沙漠砂混凝土抗氯離子性能影響因素研究★

賈 磊

(交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

1 概述

我國沙漠儲量豐富，將其替代中砂摻入混凝土中，對降低工程造價，發掘新能源，保護環境有重大調節作用。采用沙漠砂代替河砂，可避免因建筑需求而過度開采河砂，破壞河床的穩定結構，干擾河流中泥砂的自然沉降行為，致使更嚴重的安全事故。因此，開展以沙漠砂為基礎工程材料的理論研究，不僅直接降低混凝土施工過程中的材料成本及運輸成本，而且有極其重要的社會意義和生態效益[1-2]。

張財等[3]采用非洲撒哈拉沙漠地區的特細沙漠砂，成功制備出了強度達到C50等級的沙漠砂混凝土。王娜等[4]同樣采用了來源于非洲撒哈拉沙漠的特細沙漠砂(細度模數最高為1.74)，將其摻入機制砂中以配置出了C50預應力沙漠砂混凝土，并成功將其應用于實際工程中的大跨度預應力T梁的制備。李志強等[5]選用了我國新疆古爾班通古特沙漠砂，其細度模數為0.334，設計了5因素4水平的正交試驗，分析了齡期分別為7 d和28 d的沙漠砂混凝土抗壓強度和施工和易性，并給出了相應沙漠砂混凝土的最優配合比。朱騰明等[6]則研究了我國新疆塔克拉瑪干沙漠砂的基本性質，分別制備了沙漠砂砂漿和沙漠砂混凝土，研究表明，兩者的抗壓強度均滿足工程需求，并成功將沙漠砂混凝土應用在油田工程中的電桿、油罐和壓縮機等基礎設施中。呂志栓[7]研究了新疆吐魯番地區的沙漠砂性質，細度模數為1.3，進一步制備了摻加沙漠砂的MS5和MS10水泥砂漿，并且與常規的M5和M10水泥砂漿的抗壓強度和和易性進行對比，該研究證明了沙漠砂作為砂漿細骨料代替水泥砂漿中普通中砂的可行性。張國學等[8]采用了騰格里沙漠砂(細度模數0.334)，同樣分別制備了沙漠砂混凝土和砂漿。研究發現，對后者而言，灰砂比對其力學性能的影響較明顯。具體而言，當灰砂比(質量比)大于1∶2時，所選用的砂率才能滿足工程實際使用的要求。陳美美等[9]同樣研究了新疆地區的騰格里沙漠砂的相關性質，并且采用正交試驗探究了沙漠砂混凝土的黏聚性、保水性以及7 d,28 d抗壓強度，從而得到該類型沙漠砂混凝土的最優配合比。劉海峰等[10]則采用了寧夏鹽池地區的毛烏素沙漠砂(細度模數0.194)，通過多因素多水平正交試驗和單因素控制試驗相結合的試驗方案，系統研究了普通沙漠砂混凝土以及高強沙漠砂混凝土的多項力學性能，最終給出了最佳沙漠砂摻量。田帥等[11]同樣采用寧夏地區的沙漠砂，聚焦于高強沙漠砂混凝土的高溫后抗壓強度進行研究。其中，共設計了6個實驗溫度以研究其影響，并根據正交試驗結果確定了高強沙漠砂混凝土的最優配合比。呂劍波等[12]則在研究中設計了澆水冷卻與自然冷卻兩種冷卻方式，探究了不同冷卻方式對高溫后沙漠砂混凝土抗壓強度的影響。研究表明，沙漠砂混凝土的高溫后抗壓強度隨著選用溫度的升高而不斷降低。進一步地，研究者通過數理統計分析方法(方差和極差分析)確定了混凝土的最佳配合比，從而為后續關于沙漠砂混凝土的研究提供了理論支持。

目前針對沙漠砂混凝土的抗氯離子滲透性能及其優化的研究仍較少。一般而言，氯離子對混凝土滲透性能的影響主要考慮到如下兩個因素：1)混凝土的密實性，這與其自身的阻礙作用密切相關；2)固化能力，也就是氯離子與混凝土產物的結合能力[13]。混凝土的抗氯離子性能的評價方法主要分為快速法和慢速法兩大類。其中，快速法主要包括常用的電通量法、快速氯離子遷移系數法(即RCM法)、飽鹽直流電法(即NEL法)以及交流阻抗譜法等，而慢速法則主要包括浸泡法等。GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準提供了兩種標準測試方法，分別為上述的RCM法和電通量法。在已有研究中，馮仲偉等[14]采用了這兩種方法，研究對比了普通混凝土和粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能。該研究發現：隨著水灰比和水泥用量的不斷增加，試驗測定的混凝土電通量和氯離子擴散系數值也不斷增大，這也代表著其抗氯離子性能減弱；而另一方面，隨著粉煤灰摻量的增加，粉煤灰混凝土的電通量和氯離子擴散系數卻不斷減小，這說明混凝土的抗氯離子性能在不斷增強。

本文擬利用電通量法和RCM法，分別測定不同類型沙漠砂混凝土(包括單摻粉煤灰混凝土、單摻沙漠砂混凝土以及復摻粉煤灰和沙漠砂混凝土)在不同濃度NaCl溶液中的電通量值和氯離子遷移系數，進而評價沙漠砂混凝土的抗氯離子滲透性能。

2 材料與方法

水泥采用海螺水泥有限公司生產的P.O42.5R水泥；粗骨料采用粒徑范圍為5 mm～20 mm的人工碎石；細骨料分別采用細度模數為3.12的普通砂和細度模數為0.27的超細度沙漠砂，兩者的物理性能指標如表1所示；粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰。

表1 普通砂和沙漠砂的物理性能指標

設計混凝土強度等級為C40，選用水膠比0.5和砂率35%。首先，考慮單摻沙漠砂混凝土，分別采用替代率為20%,40%,60%和80%的沙漠砂等量代替普通砂;其次，考慮單摻粉煤灰混凝土，分別采用替代率為10%,20%和30%的粉煤灰等量替代水泥;最后，考慮復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土，首先以替代率分別為10%,20%和30%的粉煤灰等量代替水泥，隨后在相同粉煤灰摻量下，再分別采用替代率分別為20%,40%,60%和80%的沙漠砂代替普通砂配制復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土。所有混凝土樣品的配合比參數及單位體積各材料用量如表2，表3所示。

表2 混凝土配合比參數

表3 混凝土單位體積各材料用量

抗氯離子滲透性能試驗的混凝土試件采用直徑100 mm 和高50 mm的圓柱體，每組共9塊。按照規范GB/T 50082—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和RCM(快速氯離子遷移系數)法，分別測定各個混凝土試件在0%,3%,6%NaCl溶液中的電通量和氯離子擴散系數。

3 結果與討論

3.1 單摻沙漠砂混凝土的抗氯離子滲透性能

如表4，圖1所示，單摻沙漠砂混凝土的電通量和氯離子遷移系數隨著超細度沙漠砂替代率的增加呈現出先提升后降低的演變趨勢。其中，當沙漠砂替代(河砂)率選用60%時，單摻沙漠砂混凝土的抗氯離子滲透性能達到最優。

就混凝土的抗氯離子滲透性能而言，其本身的密實性起到了至關重要的作用。超細度沙漠砂的粒徑極小，可顯著改善沙漠砂混凝土自身的密實性。但事實上，超細度沙漠砂僅作為一種細骨料，并不直接參與混凝土內部的各種復雜化學反應。因此，其對混凝土抗氯離子滲透性能的影響實際上較小。

從表4，圖1可見，當超細度沙漠砂替代率在20%～80%的范圍內不斷增加時，試驗測定的沙漠砂混凝土的電通量值和氯離子遷移系數的數值變化幅度并不明顯。這具體表現為單摻沙漠砂混凝土的電通量變化幅度在200 C內，氯離子遷移系數的變化幅度在20×10-13m2/s以內。

表4 單摻沙漠砂混凝土的電通量與氯離子遷移系數

3.2 單摻粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能

單摻粉煤灰混凝土的電通量及氯離子遷移系數的試驗結果如表5，圖2所示。可發現，單摻粉煤灰混凝土的電通量和氯離子遷移系數隨著粉煤灰摻量的增加基本上呈現出線性下降的趨勢。

表5 單摻粉煤灰混凝土的電通量與氯離子遷移系數

一方面，這是由于粉煤灰的摻入起到了充填混凝土內部孔隙的作用，從而增強了混凝土的密實性，進而能有效阻擋氯離子滲透的通道；另一方面，這也是由于摻入的粉煤灰可以有效結合固化游離的氯離子，同時混凝土二次水化生成的凝膠產物具有較大的比表面積，也可促進對游離氯離子的吸附作用。上述兩方面原因均起到了固化作用，促進了氯離子與混凝土產物的結合。

3.3 復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能

如表6所示，當粉煤灰摻量為30%時，與超細度沙漠砂進行復摻配制的混凝土的電通量非常低，因此可得出復摻粉煤灰和沙漠砂能顯著改善混凝土的抗氯離子滲透性能。其次，圖3展示了不同體積濃度(0%，3%，6%)氯化鈉溶液中復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土的電通量與沙漠砂替代率和粉煤灰摻量的變化趨勢，而圖4展示了不同體積濃度(3%，6%)氯化鈉溶液中復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土的氯離子遷移系數與沙漠砂替代率和粉煤灰摻量的變化趨勢。

表6 復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土的電通量與氯離子遷移系數

由圖3,圖4可知，隨著粉煤灰摻量增加，復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土的電通量與氯離子遷移系數均呈現出降低的趨勢。另一方面，隨著沙漠砂替代率的增加，復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土的電通量與氯離子遷移系數則呈現出先降低后上升的變化趨勢。其中，當沙漠砂替代率為60%和粉煤灰摻量為30%時，復摻沙漠砂和粉煤灰混凝土的電通量與氯離子遷移系數均達到最低值，即抗氯離子滲透性能達到最優。

4 結語

利用電通量法和RCM法，分別評價了單摻沙漠砂、單摻粉煤灰和復摻沙漠砂與粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能，并分別揭示了沙漠砂替代率以及粉煤灰摻量兩個因素獨立和耦合作用下對相應混凝土抗氯離子滲透性能的影響規律。試驗結果表明：

1)單摻沙漠砂混凝土的抗氯離子滲透性能隨著沙漠砂替代率的增加呈現出先提升后降低的演變趨勢。其中，當沙漠砂替代(河砂)率選用60%時，單摻沙漠砂混凝土的電通量與氯離子擴散系數最小。

2)單摻粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性能基本上隨著粉煤灰摻量的增加而持續增強，當粉煤灰摻量為30%時，粉煤灰混凝土的電通量和氯離子擴散系數最小。

3)復摻粉煤灰和沙漠砂混凝土的電通量與氯離子遷移系數同樣隨著沙漠砂替代率的增加呈先減小后增大的趨勢，而隨著粉煤灰摻量的增加而不斷減小。其中，當沙漠砂替代率為60%，粉煤灰摻量為30%時，混凝土的抗氯離子滲透性能達到最優。