單摻礦物摻合料混凝土性能研究

馬寶富

（中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088）

引言

混凝土結(jié)構(gòu)是迄今為止應(yīng)用最為廣泛、性能最為優(yōu)異的建筑結(jié)構(gòu)[1]，但在結(jié)構(gòu)正常使用年限內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)由于外界環(huán)境、自身材料和施工等因素發(fā)生不同程度的損傷，輕則出現(xiàn)肉眼可見的裂縫，造成使用者的心理壓力，重則出現(xiàn)混凝土保護(hù)層剝落、鋼筋嚴(yán)重銹蝕等現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)不得不修復(fù)或報廢，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計從初始的許用應(yīng)力法至現(xiàn)在應(yīng)用的基于概率的分項系數(shù)設(shè)計法，均為基于結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行設(shè)計[2-3]，設(shè)計人員均認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到規(guī)定的安全性要求就可以在設(shè)計使用年限內(nèi)正常使用結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)發(fā)展及對建筑結(jié)構(gòu)要求的提升，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計尤為重要，現(xiàn)有規(guī)范關(guān)于耐久性設(shè)計多為定性要求，包括規(guī)定其最小保護(hù)層厚度、最小混凝土強度等級、最大水膠比等[4-5]，而對于氯化物環(huán)境中還特別規(guī)定了以28 d基于快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM）試驗測得的混凝土氯離子擴散系數(shù)[6]，表征其抗氯離子侵入性指標(biāo)的最大限值。此外，對于定量耐久性設(shè)計，此參數(shù)也是設(shè)計基本變量，起著十分重要的作用。因此，研究28 d齡期下以RCM試驗測得的氯離子擴散系數(shù)十分必要。

高性能混凝土具有高強度、高耐久性等特點，是現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用趨勢，其配比是在原有普通混凝土基礎(chǔ)材料上加入適量的高效外加劑及礦物摻合料。硅灰是一些硅合金冶煉過程中排放的以無定形氧化硅為主的超微顆粒，摻入至混凝土中可大幅提高混凝土的工作性能、密實性能、強度、抗?jié)B等耐久性能；粉煤灰又稱飛灰，為火電廠煤燃燒后由煙道排出的廢棄粉末，將其摻入混凝土中亦可大幅提高混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能及耐久性能。此外，硅灰和粉煤灰是工業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)廢料，將其作為礦物摻合料適量摻入混凝土也可做到廢物利用，資源優(yōu)化及可持續(xù)發(fā)展。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

（1）42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為360 m2/kg，28 d抗壓強度為49.5 MPa；（2）硅灰比表面積為22 000 m2/kg；（3）粉煤灰I級，比表面積為450 m2/kg，水泥、硅灰及粉煤灰的化學(xué)成分見表1；（4）中砂細(xì)度模數(shù)為2.5；（5）5～25.5 mm連續(xù)級配碎石；（6）普通生活用水；（7）聚羧酸類高效減水劑。

表1 水泥、硅灰及粉煤灰的化學(xué)成分比/%

1.2 試驗方法及設(shè)備

1.2.1 坍落度試驗

為測定新拌混凝土的流動性，試驗測定混凝土拌合物的坍落度。試驗基于流變原理，利用混凝土拌合物的自重，判定其工作性能，應(yīng)用廣泛，操作簡單，但僅適用于新拌混凝土，且人為因素影響大。

操作步驟：（1）將試驗用坍落度筒、搗棒以及鐵板用水潤濕，然后將坍落度筒放在平整鐵板上，踩住腳踏板；（2）分三次裝填新拌混凝土，每次裝填略高于坍落度筒的均分區(qū)域，然后沿螺旋線用搗棒由邊緣至中心插搗，每次25下，在最后一層插搗過程中應(yīng)該隨時加料以保證混凝土高于筒口；（3）插搗完成在5～10 s內(nèi)平穩(wěn)地將筒體取下，放于新拌混凝土旁，整個試驗控制在150 s內(nèi)；（4）把標(biāo)尺放在試樣頂端，讀拌合混凝土至塌落度筒頂部的差值，精確到1 mm。

1.2.2 混凝土立方體抗壓試驗

混凝土抗壓強度采用WHY-3000型微機控制全自動壓力試驗機?；炷林苽渫瓿? d后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行混凝土立方體抗壓試驗。操作步驟：（1）將混凝土試塊從養(yǎng)護(hù)室取出后擦拭干凈，檢查外觀并測量尺寸；（2）將混凝土試塊放置試驗機下壓板中心，保證承壓面與成型頂面垂直；（3）啟動試驗機，當(dāng)上壓板與試塊接近時，調(diào)整球座以使接觸平衡；（4）新建試驗，輸入試塊尺寸及其他信息，查看控制參數(shù)，負(fù)荷、位移清零；（5）加載，試塊破壞后試驗自動停止。

1.2.3 快速氯離子遷移試驗

以RCM法進(jìn)行抗氯離子滲透試驗是測定混凝土中非穩(wěn)態(tài)遷移的遷移系數(shù)，來確定混凝土的抗氯離子滲透性能，原理是將試件置于陰極溶液和陽極溶液間，施加外電場，一定時間電遷移后將試件沿軸向劈開，根據(jù)顯色指示劑的區(qū)域確定混凝土氯離子擴散系數(shù)。

試驗操作步驟[7]：（1）試件標(biāo)養(yǎng)28 d后取出，將表面擦凈，用游標(biāo)卡尺確定直徑和高度，精確至0.1 mm；（2）試件面干狀態(tài)下進(jìn)行真空處理，試件間保留一定孔隙，應(yīng)在5 min內(nèi)將壓強減少至1～5 kPa，保持該真空度3 h，運轉(zhuǎn)下注入飽和氫氧化鈣溶液，浸泡試件1 h后恢復(fù)常壓，繼續(xù)浸泡18±2 h；（3）試件取出后，電吹風(fēng)冷風(fēng)檔吹干，裝入硅橡膠套底部，安裝環(huán)箍擰緊至扭矩30±2 N·m，安裝陰極板后放置試驗槽中，安裝陽極板；（4）在硅橡膠套中注入約300 mL濃度為0.3 mol/L的氫氧化鈉溶液，保證浸沒陽極板和試件，在試驗槽中注入12 L質(zhì)量濃度為10%的氯化鈉溶液，使其與硅橡膠套中液面平齊；（5）將電源陽極與硅橡膠套中陽極板連接，電源陰極與試驗槽中陰極板連接，安裝溫度傳感器；（6）利用RCM擴散系數(shù)測定儀測定，電源開啟后將電壓調(diào)整至30±0.3 V，記錄初始電流，確定施加電壓、新的初始電流及持續(xù)時間，記錄溫度及電流值；（7）斷開電源，取出試件，沖洗擦凈，沿軸向劈開，立即噴涂0.1 mol/L的硝酸銀溶液，15 min后觀察顏色變化，用防水筆描出并用游標(biāo)卡尺測量距離，精確至0.1 mm；（8）試驗結(jié)束后排除溶液，清洗后用電吹風(fēng)冷風(fēng)檔吹干。

2 試驗設(shè)計

試驗研究0.3、0.4、0.5三種水膠比情況下普通混凝土、單摻硅灰（SF）或粉煤灰（FA）混凝土的工作性能、力學(xué)性能及耐久性能，單摻時硅灰摻量分別為3%、5%、8%，粉煤灰摻量分別為10%、20%、30%、40%，試驗配合比見表2。

表2 試驗配合比/（kg·m-3）

混凝土立方體抗壓試驗選用150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，每組試驗三塊；快速氯離子遷移試驗采用Φ100 mm，高度為50 mm的圓柱體試塊，每組試驗三塊。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 坍落度試驗結(jié)果與分析

新拌混凝土的坍落度是判定混凝土結(jié)構(gòu)和易性和工作性能最重要的參數(shù)，圖1（a、b、c）為不同水灰比及不同硅灰、粉煤灰摻量對混凝土坍落度的影響?？芍?，不論是普通混凝土還是摻入硅灰或粉煤灰的混凝土，坍落度均隨著水灰比的增加呈增長趨勢；坍落度隨著硅灰摻量的增加呈降低趨勢；坍落度隨粉煤灰摻量的增加呈先增長后降低的趨勢。

圖1 坍落度試驗結(jié)果

分析原因：（1）當(dāng)水灰比增加時，用水量增加，故坍落度會明顯增長。（2）摻入硅灰時，坍落度降低，因硅灰的比表面積為22 000 m2/kg，遠(yuǎn)大于水泥的比表面積，拌和后硅灰會吸附大量的水，導(dǎo)致拌合物中漿體稠度增加，流動性降低，導(dǎo)致坍落度降低。（3）對于摻入粉煤灰的混凝土，坍落度先增加后下降，是因為即使粉煤灰的比表面積略大于水泥，但其顆粒為近似表面光滑的球體，利于漿體間相對滾動，稱為“滾珠效應(yīng)”，且在一定范圍內(nèi)隨摻量的增加效應(yīng)越顯著，但粉煤灰摻量超過30%時，比表面積持續(xù)增大，吸附水量增加，坍落度呈降低趨勢。

3.2 抗壓強度試驗結(jié)果與分析

立方體抗壓強度是判定混凝土質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，圖2為不同水膠比下不同硅灰、粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響。

圖2 混凝土抗壓強度變化曲線

可知：（1）隨著水灰比的增加，混凝土抗壓強度降低。（2）隨著硅灰摻量的增加，混凝土抗壓強度增加；而隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土抗壓強度降低。（3）硅灰比表面積很大，微集料填充效應(yīng)使其填充于混凝土漿體孔隙間，改善膠凝材料的集配，增大混凝土的密實度，因此其抗壓強度提高。（4）雖然粉煤灰也具有火山灰活性，但其黏結(jié)粗細(xì)骨料的能力遠(yuǎn)低于水泥，且早期水化能力很弱，在標(biāo)養(yǎng)28 d后仍未充分發(fā)揮其二次水化能力，導(dǎo)致混凝土強度較低。

3.3 氯離子擴散系數(shù)試驗結(jié)果與分析

混凝土氯離子擴散系數(shù)是表征混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的重要參數(shù)，亦是反映混凝土抵抗氯離子侵蝕能力的重要指標(biāo)之一。圖3為不同水膠比下不同硅灰、粉煤灰摻量對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響。

圖3 氯離子擴散系數(shù)變化曲線

可知：（1）隨著水灰比的增加，混凝土氯離子擴散系數(shù)增加。（2）隨著硅灰摻量或粉煤灰摻量的增加，混凝土氯離子擴散系數(shù)降低。分析原因：（1）隨著水膠比的增加，混凝土質(zhì)量降低，密實度下降，因此其抵抗氯離子侵入的性能下降，氯離子擴散系數(shù)增加。（2）粉煤灰或硅灰的摻入，火山灰效應(yīng)使得礦物摻合料中的火山灰活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，提高結(jié)構(gòu)致密性，此外微集料填充效應(yīng)也使得微細(xì)顆粒填充于混凝土內(nèi)部孔隙，所以氯離子擴散系數(shù)降低。

4 結(jié)語

通過研究水膠比為0.3、0.4、0.5三種情況下普通混凝土結(jié)構(gòu)、單摻硅灰的混凝土結(jié)構(gòu)、單摻粉煤灰的混凝土結(jié)構(gòu)的坍落度、立方體抗壓強度及氯離子擴散系數(shù)，得到結(jié)論：（1）隨著水膠比的增加，混凝土坍落度增加，但混凝土抗壓強度及抗氯離子滲透性降低。（2）在混凝土中摻入硅灰雖降低其工作性能，使得坍落度有所下降，但提高了混凝土的抗壓強度及抗氯離子滲透性，且隨著摻量的增加，性能提升越明顯。（3）粉煤灰的摻入可以改善混凝土的工作性能及抗氯離子滲透性能，但一定程度上降低了混凝土的抗壓強度。