粉煤灰和硅灰高性能混凝土氯離子擴散試驗研究

劉 姍，梁振剛，唐 皇

(1. 益陽市交通規劃勘測設計院有限公司，湖南 益陽 413000；2. 湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

高性能混凝土(high performance concrete，HPC)是一種礦物摻合料的混凝土，具有較多的膠凝材料用量和較低的水灰比[1].HPC 添加適量的礦物摻合料不僅可以改善和提高水泥硬化漿體的孔隙大小分布，減少大孔隙，增加小孔隙和連接孔隙的數量，還可改善混凝土的密度，最終達到改善混凝土耐久性目的[2-3].因此，其具有比普通混凝土更強大的阻止各種有害離子侵入的能力.在這些有害離子中，氯離子具有最明顯的攻擊性[4].因此，探索氯離子在HPC 中的擴散機制是有意義的.

有研究已經證實，與普通混凝土相比，HPC的礦物摻合料可以改善其抗氯離子擴散的能力.抵抗氯離子擴散主要考慮的因素有：混凝土混合物的擴散性，即孔隙大小的分布函數；膠凝漿體的氯離子結合能力，其隨著水化硅酸鈣凝膠和氧化鋁的增加，能使更多的氯離子被鎖定為Friedel鹽[5].粉煤灰(FA)高性能混凝土的耐久性一直是許多學者關注的焦點.Sengul 等[6]研究了50%的FA 和50%的磨細顆粒爐渣對氯離子快速擴散的影響.Chalee 等[7]采用FA 替代了不同粘結劑重量的I 型硅酸鹽水泥，研究了水膠比(W/B)和FA對海洋環境下混凝土氯離子擴散系數(Dc)的影響.該試驗結果表明，高細度FA 對高W/B混凝土中的Dc降低效果較好；摻加火山灰比降低W/B更能有效地降低混凝土的氯離子擴散性.Moffatt等[8]研究了加入高體積FA 的混凝土在惡劣的海洋環境中暴露19～24 a 的耐久性能.該研究發現，對于沒有FA 的混凝土試件，氯離子擴散深度超過100 mm；而FA 的存在顯著降低了混凝土中的氯離子擴散深度，在包含普通密度或輕骨料的試件中，氯離子擴散深度分別約為30 和40 mm.

同時，也有學者探索了具有其他礦物摻合料的高性能混凝土氯離子擴散行為.如周海雷等[9]研究應用RCM 法通過對不同配合比的鋰渣復合粉煤灰高性能混凝土的氯離子擴散系數的測定，探討添加摻合料對鋰渣復合粉煤灰高性能混凝土的抗氯離子滲透能力的影響；Thomas 等[10]和Hooton 等[11]測定了高反應性MK(HRM)替代混凝土預制件(precast concrete，PC)的抗氯離子擴散能力，發現表觀擴散系數隨接觸時間的增加和W/B的降低而降低，并隨HRM 的增加顯著降低；范琪等[12]采用高吸水樹脂(SAP)作為內養護材料，研究了高性能混凝土水化程度、氯離子滲透性和鹽凍性在SAP 內養護作用下的變化規律；Seleem等[5]在PC 中加入硅灰(SF)、磨碎的高爐礦渣(GGBS)和偏高嶺土(MK)，研究了混凝土的耐海水侵蝕性能，結果表明，含有三元組合PC-MK-SF的混凝土在抗滲方面優于所有其他礦物質組合；Harilal 等[13]研究了一種新型高性能綠色混凝土，與普通混凝土相比，該混凝土對有害氯離子的抵抗能力得到了增強；Jiang 等[14]分析了裂紋自愈程度對氯離子輸運過程的影響，結果表明氯離子不僅沿裂紋垂直輸運，還在裂紋水平方向傳播；Ma等[15]研究了HPC 在早期收縮開裂時的氯離子擴散率；Ding 等[16]比較了高強混凝土中粉煤灰和礦渣抵抗氯離子侵蝕的能力.

粉煤灰和硅灰是高性能混凝土中最常見的礦物摻合料，但上述研究中極少關注兩者混合摻加對混凝土抵抗氯離子擴散的影響.本文利用高性能混凝土的氯離子擴散實驗，研究了不同的W/B、二元礦物組合(PC-FA 和PC-SF)、三元礦物組合(PC-FA-SF)對混凝土抗壓強度和氯離子擴散的影響，并且根據實驗結果修正了高性能混凝土氯離子擴散系數.

1 氯離子擴散試驗研究

1.1 試件設計

實驗中所有的試件被分為2 組.第1 組主要用于研究在HPC 中混凝土水膠比(W/B)和抗壓強度對氯離子擴散行為的影響；第2 組主要是用于分析不同礦物摻合料的混合方法對氯離子擴散行為的影響.

第1 組有24 個標準立方體混凝土試件，尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm，并設計了8 種配合比(見表1)，每種配合比制作3 個試件.在表1中，試件HPC80、HPC100 采用P52.5 普通硅酸鹽水泥，其余采用P42.5 普通硅酸鹽水泥；粗集料采用碎石，最大粒徑為20 mm 連續級配；細骨料采用細砂，細度模量為2.5～3；減水劑的量為20%～25%；混凝土坍落度為18～20 cm.

表1 第1 組試件的配合比

第2 組有12 個試件，尺寸與第1 組相同，如表2 所示.各試件的水泥采用P42.5 普通硅酸鹽水泥，所有試件骨料級配相同.試件A-60 為不含任何礦物摻合料的高性能混凝土；試件FA-10、FA-20 和FA-30 分別摻加了質量分數10%，20%和30%的粉煤灰；試件SF-5 和SF-10 分別摻入5%和10%的硅灰；其他試件同時摻加不同量的粉煤灰和硅灰.礦物摻合料含量見表2.

表2 第2 組試件設計

1.2 混凝土抗壓強度試驗

試件按照《混凝土結構設計規范》(GT 50010—2010)[17]的標準養護方法制作.所有試件在24 h 后脫模，然后在20±2 ℃、相對濕度95%的標準養護室中養護28 d.養護后進行標準立方體抗壓強度試驗，得到立方體抗壓強度.

1.3 氯離子擴散試驗

養護完成后，試件外表面( ②～⑤表面，見圖1)使用環氧樹脂漆涂抹，最后1 面(①表面)是侵蝕面，不涂抹環氧樹脂；環氧噴涂完畢后，所有試件在濃度3.5%(質量分數)的氯化鈉溶液中浸泡2個月后取出并自然晾干；使用電鉆獲取混凝土粉末，鉆孔直徑16 mm，位于試件表面的中心位置，混凝土鉆距為5，10，15，20，25 和30 mm，見圖2(b)；混凝土粉的氯離子濃度采用快速氯離子測試(RCT)-500 系統測定，如圖2(c)所示.RCT方法已被證實與 ASTM C1202(2012)[18]和AASHTO T260-97R2009(2009)[19]推薦的方法有良好的相關性.

圖1 試件噴涂環氧樹脂

圖2 氯離子擴散試驗

2 試驗結果分析

依據試驗結果分析水膠比W/B、礦物摻合料的摻合方式對混凝土抗壓強度和氯離子濃度的影響.

2.1 水膠比(W/B)影響

2.1.1 混凝土強度

圖3 為第1 組試件的抗壓強度，括號中的值是水膠比(W/B).從圖3 可以看出，無論是普通混凝土還是高性能混凝土，試件的抗壓強度都隨著W/B的減小而增大.對于普通混凝土，W/B從0.34 下降到0.22，減少了35.3%，混凝土強度從47.59 MPa 增加到70.26 MPa，提高了47.6%；對于高性能混凝土，W/B從0.25 下降到0.2，減少了20%，混凝土強度從54.08 MPa 增加到105.98 MPa，提高了95.9%.普通混凝土W/B降低值與立方體抗壓強度增加值的比值為0.74，但對于高性能混凝土，此值只有0.2，所以W/B對普通混凝土強度的影響比HPC 更明顯.

圖3 第1 組試件混凝土立方體抗壓強度

學者Sengul 等[6]和Chindaprasirt 等[20]研究發現，在相同的W/B條件下，摻有礦物摻合料的混凝土抗壓強度小于普通硅酸鹽混凝土.試件OC70 和HPC70 的抗壓強度也驗證了這一結果，但HPC 60 和HPC50 的抗壓強度分別比OC60 和OC50 大3.5%和13.5%，這歸因于W/B較小.

2.1.2 氯離子濃度

W/B是影響氯離子在高性能混凝土中擴散的重要因素.圖4 為部分試件的氯離子濃度.由圖4 可知，無論是普通混凝土還是高性能混凝土，在深度7.5～17.5 mm，W/B對氯離子濃度的影響最為顯著，且在相同擴散深度下，氯離子濃度隨著W/B的增大而減小.W/B值的降低，使得毛細管孔隙的數量下降，進而影響了混凝土抵抗氯離子運輸的能力[4].在混凝土較深區域，氯離子濃度梯度逐漸減小，特別是大于22.5 mm 的深度，W/B的影響很小.

圖4 不同試件氯離子濃度

圖5 為普通混凝土和高性能混凝土的氯離子濃度分布.當深度為0～7.5 mm 時，HPC 的氯離子濃度較普通混凝土大幅度降低，且7.5 mm 處試件HPC100 的氯離子濃度約為試件NC50 的16%.火山灰反應與硅酸鹽水泥的水化相比，速度較慢，慢，這是含火山灰材料的混凝土具有高早期滲透性的主要原因.但在后期，火山灰材料可以更有效地改善混凝土性能，因為火山灰反應持續的時間更長，速率更高.因此，當深度為7.5～17.5 mm時，高性能混凝土的氯離子濃度下降速度比普通混凝土慢.

圖5 第1 組試件氯離子濃度

2.2 礦物摻合料摻合方式的影響

2.2.1 混凝土抗壓強度

圖6 為第2 組試件混凝土立方體抗壓強度.對于二元組合試件SF5、SF10 和SF15，當硅灰含量從5%增加到了15%，混凝土立方體抗壓強度提高了11.93%.試件SF15 的混凝土立方體抗壓強度比試件SF10 小5.69%；試件FA10、FA20和FA30 的立方體抗壓強度也出現了相似情況.這表明，硅灰或粉煤灰含量對混凝土立方體強度的增長是有限的.

圖6 第2 組試件混凝土立方體抗壓強度

圖7 為Jerath 等[21]測得的不同粉煤灰含量下混凝土立方體抗壓強度.由圖7 可知，隨著粉煤灰含量的增加，同齡期混凝土立方體抗壓強度先增大后減小.

圖7 文獻[21]試驗的混凝土立方體抗壓強度

另外，從F10-S5～F30-S5、F10-S10～F30-S10試件的立方體抗壓強度可以發現，在硅灰含量不變的情況下，隨著粉煤灰的增加，試件F10-S5～F30-S5 的立方體抗壓強度從79.78 MPa 下降到了64.28 MPa；在硅灰含量不變的情況下，試件F10-S10～F30-S10 的立方體抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加由5.6%下降到了22.2%.這說明三元礦物組合情況下，保持一種礦物含量不變，增加另一種礦物含量，混凝土試塊的強度則隨之減小.

2.2.2 氯離子濃度

實驗室和現場研究表明，粉煤灰可以通過阻礙氯離子的擴散和降低游離氯化物的含量來減緩腐蝕.如：粉煤灰與氫氧化鈣發生火山灰反應生成鈣硅酸鹽水合物(C-S-H)，其孔隙結構更加精細，降低了擴散性[7]；相比于圓粒狀高爐礦渣和偏高嶺土，硅灰能更有效地阻止氯離子滲入HPC[4].本文利用表2 中的試件，研究了二元組合(硅酸鹽水泥-粉煤灰、硅酸鹽水泥-硅灰)和三元組合(硅酸鹽水泥-粉煤灰-硅灰)對氯離子擴散性的影響，試驗結果如圖8 和圖9 所示.在圖8 中，當擴散深度小于17.5 mm 時，摻粉煤灰和硅灰的試件氯離子濃度小于普通混凝土；超過17.5mm后氯離子濃度無明顯差異.由圖8(a)可知，當擴散深度為2.5～12.5 mm 時，隨著粉煤灰增加，氯離子濃度逐漸降低；由圖8(b)可知，當深度為2.5～7.5 mm 時，氯離子濃度隨著硅灰含量增加而減小.由圖9 可知，當擴散深度＜12.5 mm(見圖9(a)、圖9(b)、圖9(e))或≤12.5 mm(見圖9(c)、圖(d))時，相同深度下三元組合試件的氯離子濃度小于二元組合試件.這表明，硅酸鹽水泥-粉煤灰-硅灰的三元組合比硅酸鹽水泥-粉煤灰或硅酸鹽水泥-硅灰的二元組合能更有效地防止氯化物進入試件的內部.

圖8 二元組合試件氯離子濃度

由圖9(a)可知，在硅灰含量不變的情況下，氯離子濃度的順序為F10-S5＜F20-S5＜F30-S5，且當深度為12.5 mm 時，試件F10-S5 的氯離子濃度比試件F30-S5 低50%；由圖9(b)可知，當硅灰的含量增加到10%時，在相同的深度下，氯離子濃度隨著粉煤灰的增加而降低；由圖9(c)～圖9(e)可知，上述相似情況更為明顯，當粉煤灰的含量是10%(見圖9(c))時，氯離子濃度隨硅灰增加而減小，然而，當粉煤灰摻量為20%和30%(見圖9(d)和圖9(e))，深度小于17.5 mm 時，氯離子濃度隨著硅灰的增加而降低.這是由于礦物摻合料總含量的增加，導致了摻合料的擴散阻力提高.

圖9 二元和三元組合試件的氯離子濃度

3 結論

1)無論是普通混凝土還是高性能混凝土，混凝土的立方體抗壓強度都隨著W/B的減小而增大，且W/B對普通混凝土強度的影響比高性能混凝土更明顯.

2)硅灰或粉煤灰的含量對增強混凝土的立方體抗壓強度是有限的，在其他礦物摻量不變的情況下，三元礦物組合的混凝土抗壓強度隨粉煤灰或硅灰摻量的增加而降低.

3)無論是普通混凝土還是高性能混凝土，在7.5～17.5 mm 的深度范圍內，W/B對氯離子濃度的影響最為顯著，且在相同的擴散深度下，氯離子濃度隨著W/B的增大而減小.當深度為7.5～17.5 mm 時，高性能混凝土的氯離子濃度下降速度比普通混凝土慢.

4)硅酸鹽水泥-粉煤灰-硅灰三元組合比硅酸鹽水泥-粉煤灰或硅酸鹽水泥-硅灰二元組合更能有效地防止氯化物進入混凝土內部.