复合掺合料对混凝土抗冻性和抗渗性的影响

李 军

（贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳550000）

利用粉煤灰、矿渣粉等工业废弃物代替部分水泥作为活性矿物掺合料使用，不但可以节约混凝土成本，降低大体积混凝土的水化热；还可以改善新拌混凝土的和易性，优化混凝土的微观结构，提高混凝土的长期耐久性能。因此，矿物掺合料已成为当今混凝土配合比设计中的一个非常重要的组成部分［1－2］。但在许多工程建设领域当中，特别是道路、桥梁水泥混凝土工程的施工人员对矿物掺合料的认识仍有误区，按照普通水泥混凝土的水化硬化发展规律来衡量掺加矿物掺合料的混凝土，认为粉煤灰等掺合料会降低混凝土强度，耐磨性、抗碳化性差，势必会对混凝土的抗冻性、抗渗性等耐久性能产生不利影响，因此，几乎很少掺入活性矿物掺合料，严重影响了矿物掺合料的推广应用［3－5］。

基于上述原因，本文系统研究目前应用广泛、应用量大的粉煤灰和磨细矿渣粉作为矿物掺合料，研究矿物掺合料种类及掺量对混凝土抗冻、抗渗耐久性能的影响规律，为在高耐久性混凝土结构工程中推广应用矿物掺合料提供数据支持。

1 原材料及配合比

试验采用贵阳地产P·O42．5普通硅酸盐水泥，技术指标见表1；矿物掺合料采用II级粉煤灰和S95级矿渣粉，主要性能指标分别见表2、表3；细集料采用天然河沙，为中砂，细度模数2．80；粗集料采用5～20mm连续级配碎石；外加剂采用SJ－2型引气剂以及聚羧酸系高效减水剂，减水率25%。基准混凝土配合比见表4。

表1 水泥技术指标

表2 粉煤灰技术指标

表3 矿渣粉技术指标

表4 混凝土配合比

2 结果与分析

2．1 矿物掺合料对混凝土抗冻性的影响

采用粉煤灰、矿渣粉作为矿物掺合料等质量取代水泥配制混凝土，取代量分别为15%、25%和35%，成型100mm×100mm×400mm混凝土试件，采用快速冻融的试验方法测试混凝土的抗冻性能，为了提高抗冻融性，各组混凝土中均采用了相同掺量引气剂，使得新拌混凝土的含气量达到5．1%，保证基准混凝土的抗冻性达到F350等级，在此基础上研究掺合料的类型与用量对混凝土抗冻性的影响。

不同粉煤灰、矿渣粉掺量混凝土的抗冻性试验结果见图1和图2。

图1 粉煤灰对混凝土抗冻性的影响

图2 矿渣粉掺量对混凝土抗冻性的影响

由图1可以看出：当II级粉煤灰掺量不超过25%时，掺粉煤灰混凝土的抗冻性与基准混凝土基本相当，在经历350次冻融循环后，混凝土试件的相对动弹性模量均未出现明显降低，属于高抗冻等级的混凝土。当粉煤灰掺量为35%时，经过200次冻融循环后相对动弹性模量开始有所下降，在350次冻融循环时其相对动弹性模量仍可达到85%，仍然满足F350要求。由此可知，II级粉煤灰在含气量为5．1%时，掺用量控制在胶凝材料总质量35%以内时，可以配制出满足F350要求的高抗冻性混凝土。

由图2可知，矿渣粉对混凝土抗冻性的影响规律与粉煤灰类似，矿渣粉掺量25%以内的混凝土抗冻性与基准混凝土没有明显区别，矿渣粉掺量为35%时混凝土抗冻性有所降低，但也可以达到F350。

粉煤灰和矿渣粉同样是矿物掺合料，但各自有着不同的效应特点。粉煤灰的微集料效应和形态效应较为明显，可以改善混凝土早期的工作性和混凝土的密实度，但其火山灰性能略差，矿渣粉的物理性能稍差，但活化效应较好，将二者复合掺入混凝土中，能够取长补短，达到优势互补。因此，按照前期试验得出的复合比例，将粉煤灰和矿渣粉按4∶6的比例混合，总掺量分别为水泥用量的0%、15%、25%和35%，复合掺合料混凝土的抗冻性试验结果见图3。

图3 复合掺合料掺量对混凝土抗冻性的影响

由图3可见，复合矿物掺合料对混凝土的抗冻性影响规律同单掺粉煤灰或单掺矿渣粉类似，但是其抗冻性略优于单掺矿物掺合料混凝土，特别是高掺量时（掺量为35%），混凝土经过350次冻融后相对动弹性模量仍接近90%，表现出良好的抗冻性。

2．2 矿物掺合料对混凝土抗渗性的影响

不同粉煤灰掺量、矿渣粉掺量和掺加复合掺合料混凝土抗氯离子渗透性试验结果见图4—图6。

图4 粉煤灰掺量对混凝土抗Cl－渗透性的影响

图5 矿渣粉掺量对混凝土Cl－扩散系数影响

图6 复合矿物掺合料对混凝土Cl－扩散系数的影响

由图4可见，掺粉煤灰混凝土的氯离子扩散系数高于基准混凝土，且随着粉煤灰掺量的增加，氯离子扩散系数增大，随着养护龄期的增长，混凝土的氯离子扩散系数增大幅度降低，90d龄期时各组混凝土的氯离子扩散系数接近。

可见，在混凝土中适当掺加粉煤灰，不但不会引起混凝土抗渗耐久性的损失，而且还可能会对混凝土的长期耐久性有所贡献。原因是粉煤灰与水泥相比，尽管其水化速度慢，在混凝土的早期水化中可能其水化程度较低，但是粉煤灰的水化可以依靠水泥水化产物Ca（OH）2来激发，在水泥石水化基本上已经结束的时候，粉煤灰还有将近80%没有水化，粉煤灰和水泥这种在水化时间上的延时效应，正好弥补了混凝土中水泥石水化基本结束之后造成后期性能增长较少的缺点。所以在混凝土中掺加适量的粉煤灰，对混凝土长期耐久性的增长有利。

掺矿渣粉混凝土的氯离子扩散系数均低于基准混凝土，尤其是56d龄期以前，掺矿渣粉混凝土抗渗性明显优于基准混凝土，56d龄期后，掺矿渣粉混凝土的氯离子扩散系数与基准混凝土相当或略差。这主要是因为矿渣粉的比表面积大，颗粒细小，其微集料效应显著，填充了混凝土的孔隙，提高了混凝土的密实程度，因此，抗渗性提高。

从图6可知，矿渣粉和粉煤灰的复合掺加对混凝土的抗氯离子渗透性能有明显的积极作用。复合掺合料掺量为15%时，对混凝土的渗透性能的改善效果最为明显，当掺量超过15%时，随着复合矿物掺合料掺量的增加，混凝土抗氯离子渗透性能降低。

3 结 论

（1）掺入不超过25%的粉煤灰、矿渣粉复合矿物掺合料时，混凝土的抗冻性与基准混凝土接近，当掺合料掺量超过35%时，混凝土抗冻性有所降低，但仍可以达到F350以上。

（2）56d前，随粉煤灰掺量的增加，混凝土抗氯离子渗透性降低，掺矿渣粉混凝土则刚好相反；90d龄期时，掺加不同掺量粉煤灰或矿渣粉混凝土的抗氯离子渗透性均与基准混凝土接近；复合矿物掺合料掺量为15%时，混凝土抗氯离子渗透性能最优。

［1］班瑾，韩明珍，张晶磊，等．含气量对粉煤灰混凝土抗冻性能影响的研究［J］．水资源与水工程学报，2014，25（1）：137－139．

［2］张德思，成秀珍．粉煤灰混凝土抗冻融耐久性的研究［J］．西北工业大学学报，2000（2）：175－178．

［3］夏佩芬，王培铭，李平江，等．混合材料与水泥浆体间界面的形貌特征［J］．硅酸盐学报，1997（6）：114－118．

［4］袁晓露，李北星，崔巩，等．粉煤灰混凝土的抗冻性能及机理分析［J］．混凝土，2008（12）：43－44＋62．

［5］张嘉新，董淑慧．粉煤灰对混凝土孔结构和抗渗性的影响［J］．低温建筑技术，2012（6）：15－17．