辅助性胶凝材料对混凝土渗透性的影响

朱 杰

（南通常盛混凝土有限公司， 江苏 南通 226351）

辅助性胶凝材料作为矿物掺合料应用于混凝土中具有较好的填充效应、活性效应、微集料效应，其掺入能改善混凝土的性能，使得混凝土更加密实、孔隙率低、耐久性好。在可持续发展已深入人心的今天，利用工业废渣发展辅助性胶凝材料产业受到越来越多人的关注[1]。水泥混凝土工业是吸收消耗工业废渣的重要途径，工业废渣在水泥混凝土中的应用在国内外均有丰富的科研成果和使用经验。已有的研究表明掺入一定量较细的矿物掺合料，不仅不影响胶凝材料颗粒间界面粘结，还能改善颗粒间的堆积，提高混凝土的致密性[2]，并普遍认为矿物掺合料越细，其活性越好。但盲目追求细度带来了高能耗，而且仅作简单的超细粉磨并不能十分有效地发挥矿物掺合料的各种效应，相应也大大提高了生产成本[3-4]。而且将矿物掺合料加工成完全均一细度的细粉，没有形成级配，掺入混凝土后并不能充分发挥其微观填充作用，对混凝土性能改善也有限[5]。因此，如何使辅助性胶凝材料颗粒形成良好的级配，能够紧密地堆积填充，从而提高水泥混凝土的密实度，是辅助性胶凝材料在水泥混凝土应用研究的一个热点。本文通过不同细度的粉煤灰、矿渣以及石粉的复合，制备出复合辅助性胶凝材料，以混凝土电通量和氯离子扩散系数为指标来研究辅助性胶凝材料对混凝土渗透性能的影响规律。

1 原材料、配合比和试验方法

1.1 原材料

水泥采用金宁羊 P·Ⅱ42.5水泥，粉煤灰采用江苏某电热厂原状粉煤灰(FA)，矿渣采用江苏某钢铁厂产粒化高炉矿渣(S)，石粉采用江苏某石灰石粉厂产石粉(SF)，原材料化学组成(本文中的含量、组成、掺量等均为质量分数)见表1。粗集料为5～20mm连续级配的玄武岩碎石，细集料为细度模数为2.60的河砂，减水剂为江苏某公司生产的聚羧酸系高效减水剂。

1.2 配合比

试验采用不同细度的粉煤灰、矿渣、石粉按一定的比例进行复配，组成复合辅助性胶凝材料，将复合辅助性胶凝材料等质量取代水泥总量的 35%，固定减水剂掺量为胶凝材料总量的0.6%，将混凝土坍落度控制在170～180mm，并以此来确立试验用水量。具体配合比见表2，其中A0为不掺辅助性胶凝材料的基准混凝土，Ai为掺35%辅助性胶凝材料的试验混凝土。

表2 混凝土试验配合比(kg/m3)

1.3 试验方法

电通量实验参照ASTM C1202进行，其测试电压为60V，通电时间为6h。将养护一定龄期的混凝土试件先真空饱水24h后，轴向施加60V直流电压，试件两端的正负极两侧的电解池内分别放置浓度为0.3mol/L的NaOH溶液和3%的NaCl溶液，在试验开始后，记录初始电流并每隔5min测量一次通过试块的电流，持续6h，根据6h通电时间内电流变化计算总电量Q。

氯离子扩散系数试验参照德国Aachen业大学建筑材料研究所提出的氯离子电迁移快速试验方法。将养护一定龄期的混凝土试件切割制成Φ100mm×50mm的标准试件，试验测试前对试件进行真空饱水24h。将试件装入橡胶筒内，用两个环箍施加扭矩固定，使试件的侧面处于密封状态。将装有试件的橡胶筒装到试验槽中，安好阳极板，在橡胶筒中注入约300ml的0.2mol/L的KOH溶液，使阳性板和试件表面均浸没于溶液中。在试验槽中注入含5%NaCl的0.2mol/L的KOH溶液，直至与橡胶筒中溶液平齐。接通30V的直流电源，根据初始电流确定通电时间。通电完毕，取出试件，在压力机上将其劈成两半，并在劈开的试件表面喷涂 0.1mol/L的AgNO3溶液，测量氯离子渗透深度，计算氯离子扩散系数。

2 试验结果与分析

2.1 粉煤灰、矿渣复合对混凝土渗透性能的影响

试验将不同细度的粉煤灰、矿渣按质量比1：1比例混合，配制成复合辅助性胶凝材料，将复合辅助性胶凝材料以35%等质量取代水泥进行混凝土渗透性能试验，试验结果见表3。

由表3可以看出，在保证混凝土坍落度的前提下，由粉煤灰和矿渣组成的复合辅助性胶凝材料的掺入降低了试验用水量。究其原因，可能是因为粉煤灰可以填充在水泥和矿渣粉堆积的空隙中，使胶凝材料系统颗粒堆积更加紧密，再加上粉煤灰颗粒形貌大多是球型珠状，具有较好的形态效应，改善了混凝土拌和物的工作性，从而表现出一定的减水效应。将掺辅助性胶凝材料的混凝土 28d渗透性能进行对比可以发现：FA30S70组试件初始电流、电通量及氯离子扩散系数均低于不掺辅助性胶凝材料的基准混凝土试件，其他组掺辅助性胶凝材料的混凝土试件的初始电流、电通量及氯离子扩散系数略高于不掺辅助性胶凝材料的基准混凝土试件，表明 FA30S70组辅助性胶凝材料的掺入提高了混凝土渗透性能，其他组辅助性胶凝材料的掺入降低了混凝土的渗透性能。进一步对比发现，辅助性胶凝材料的粉磨时间对其在混凝土中的渗透性能有明显的影响，粉磨时间越长的辅助性胶凝材料掺入混凝土后，其初始电流、电通量及氯离子扩散系数均越小，粉磨时间越短的辅助性胶凝材料掺入混凝土后，其初始电流、电通量及氯离子扩散系数均越大。相对而言，粉磨时间对矿渣组分在混凝土中渗透性能的影响比粉煤灰组分在混凝土中渗透性能的影响更显著。笔者认为这种现象出现的原因，粉磨时间越长，辅助性胶凝材料细度越细，其在混凝土中的火山灰活性越大，对混凝土渗透性能作用越明显。与粉煤灰相比，矿渣具有更高的活性，在水泥水化产生的 Ca(OH)2的碱激发作用下，会使玻璃体中的离子 Ca2+、AlO45-、Al3+、SiO44-进入溶液，生成新的水化产物，可以细化毛细孔径，使结构体更加致密，有利于降低混凝土的渗透性能，所以粉磨时间对矿渣的影响效果更显著。

表3 不同细度粉煤灰、矿渣复合对混凝土28d电通量和氯离子扩散系数的影响

2.2 粉煤灰、石粉复合对混凝土渗透性能的影响

试验将不同细度的粉煤灰、石粉按质量比1：1比例混合，配制成复合辅助性胶凝材料，将复合辅助性胶凝材料以35%等质量取代水泥进行混凝土渗透性能试验，试验结果见表4。

由表4可以看出，在保证混凝土坍落度的前提下，由粉煤灰和石粉组成的复合辅助性胶凝材料的掺入降低了试验用水量，并且与粉煤灰-矿渣组成的复合体系相比，用水量降低的幅度更大。究其原因，一方面同样是因为粉煤灰的形态效应起了作用；另一方面，可能由于石粉的活性远低于矿渣，相对于矿渣而言，石粉的掺入增大了有效水灰比，稀释了水泥浆体，从而提高了混凝土流动性，减小了试验用水量。将掺辅助性胶凝材料的混凝土渗透性能进行对比可以发现：不管是以初始电流为衡量指标，还是以电通量为衡量指标，以及是以氯离子扩散系数为衡量指标，FA30SF60组试件的渗透性能指标都是最低的，但仍然高于不掺辅助性胶凝材料的基准混凝土试件渗透性能指标相应值。由此表明，以粉煤灰和石灰石粉复合制备的辅助性胶凝材料，对混凝土 28d渗透性能有一定的降低作用，粉磨时间越短、粉煤灰和石粉颗粒粉磨细度越粗，复配制备的辅助性胶凝材料对混凝土渗透性能降低作用越明显。

表4 不同细度粉煤灰、石粉复合对混凝土28d电通量和氯离子扩散系数的影响

2.3 矿渣、石粉复合对混凝土渗透性能的影响

试验将不同细度的矿渣、石粉按质量比1：：1比例混合，配制成复合辅助性胶凝材料，将复合辅助性胶凝材料以35%等质量取代水泥进行混凝土渗透性能试验，试验结果见表5。

由表5可以看出，由矿渣和石粉组成的复合辅助性胶凝材料的掺入对混凝土新拌性能基本没有影响，但在一定程度上降低了混凝土的渗透性能。将掺辅助性胶凝材料的混凝土渗透性指标进行对比可以发现：与不掺辅助性胶凝材料的基准混凝土相比，不同细度矿渣与石粉复合制备的辅助性胶凝材料略微降低混凝土的抗渗性能，但降低的幅度并不与矿渣和石粉的粉磨细度成正比关系。除不掺辅助性胶凝材料的基准混凝土外，S70SF40组试件的初始电流和电通量均最小，S70SF20组试件的氯离子扩散系数最小，由此可以看出由最细矿渣、最细石粉组成的 S70SF60组试件的初始电流、电通量和氯离子扩散系数均不是矿渣-石粉复合体系中最小的一组。这种现象出现的原因，笔者认为：简单的将两种超细粉混合使用并不能十分有效地发挥辅助性胶凝材料的叠加效应，而采用“级配优化”的方法调整矿渣和石粉的颗粒级配组合，能充分发挥矿渣、石粉的颗粒效应，使系统颗粒形成良好的级配，从而改善混凝土渗透性能。

表5 不同细度矿渣、石粉复合对混凝土28d电通量和氯离子扩散系数的影响

3 结论

(1)、粉煤灰与矿渣复合制备的辅助性胶凝材料在一定粉磨细度下，可降低混凝土的初始电流、电通量以及氯离子扩散系数等渗透性指标，改善混凝土的渗透性能。与粉煤灰相比，矿渣粉磨细度对混凝土渗透性能影响越显著。

(2)、以粉煤灰和石灰石粉复合制备的辅助性胶凝材料，对混凝土28d渗透性能有一定的降低作用，粉磨时间越短、粉煤灰和石粉颗粒粉磨细度越粗，复配制备的辅助性胶凝材料对混凝土渗透性能降低作用越明显。

(3)、不同细度矿渣与石粉复合制备的辅助性胶凝材料略微降低混凝土的抗渗性能，但降低的幅度并不与矿渣和石粉的粉磨细度成正比关系。