成與應用提供相關重要依據。

2 試驗

2.1 原材料及配合比

試驗采用 P.O42.5普通硅酸鹽水泥，具體數據見表1。

水泥化學成分（wt.%） 表1

試驗采用兩種礦物摻合料，其主要成分為FeO、SiO、CaO、AlO等，其中粉煤灰的SiO、AlO占比最大，所占含量分別為 52.54%、33.26%；礦渣粉的SiO、CaO占比最大，所占含量分別為32.5%、43.56%，其他指標如下所示。

①粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰，其主要的技術指標見表2。

粉煤灰技術指標 表2

②礦渣粉：S95級礦渣粉，其主要技術指標見表3。

磨細礦渣粉技術指標 表3

試驗細集料采用巴河黃砂；選用的粗集料為石灰巖碎石，粒徑級配為5mm～25mm。

試驗選取單摻及復摻進行配合比設計，單摻摻量為10%、25%、30%，復摻摻量為10%+10%、20%+20%。具體配合比見表4。

混凝土配合比（單位：kg/m3） 表4

2.2 試驗方法

①氯離子擴散試驗

該試驗采用NEL法，其系數計算式為：

式中：

d

—氯離子擴散系數，m/s;

R

—氣體常數，為8.314J/mol·k；

T

—絕對溫度，K；

σ

—飽鹽混凝土的電導率，S/m；

F

—法拉第(Faraday)常數，為96500C/mol；

C

—飽鹽混凝土孔隙溶液的氯離子濃度，為4.0×10mol/m；

f

—修正系數，通常可以取1.0。

②抗硫酸鹽侵蝕試驗

試驗選用40mm×40mm×160mm的試件，溶液 1、2 分別為：水和 13.4g/lNaCl、1.72g/lNaSO混合，試件分別浸泡時間28d、56d、128d，測定抗壓強度。

其中：

R

為侵蝕液中養護的試體抗壓強度，

R

為水中養護的試體抗壓強度。

3 結果與討論

3.1 力學性能

表5為水泥砂漿試件浸泡到純水中養護28d的抗壓強度。由表5可知，配合比A2～A9試件的28d抗壓強度都要高于配合比A1試件，粉煤灰和礦渣粉摻入后，砂漿試件的抗壓強度都有所提升，但抗壓強度提升的程度不同。

抗壓強度 表5

單摻粉煤灰的A2～A4試件中，A3試件的抗壓強度最高，25%摻量的粉煤灰更有利于提高砂漿的力學性能，但30%摻量的試件抗壓強度降低。由于粉煤灰中含70%以上的玻璃微珠，能改善拌合物的流變性質及初始結構，起到減水致密的作用，并且粉煤灰中活性SiO、活性AlO和f-CaO(游離氧化鈣)都是活性的有利成分，對粉煤灰早期強度的發揮起到一定作用。粉煤灰早期活性較低，加入水泥砂漿28d后的活性較小，取代30%的水泥并不利于試件早期的水化反應，導致試件28d的力學性能下降明顯。

配合A5～A7試件中，隨著礦渣粉取代量的增加，試件抗壓強度逐漸提高。礦渣粉的粒徑要小于其他骨料，能夠改善粒徑級配，取代部分水泥能加速水化反應，礦渣粉的早期活性要優于粉煤灰，能夠在早期與氫氧化鈣發生火山灰效應，改善微觀結構及密實度，從而提高力學性能。

配合比A8、A9為粉煤灰和礦渣粉復摻，配合比A8試件的抗壓強度大于配合比A2、A5試件，配合比A9試件的抗壓強度大于配合比A8試件，粉煤灰和礦渣粉的取代量各為20%更有利于提升水泥砂漿的抗壓強度。礦渣粉和粉煤灰復合摻入水泥砂漿，能更好改善水泥砂漿的粒徑級配，礦渣粉與水泥發生二次水化反應，并與粉煤灰產生復合火山灰效應，更好提高早期力學性能。

3.2 抗氯離子侵蝕

粉煤灰取代部分水泥后的氯離子擴散試驗結果見圖1(a)。粉煤灰減小了氯離子擴散系數，取代量為25%時，系數最小，當取代量增大到30%時，系數呈增加趨勢。在28d齡期，粉煤灰能改善混凝土微觀結構，提高混凝土的密實度，從而改善混凝土的抗氯離子侵蝕性能，隨著浸泡齡期的增加，粉煤灰的火山灰活性開始被水泥水化堿性產物激發，與水泥水化產物發生二次水化反應，生成C-S-H凝膠等產物，進一步促使混凝土微觀結構致密，同時，該水化產物能增強氯離子的物理吸附作用，從而減小結構內氯離子濃度。

圖1 氯離子擴散系數相關實驗結果

礦渣粉對氯離子擴散試驗結果的影響見圖1(b)。由配合比A5～A7試件的試驗數據可知，在相同浸泡齡期下，礦渣粉加入水泥后，混凝土的氯離子擴散系數有所下降，摻量越大，下降越為明顯。試驗結果表明，礦渣粉取代水泥后，取代量為30%效果最佳，有利于提高混凝土抗氯離子侵蝕性能。礦渣粉取代部分水泥后，28d齡期就能展現出其提高混凝土抗氯離子侵蝕性能的優良性能，礦渣粉早期就可以與水泥水化產物發生二次水化反應，隨著浸泡齡期的增加，C-S-H凝膠逐漸增多，提高混凝土密實度，并且有利于混凝土吸附更多的氯離子，從而減小內部氯離子濃度。

粉煤灰和礦渣粉取代相同分量水泥后，混凝土抗氯離子侵蝕現象更為明顯，其復摻的混凝土氯離子擴散系數與浸泡齡期的關系如圖1(c)所示。氯離子擴散系數隨著復合取代量的增大而減小。試驗結果表明：復合取代后，混凝土的抗氯離子侵蝕性能有所改善，并且改善效果更明顯。粉煤灰和礦渣粉取代水泥會發生復合火山灰效應，能夠發揮其各自優勢，提高混凝土抗氯離子侵蝕性能。

3.3 抗硫酸根離子侵蝕

配合比A1-A9試件分別浸泡到溶液1、溶液2中，測量28d、56d、128d試件的抗蝕系數，試驗結果如圖2所示。

圖2 抗蝕系數相關實驗結果

粉煤灰取代不同含量水泥后，相應混凝土的抗蝕系數如圖2(a)所示。粉煤灰取代部分水泥后，混凝土抗蝕系數增大，隨著侵蝕齡期的增加，其抗蝕系數下降速率減緩。在相同浸泡齡期下，25%取代量的粉煤灰混凝土抗蝕系數最高。隨著浸泡齡期的增加，粉煤灰的火山灰活性逐漸被堿性物質激發，生成較多CS-H凝膠，由于C-S-H凝膠較氯離子更易吸附硫酸根離子，因此，粉煤灰代替部分水泥加入混凝土中更利于其抵抗硫酸根離子侵蝕。

圖2(b)為礦渣粉影響混凝土抗蝕系數的結果。礦渣粉取代水泥后，配合比A5～A7試件的抗蝕系數都有所提升，且A7試件的抗蝕系數提升最大。試驗結果表明：礦渣粉提高了混凝土的抗硫酸根離子侵蝕系數，提升混凝土抵抗氯離子侵蝕破壞的性能，30%取代量提升該性能最為明顯。礦渣粉中的CaO含量要遠大于水泥，礦渣粉取代部分水泥后，發生火山灰反應，生成的C-S-H凝膠不僅能物理吸附硫酸根離子，更能改善混凝土內部微觀結構，從而提升抵抗硫酸根離子侵蝕的性能。

粉煤灰和礦渣粉復合取代水泥后，抗蝕系數結果如圖2(c)、圖2(d)所示。結果表明：復合取代的混凝土抗蝕系數提升明顯，10%+10%的復摻混凝土抗蝕系數高于兩種摻合料10%單摻的混凝土，取代量為20%+20%的混凝土抗蝕系數最大。結果表明：復合取代水泥對提升混凝土的抗蝕硫酸根離子侵蝕效果更明顯。粉煤灰和礦渣粉會在混凝土內部發生復合火山灰效應，促進更多C-S-H凝膠的產生，有利于混凝土吸附更多的硫酸根離子，減小硫酸根離子侵蝕破壞。

4 結論

①適量粉煤灰和礦渣粉取代水泥，混凝土的力學性能、抗離子侵蝕性能都有明顯提升。

②粉煤灰和礦渣粉會在混凝土內部發生復合火山灰效應，促進更多C-S-H凝膠的產生，有利于混凝土吸附更多的離子，減小離子侵蝕破壞。

③通過相關室內試驗結果表明，20%的粉煤灰與20%的礦渣粉復合摻加取代水泥后，混凝土抵抗氯離子滲透與抵抗硫酸鹽侵蝕性能相對較好。