礦物摻合料對水利工程高性能混凝土的影響分析

陳廣華

(朝陽縣水利勘測設計隊，遼寧 朝陽 122000)

水利工程大多建于地質條件極其復雜的偏遠地區，一般具有后期維護難度大、環境條件惡劣、施工作業困難等特點，故對結構耐久要求更高[1]。長期以來，為施工方便及確?；炷翉姸?，通常利用增加單方用水量和提高水泥用量的方式生產水工混凝土。實踐表明，該方法難以保證混凝土耐久性。由于具有優異的耐久性能、力學性能和拌合物性能，高性能混凝土(HPC)被廣泛應用于水庫大壩、江河堤防等工程領域，對于降低全壽命周期綜合成本、提高工程質量等發揮著積極作用[2]。

在推廣應用HPC時，應考慮不利侵蝕因素、實際氣候條件等科學設計配合比以及選擇礦物摻合料。近年來，國內學者通過試驗探討了HPC試件的抗凍性或者抗氯離子侵蝕性受不同水膠比和礦物摻合料的影響[3-6]，但因水工結構所處環境的多樣化、原材料性能及品質方面的差異等尚未形成統一的研究成果，對多重或雙重破壞因素作用下礦物摻合料對HPC耐久性的研究還鮮有報道。鑒于此，文章以水膠比為0.42的HPC為例，研究了HPC抗凍性能及抗氯離子滲透性受礦渣粉、粉煤灰單摻以及礦渣粉與粉煤灰復摻摻量變化的影響，探討了HPC抗凍性能及電通量與礦物摻合料產量之間的關系，旨在為HPC的配合比優化設計提供一定參考。

1 研究方法

1.1 原材料性能

試驗所用的水泥、粉煤灰、礦渣粉、減水劑、粗細骨料等原材料性能，所用水為自來水。原材料性能指標，見表1。

表1 原材料性能指標

1.2 配合比設計

以C30 HPC為例，設計塌落度160-200mm，保持水膠比0.42改變礦渣粉、粉煤灰摻量，探究礦物摻合料對HPC抗凍性能、抗氯離子滲透性能及抗壓強度的影響。HPC配合比設計，見表2。其中，P0為混凝土基準配合比，將水泥等量取代成礦物摻合料，X、Y組為單摻粉煤灰和礦渣粉礦物摻合料，摻量為10%、20%、30%、40%；Z組為復摻礦渣粉與粉煤灰礦物摻合料，摻入比例為4∶0、3∶1、2∶2、1∶3、0∶4，總摻量40%。

表2 HPC配合比設計

1.3 試驗儀器與方法

試驗過程中所使用到的儀器有CABR-HDK9型快速凍融試驗機、CABR-RCP9型氯離子電通量測定儀。根據普通混凝土耐久性能、長期性能和力學性能試驗方法標準，按照推薦的快凍法、電通量法等測試混凝土試件抗凍性、抗氯離子滲透性和抗壓強度，對28d抗氯離子滲透性進行重點分析。

2 結果與分析

2.1 粉煤灰對抗氯離子滲透性影響

HPC電通量受粉煤灰摻量的影響，見圖1。從圖1可以看出，28d齡期的HPC電通量隨粉煤灰摻量的增加呈先下降后上升的變化趨勢，HPC電通量在粉煤灰摻量為20%時達到最小的751.6C，該條件下的抗氯離子滲透性最好。深入分析發現，早期活性較低的粉煤灰依賴水泥水化生成的Ca(OH)2進行二次水化反應，粉煤灰摻20%時其填充效應和火山灰效應達到最佳，并在很大程度上改善了HPC的微觀結構，HPC內部更加密實，所以通電量較小。摻40%粉煤灰時通電量增加至1445.0C，粉煤灰摻量的增加使得火山灰水化反應變慢，凝膠材料水化程度下降，HPC的密實性變差并帶來負面效應，HPC電通量增大降低了抗氯離子滲透性能。

圖1 HPC電通量受粉煤灰摻量的影響

84d齡期的HPC電通量隨粉煤灰摻量的增加呈先快速下降后趨于平緩的變化趨勢，HPC電通量在粉煤灰摻量為30%時達到最小的381.5C，摻30%粉煤灰的84d電通量相對于28d的減少68.4%，相對于未摻粉煤灰的減少60.5%。HPC電通量隨著齡期的增加均有所減小，其電通量在粉煤灰摻量超過30%時出現小幅度的增大。

2.2 礦渣粉對抗氯離子滲透性影響

HPC電通量受礦渣粉摻量的影響，見圖2。從圖2可以看出，28d、84d齡期的HPC電通量隨礦渣粉摻量的增加呈先下降后上升的變化趨勢，HPC電通量在礦渣粉摻量為20%時達到最小，其28d、84d電通量分別為651.6C和405.2C，該條件下的抗氯離子滲透性最好。HPC電通量在摻40%礦渣粉時達到最大，其28d、84d通電量為1582.6C和1182.1C，與未摻礦渣粉的相比增大72.9%和47.3%。摻0%、10%、20%、30%、40%礦渣粉的84d HPC通電量均<摻相應比例的28d通電量，并且未摻礦渣粉的84d、28dHPC通電量減小幅度均低于摻礦渣粉的；HPC電通量在摻40%礦渣粉情況下具有最明顯的下降幅度，與28d相比84d的電通量減少58.2%。

圖2 HPC電通量受礦渣粉摻量的影響

雖然礦渣粉火山灰反應較慢但能夠改善水化產物組成和HPC內部微觀結構，即同齡期下摻入礦渣粉的HPC強度和孔隙率均有所下降，并進一步降低HPC電通量提升其抗氯離子侵蝕性能。另外，經機械粉磨而成的礦渣粉顆粒形貌大多不規則，摻量的進一步增大會導致凝膠體系密實度的下降，因此隨摻量的增加HPC通量呈現下降或上升的變化趨勢。礦渣粉反應程度隨齡期的增加會相對加大，從而增大結構密實度，故同摻量下28d電通量>84d。

2.3 礦物摻合料復摻對抗氯離子滲透性影響

保持礦物摻合料摻量及膠凝材料總量不變，改變礦渣粉與粉煤灰的比例測試其抗氯離子滲透性，HPC電通量受礦渣粉摻量的影響，見圖3。

圖3 HPC電通量受礦渣粉摻量的影響

結果表明，摻40%礦物摻合料時，HPC電通量隨粉煤灰比例的增大而逐漸減小，HPC各齡期的電通量在m(礦渣粉)：m(粉煤灰)復摻比例為1∶3時最小，該條件下28d、84d電通量為631.8C和375.2C；HPC電通量在粉煤灰摻量占礦物摻合料100%時又會增大，與m(礦渣粉)：m(粉煤灰)復摻比例為1∶3時相比，28d、84d的HPC電通量增加127.2%和5.6%。

深入分析可知，HPC中摻入不同比例的礦渣粉與粉煤灰，膠凝材料產生的疊加效應和級配效應不同，當m(礦渣粉)：m(粉煤灰)復摻比例為1∶3時膠凝體系級配最優，該條件下結構內部的毛細孔徑最小，密實度也最高，故HPC的電通量最小其抗氯離子滲透性最耗。

2.4 礦物摻合料對抗壓強度影響

HPC抗壓強度受礦渣粉、粉煤灰的影響，HPC抗壓強度，見表2。在膠凝材料總量及水膠比不變的條件下，用礦渣粉或粉煤灰等量取代水泥，從0%逐漸增加礦渣粉或粉煤灰摻量至膠凝材料的40%，與基準對照組P0相比，結果顯示X組、Y組HPC各齡期抗壓強度隨礦物摻合料產量的增大呈減少趨勢。深入分析可知，水泥水化產物Ca(OH)2需要與礦渣粉、粉煤灰反應才能生成凝膠性水化產物，而水泥水化速率高于該反應速率。所以，將水泥采用礦渣粉、粉煤灰等量取代后會降低凝膠體系的水化速率。在礦物摻合料用量及凝膠材料總量不變的情況下，改變礦渣粉與粉煤灰比例的Z組，同一齡期內Z1-Z5組的抗壓強度變幅較小，各齡期強度與基準對照組P0相比明顯下降，這也與較大的礦物摻合料摻量降低了膠凝材料的水化速率有關。

表2 HPC抗壓強度

2.5 礦物摻合料對抗凍性的影響

HPC的抗凍性能利用快凍法測試，試驗測定的相對動彈性模量和質量損失率，HPC相對動彈性模量受礦物摻合料的影響，見表3；HPC凍融循環質量損失率受礦物摻合料的影響，見表4。其中，“/”代表相對動彈性模量減小至60%停止試驗。為了降低HPC抗凍性受含氣量差異的影響，試驗過程中統一設定含氣量為(2.5±0.2)%，HPC的質量及動彈性模量按每凍融循環25次測定一次。

從表3、表4可看出，P0的抗凍等級達到F200，該組抗凍性最好；保持其他因素不變的條件下，單摻礦渣粉或粉煤灰時，HPC抗凍性隨摻量的增加逐漸變差，HPC在礦渣粉或粉煤灰摻量為膠凝材料的40%時能夠經受75次凍融循環，按照評定標準可以達到F50抗凍等級。結合Z1-Z5組凍融循環數據，復摻礦渣粉與粉煤灰總量為膠凝材料40%時改變兩者的摻量比例HPC抗凍等級均為F50。HPC被凍融循環后表面發生水泥漿侵蝕，但整體情況良好，質量損失率均未超過5%的標準規定，因此動彈性模量下降為HPC破壞的主要形式。

表3 HPC相對動彈性模量受礦物摻合料的影響 %

表4 HPC凍融循環質量損失率受礦物摻合料的影響 %

3 結 論

1)保持膠凝材料總量及水膠比不變的條件下，將水泥用礦渣粉或粉煤灰等量取代時，HPC28d、84d抗壓強度隨摻量的增加均逐漸減小。復摻礦渣粉及粉煤灰時，不同復摻比例下各齡期HPC抗壓強度均低于基準組。

2)單摻情況下，HPC電通量隨粉煤灰摻量的增加呈先下降后上升的變化趨勢，HPC電通量在粉煤灰摻量為20%時達到最小的751.6C，該條件下的抗氯離子滲透性最好。摻30%粉煤灰的84d電通量相對于28d的減少68.4%，相對于未摻粉煤灰的減少60.5%；HPC電通量隨礦渣粉摻量的增加呈先下降后上升的變化趨勢，HPC電通量在礦渣粉摻量為20%時達到最小，該條件下的抗氯離子滲透性最好。

3)摻40%礦物摻合料時，HPC電通量隨粉煤灰比例的增大而逐漸減小，HPC各齡期的電通量在m(礦渣粉)：m(粉煤灰)復摻比例為1:3時最小，該條件下的抗氯離子滲透性最好。保持水膠比和含量不變，HPC抗凍性在不摻加礦物摻合料時最好，抗凍等級達到F200；單摻礦渣粉或粉煤灰時，HPC抗凍性隨摻量的增加逐漸變差，復摻礦渣粉與粉煤灰總量為膠凝材料40%時HPC抗凍等級均為F50，改變兩者的摻入比例抗凍等級沒有變化。

4)將適量礦渣粉及粉煤灰摻入混凝土內，可以在一定程度上改善抗氯離子滲透性能，但不利于混凝土抗凍性，對于有抗凍性要求的混凝土要通過試驗確定礦物摻合料產量，為增強其抗凍性能可以摻入適量引氣劑。