不同掺合料对海工硅酸盐水泥氯离子扩散系数的影响

朱运锋 韦庆凤 陈柳锋 覃金凤 江英

【摘 要】文章主要研究了矿渣粉、粉煤灰及硅灰对海工硅酸盐水泥抗氯离子扩散系数的影响。所用熟料、矿渣粉、粉煤灰、硅灰等掺合料均经过分别粉磨处理，试验样均按设定比例掺入后均匀混合得到。研究发现，随着矿渣粉或粉煤灰掺入量的增加，水泥氯离子扩散系数呈现线性下降的趋势。用小量的硅灰取代矿粉或粉煤灰，可以有效地降低氯離子扩散系数，并提高水泥强度。

【关键词】氯离子扩散系数；硅灰；矿渣粉；粉煤灰

【中图分类号】TU528 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）02-0108-03

0 引言

中国既是一个陆地大国，又是一个海洋大国，有1.8万km海岸线，拥有众多沿海岛屿，海洋资源丰富，开拓海洋经济和保卫海疆已成为当今国家的重要战略。战略的实施，需要大量抗海水腐蚀的水泥用于构建海洋工程和沿海能源基础设施。对于海洋工程或氯盐环境等混凝土结构，氯离子侵蚀是引发钢筋锈蚀的首要因素，对混凝土结构的耐久性构成了严重的危害。因此，需要使用海工硅酸盐水泥（海工硅酸盐水泥是以硅酸盐水泥熟料和适量天然石膏、矿渣粉、粉煤灰、硅灰粉磨制成的具有较强抗海水侵蚀性能的水硬性胶凝材料，代号P.O.P），制备密实、抗氯离子渗透性良好的混凝土。

水泥是混凝土基本胶凝材料，也是氯离子扩散传输的途径。水泥的组分不同，其抗氯离子的侵蚀能力则不同。在混凝土砂石骨料紧密堆积的情况下，控制和改善离子在水泥胶凝材料中的传输，是改善混凝土耐久性的基本途径[1]。唐吕平[2]等专家通过对普通波特兰水泥净浆和砂浆的氯离子固化能力和等温固化吸附研究认为，氯离子在普通波特兰水泥净浆与砂浆中的固化能力主要取决于C-S-Hgel，而与水灰比和骨料特性无关。水泥浆体及其与骨料间界面过渡区是氯离子在混凝土中的主要传输通道，混凝土钢筋锈蚀很大程度上取决于氯离子在水泥石中的传输速率，因此研究确定水泥石氯离子扩散性尤为重要。

研究表明，水泥品种对氯离子扩散性的影响在一定程度上超过水灰比的影响，同时认为矿渣或粉煤灰水泥比普通硅酸盐水泥能更有效地限制氯离子扩散。近年来的相关研究也证实矿粉、粉煤灰、硅灰多元复掺，水泥抗氯离子扩散系数性能优于单掺混合材水泥[3]。本文以不同掺量的掺合料配制海工硅酸盐水泥，研究利用物料间的活性协同作用、火山灰效应、微细填充效应对水泥抗氯离子渗透性的影响。

1 试验原料和检测方法

1.1 试验用原材料

试验用原材料（除硅灰）均取自广西鱼峰水泥股份有限公司，混合材经烘干后分别按相应比表面积打小磨制成。试验过程中的配比均由单个样品按规定比例混合搅匀制成。原材料检验结果见表1、表2。

1.2 检测方法

1.2.1 水泥物理力学性能试验方法

水泥物理力学性能试验方法如下：《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法（GB/T 1346—2011）》；《水泥细度检验方法筛析法（GB/T 1345—2005）》；《水泥胶砂强度检验方法（GB/T 17671—1999）》；《水泥比表面积测定方法勃氏法（GB/T 8074—2008）》。

1.2.2 水泥氯离子扩散系数测定

测定方法如下： 《水泥氯离子扩散系数方法（JC/T 1086—2008）》。

2 水泥中混合材料复掺对水泥性能的影响

2.1 矿粉试验方法及结果

矿粉掺入试验是将矿粉掺入量由30%逐步增加至60%，随着矿粉掺量的增加，水泥的3 d及28 d抗压强度均呈现下降的趋势。当用5%的硅灰取代5%的矿粉时，水泥的抗压强度有所上升。由表3可知，随着矿粉掺量的增加，水泥的抗氯离子扩散系数呈现下降的趋势，当用5%的硅灰取代5%的矿粉时，水泥的抗氯离子扩散系数进一步下降，说明采用部分硅灰替代矿粉掺入水泥时，可以提高水泥强度，但同时会降低水泥氯离子的扩散系数。

2.2 粉煤灰试验

粉煤灰掺入试验是将粉煤灰掺入量由10%逐步增加至40%。随着粉煤灰掺量的增加，水泥的3 d及28 d抗压强度均呈线性下降的趋势，用5%的硅灰取代5%的粉煤灰时，水泥的3 d及28 d强度均有提高，特别是28 d抗压强度提高较大。由表4可知，随着粉煤灰掺量的增加，水泥的抗氯离子扩散系数呈现下降的趋势，当熟料掺量达到50%时，用5%的硅灰取代5%的粉煤灰时，水泥扩散系数有较大幅度的下降。

2.3 复掺量试验

水泥掺合料增加会提高抗氯离子渗透性，但是会降低水泥的抗压强度。经综合考虑后，复掺试验的熟料掺量定为40%（见表5）。

在熟料掺量为40%，硅灰掺量为5%的前提下，矿粉与粉煤灰复掺条件下，随着矿粉掺量的增加、粉煤灰掺量的减少，水泥的3 d及28 d抗压强度呈现上升的趋势，水泥的氯离子扩散系数较低（如图1所示），控制在（0.85～1.0）×10-12。

在综合考虑水泥氯离子扩散系数与水泥强度的关系后，我们最终选择了在大磨上生产P.O.P42.5海工硅酸盐水泥的最佳配比是Y6，即掺矿粉为45%，粉煤灰为10%，硅灰为5%。

3 结论

水泥中掺入矿粉可以降低氯离子扩散系数，且随着矿粉掺量的增加，氯离子扩散系数降低，同时水泥强度会随着矿粉掺量的增加持续下降。掺用粉煤灰时，水泥氯离子扩散系数随着粉煤灰掺量的增加，呈现线性下降的趋势，但水泥强度也呈现线性下降的趋势。用少量的硅灰替代矿粉和粉煤灰，可以有效地降低水泥氯离子扩散系数，并提高水泥强度。在水泥中等量掺入矿粉和粉煤灰时，粉煤灰降低氯离子扩散系数的能力更好，但同时比矿粉降低水泥强度更明显。在综合考虑水泥强度和水泥氯离子渗透性的关系后，本次试验得出了广西鱼峰水泥股份有限公司大磨生产P.O.P42.5水泥的最佳配比为熟料掺量：40%，矿粉：45%，粉煤灰：10%，硅灰：5%。

参 考 文 献

[1]王栋民，左颜峰，欧阳世翕.氯离子在掺不同矿物质掺合料高性能混凝土中扩散性能[J].硅酸盐学报，2004，32（7）：858-861.

[2]LuPing Tang and Lars，Olof Nilsson.Chloride Blen-ding Capacityof and Binding Iso them of OPC Paste sand Mortars[J].Cement and Conerete Research，1993（23）：247-253.

[3]施惠生，王琼.海洋高性能混凝土用复合胶凝材料的试验研究[J].水泥，2003（9）：1-5.

[责任编辑：陈泽琦]