水灰比与掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

虞夏深

（上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司，上海 200437）

0 引言

影响钢筋混凝土耐久性能最重要的因素之一是氯离子侵蚀。氯离子渗透到混凝土内部与钢筋发生反应，导致钢筋钝化膜破坏，形成原电池效应，加速钢筋锈蚀，从而严重影响混凝土的耐久性能[1]。氯离子渗透进入混凝土过程比较复杂，归纳起来主要有物理变化和化学变化两大类。根据目前对氯离子渗透方式的研究，可得出氯离子入侵混凝土的几种主要方式有渗透作用、毛细吸附作用、电化学迁移作用、自由氯离子的扩散作用[2]，其中渗透作用影响最大。影响氯离子渗透的因素有很多，如混凝土原材料、强度、水灰比、养护条件、碳化状况、使用环境等。本文采用CRM法研究混凝土原材料和水灰比对其抗氯离子渗透性能的影响，选用工程混凝土常用水灰比范围内的四组不同水灰比和两种不同掺合料分别进行CRM试验，研究水灰比和掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律，为实际工程水灰比和掺合料的选择和使用提供研究基础。

1 原材料与试验方法

1.1 试验用原材料

试验用水泥采用上海海螺明珠水泥有限责任公司生产的P·O42.5等级水泥，28d强度45.6 MPa，比表面积550 m2/kg，安定性合格；粉煤灰选用上海石发电力粉煤灰有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，密度为2.37 g/cm3，比表面积为648 m2/kg；硅灰选用四川朗天资源综合利用有限责任公司生产的朗天牌微硅粉，其SiO2含量为92%；粗、细集料均选用上海朗明砂石有限公司提供的 1～3 cm规格碎石和细度模数为2.8的Ⅱ区中砂；混凝土用水为上海市饮用自来水。

1.2 配合比方案

为研究不同水灰比和掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响规律，我们选用三种水灰比进行不同水灰比抗氯离子渗透性能试验，三种水灰比分别为0.37、0.42、0.47；矿物掺合料分别选用纯粉煤灰、粉煤灰与硅灰复合和纯硅灰三种不同形式的组合方式。为保证试验结果的代表性和可靠性，对于掺加掺合料的混凝土配合比，我们确定其水灰比为定值0.42。以固定胶凝材料总量为设计原则，采用等量取代法（20%）掺入掺合料。根据以上原则确定的试验配合比方案如表1。

1.3 CRM试验方法

首先，按标准GB/T50082-2009裁切的试件进行清洗、干燥，并在真空饱水装置中进行饱和氢氧化钙真空饱水处理；然后对处理完的试件进行干燥处理，并进行安装和密封；最后分别用浓度为0.3 mol/L的NaOH溶液和浓度为 10%的氯化钠溶液对试验槽的阳极和阴极板槽进行处理。试验开始后，及时记录仪器上的电压（V）、电流（mA）、试验时间（分）和阳极溶液初始温度（℃），用于后续计算迁移系数。试验结束后，用浓度为0.1 mol／L的AgNO3溶液指示剂进行显色试验，并观测氯离子渗透深度。混凝土的快速氯离子非稳态迁移系数按下式进行计算：

式中：DRCM—混凝土的非稳态氯离子迁移系数，精确到0.1×10-12m2/s；U—所用电压的绝对值；T—阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值（℃）；L—试件厚度（mm），精确到0.1 mm；Xd—氯离子渗透深度的平均值（mm），精确到0.1 mm；T—试验持续时间

每组试件均有三个，最终该组的氯离子迁移系数值为三个试块的氯离子迁移系数的算术平均值。当其中一个数据与中间值的差大于中间值的15%时，则取剩余两个氯离子迁移系数的平均值作为该组的数据；当最大值和最小值与中间值之差均大于15%时，则取中间值的氯离子迁移系数作为该组的数据[3]。

表1 试验配合比方案比选表

2 试验结果分析

2.1 水灰比对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

不同水灰比氯离子迁移系数与渗透时间之间的关系如图1所示。

由图1可知，相同渗透时间水灰比越小，其迁移系数越小，混凝土抗氯离子渗透性能越好。在渗透时间为4小时水灰比分别为0.37、0.42、0.47时，对应的迁移系数分别为 4.2×10-12m2/s、6.7×10-12m2/s和8.8×10-12m2/s。原因是水灰比越小，其混凝土越密实，其阻碍氯离子渗透的能力越强，因此在相同的试验时间内，水灰比越小迁移系数越小。同时，从图1还可以得出，同一水灰比混凝土氯离子迁移系数随时间增大而增大，且线性关系比较明显，主要是原因是混凝土进行抗渗能力试验前，已标准养护28d，其水泥水化比较充分，强度和混凝土密实相对比较稳定，因此同一水灰比混凝土氯离子迁移系数随渗透时间增大而增大，切线性关系明显。

图1 不同水灰比氯离子迁移系数与渗透时间之间的关系

2.2 掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响

不同掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响与时间关系曲线如图2所示。

图2 不同掺合料氯离子迁移系数与渗透时间的关系曲线

由图2可知，掺加粉煤灰、硅灰掺合料的混凝土氯离子迁移系数比相同水灰比普通混凝土氯离子迁移系数小，水灰比为0.42时，四种不同掺合料S0.42、SF100、SFG50、SH100在渗透时间均为4小时条件下对应的氯离子迁移系数分别是 6.7×10-12m2/s、6.1×10-12m2/s、5.2×10-12m2/s、4.6×10-12m2/s。可以看出掺入掺合料可以改善混凝土抗氯离子渗透性能，因为粉煤灰和硅灰颗粒形态比水泥好，它们使混凝土填充得更加密实；水化速度比水泥慢，可防止混凝土产生温度裂缝；与氢氧化钙发生火山灰反应，生成C-H-S凝胶。同时，可以看出随着硅灰掺量的增加，混凝土抗氯离子渗透性能提高明显，这是因为微硅粉二氧化硅含量高达92%，且细度比粉煤灰细很多，其火山灰效应相比粉煤灰更加明显，因此其改善混凝土抗渗性能的效果更加明显。

3 结论及建议

混凝土水灰比与掺合料对混凝土抗氯离子渗透性能有较大影响。

（1）在其它条件相同时，混凝土水灰比越小，其抗氯离子渗透能力越强；

（2）混凝土中掺加粉煤灰等矿物掺合料可以改善混凝土抗氯离子渗透性能。粉煤灰与硅灰相比，硅灰改善混凝土抗氯离子渗透性能更好；

（3）建议后续研究充分考虑多种因素耦合效应对混凝土抗氯离子渗透性能的影响。

[1]周剑. 混凝土氯离子扩散性能影响因素的试验研究[D].浙江工业大学, 2010.

[2]巴恒静, 张武满, 邓宏卫. 评价高性能混凝土耐久性综合指标——抗氯离子渗透性及其研究现状[J]. 混凝土,2006(03): 3-4,14.

[3]邓婉君, 李宏. 活性掺合料对再生混凝土氯离子渗透性的影响研究[J]. 混凝土, 2016(12): 73-75.