混凝土长养护龄期氯离子扩散系数的影响因素分析

余 刚

（中交四航局珠海工程有限公司 珠海519000）

0 引言

在氯离子的侵蚀作用下，混凝土内部的钢筋存在着巨大的锈蚀风险，锈蚀产物的膨胀效应极易引发混凝土保护层的开裂，随着裂缝的进一步开展，混凝土结构的整体承载能力显著下降［1］。因此，控制氯离子扩散进入混凝土内部的速度对于保障混凝土结构的安全性就显得尤为关键。通常，采用氯离子扩散系数来表征氯离子扩散进入混凝土的速度［2-4］。目前，用于测试混凝土氯离子扩散系数的方法主要有自然浸泡法、NEL 法和RCM 法等。其中，由于RCM 法具有试验周期短、操作简便、测试结果与真实结果接近等优点，因此在国际上被广泛采用。

研究人员基于RCM 法开展了大量的混凝土氯离子扩散系数试验研究［5-7］。杨芳等人［8］采用RCM 法测试了不同粉煤灰和矿粉掺量组合的28 d 标准养护龄期的混凝土氯离子扩散系数。姜福香等人［9］分别对28 d 和56 d 养护龄期复掺粉煤灰和矿粉混凝土的氯离子扩散系数进行了RCM 测试，并分析了28 d、56 d混凝土氯离子扩散性能的变化规律。Yu 等人［10］对养护龄期分别为28 d、90 d、180 d、365 d 和730 d 的粉煤灰混凝土氯离子扩散系数进行了测试，测试结果表明，粉煤灰颗粒在28 d 龄期水化反应程度非常有限，粉煤灰颗粒的填充效应占主导，粉煤灰的二次水化十分缓慢，随着养护龄期增至180 d，在CH 的激发作用下，粉煤灰的火山灰效应占主导，粉煤灰颗粒水化程度较高，与标准养护730 d 后粉煤灰颗粒的水化程度差别不大［10］。由上述分析可知，一方面现有研究主要是针对养护龄期28 d和56 d混凝土氯离子扩散系数，90 d 长养护龄期混凝土氯离子扩散系数的研究则较少；另一方面，矿物掺合料的水化进程明显滞后于水泥水化，90 d 后矿物掺合料的二次水化产物进一步细化了混凝土孔结构，矿物掺合料对混凝土氯离子扩散系数的影响程度明显增大，但现有研究关于水胶比对90 d 长养护龄期混凝土氯离子扩散系数的影响机理及影响程度鲜有报道，因此有必要开展长养护龄期矿物掺合料混凝土氯离子扩散系数的主要影响因素及其影响程度研究。

本文采用RCM 法开展了标准养护龄期为180 d的混凝土的氯离子扩散系数测试，分析了水胶比、粉煤灰和矿粉掺量、粉煤灰和矿粉掺量组合对混凝土氯离子扩散系数的影响程度。

1 试验设计

1.1 正交试验和全系列试验

为研究180 d 龄期混凝土中各因素对氯离子扩散系数的影响，采用正交试验和析因试验的试验方案，以水胶比、粉煤灰和矿粉掺量、粉煤灰和矿粉掺量组合3 个配合比参数作为试验因素进行研究，试验方案如表1、表2所示。其中有3组正交试验与全系列试验混凝土的配合比重合，共得到15组混凝土配合比。

表1 试验因素与水平（正交试验）Tab.1 Factors and Levels for Orthogonal Experiment

表2 试验因素与水平（析因试验）Tab.2 Factors and Levels for Factorial Experiment

1.2 原材料

水泥选用的型号为PⅡ42.5，物理性能如下：细度为2.3%，比表面积为379 m2∕kg，SO3含量2.16%，MgO含量为1.30%，氯离子含量0.016%，不溶物含量0.67%，碱含量0.29%，损耗为2.47。矿物掺合料选用Ⅱ级粉煤灰和S95级矿粉，粉煤灰细度为10%，需水量比为99%，烧失量为3%。矿粉的物理性能如下：密度为2.92 g∕cm3，比表面积为432 m2∕kg，流动度比为99%，7 d、28 d活性指数分别为76%、103%，损耗为0.7。选用的细骨料为河砂，级配满足二区中砂要求，其表观密度和细度模数分别为2 514 kg∕m3和2.42。选用的粗骨料为5～25 mm 连续级配碎石，其表观密度为2 709 kg∕m3。外加剂选用固含量为12%的聚羧酸系高效减水剂。

1.3 试件制作

将新拌混凝土注入尺寸为φ100 mm×200 mm的圆柱体模具中，震动成型后室温养护，1 d 后拆模，移入标准养护室进行养护，在RCM 氯离子扩散系数测试前7 d 取出混凝土试件，采用双刀片自动切割机将混凝土试件切割为3 块尺寸为φ100 mm×50 mm 的混凝土试块，然后移入标准养护室进行养护，直至RCM 氯离子扩散系数测试龄期180 d。

1.4 RCM快速氯离子电迁移试验

RCM法最早是由瑞典学者唐路平教授提出，其基本原理是通过在饱水后的混凝土试件两端施加电场，通过电场加速氯离子在混凝土内部的传输，然后采用硝酸银显色法对劈裂后的混凝土试块断面上氯离子的扩散深度进行测定，最后根据氯离子扩散系数的计算公式求解得到混凝土的氯离子扩散系数。本次试验采用RCM测试设备，如图1所示。

2 试验结果分析

2.1 氯离子扩散性能分析

根据表1 和表2 中设计的试验因素和水平，可得到共计15组混凝土配合比，具体信息如表3所示。采用RCM 法对上述15 组标准养护180 d 混凝土氯离子扩散系数进行测试，测试结果如图2所示。

图1 RCM测试设备Fig.1 RCM Test Equipment

表3 混凝土配合比Tab.3 Mix Proportion and RCM Test Results

图2 RCM测试结果Fig.2 RCM Test Results

由图2 可知，矿物掺合料混凝土氯离子扩散系数的测试结果均小于3×10-12m2∕s，表明标准养护180 d后矿物掺合料混凝土的密实程度大大提高，矿物掺合料混凝土具有较高的抗氯离子渗透能力。这主要是由于一方面随着养护龄期增大至180 d，粉煤灰的玻璃微珠与CH 发生二次水化反应，大幅度消耗了结构疏松的CH，生成了结构更为致密的C-S-H，有效填充了水泥基体的大孔，优化了水泥基体的孔结构；另一方面，随着粉煤灰和矿粉的进一步水化，水化产物CS-H 的生成量大幅增加，C-S-H 具有物理吸附和化学结合氯离子的能力，因此随着养护龄期的增加，矿物掺合料混凝土的结合氯离子的能力也显著提高；综合来看，矿物掺合料混凝土在标准养护180 d后，混凝土结构更为致密，水泥基体的氯离子结合能力也大幅提高，致使混凝土氯离子扩散系数大幅降低。

2.2 因素极差分析

选取表3 中正交试验设计对应的第1 组～第9 组的混凝土RCM 测试结果作为研究对象，进行正交试验的极差分析，分析结果如表4所示。

表4 正交试验的极差分析Tab.4 Extreme Difference Analysis

由表4 可知，水胶比、粉煤灰和矿粉掺量、粉煤灰和矿粉掺量组合3 个因素中，水胶比对应的极差值R最大，粉煤灰和矿粉掺量对应的R 值次之，粉煤灰和矿粉掺量组合对应的R 值最小。这说明，上述3 个因素中，水胶比对标准养护180 d 后混凝土氯离子扩散系数的影响最为显著，粉煤灰和矿粉掺量、粉煤灰和矿粉掺量组合对氯离子扩散系数的影响次之。这主要是由于表3 中水胶比对应的因素水平为0.30～0.40，在该范围内混凝土氯离子扩散系数存在明显差异；粉煤灰和矿粉掺量对应的因素水平为50%～70%，此时混凝土中的水泥含量大幅减少，矿物掺合料的水化程度无显著差异；因此，在标准养护180 d后，水胶比、粉煤灰和矿粉总掺量、粉煤灰和矿粉掺量组合都会影响混凝土氯离子扩散系数，水胶比是影响混凝土氯离子扩散系数的主要因素。

2.3 因素水平趋势分析

分别以水胶比、粉煤灰和矿粉掺量、粉煤灰和矿粉掺量组合的因素水平作为横坐标，以180 d 氯离子扩散系数测试结果的平均值作为纵坐标，绘制因素水平的趋势，如图3所示。

图3 正交试验因素水平趋势Fig.3 Factor Level Trend for Orthogonal Experiment

由图3可知，随着水胶比的增大，标准养护龄期为180 d 对应的混凝土氯离子扩散系数逐渐增大；随着粉煤灰和矿粉掺量的增大，混凝土氯离子扩散系数逐渐减小；粉煤灰掺量与矿粉掺量的比例为1∶1时，混凝土氯离子扩散系数达到最小值。这主要是由于矿粉为潜在水硬性材料，在碱性环境下自身就可以水化，性质与水泥相似，可以有效改善水泥颗粒的级配，提高混凝土的密实度；粉煤灰和矿粉的比例相同时，由水泥、粉煤灰、矿粉构成的三元胶凝体系的颗粒级配更为合理，粉煤灰和矿粉的二次水化反应可以相互促进，生成了数量更多的低钙硅比的C-S-H 凝胶，有效填充了水泥基体的粗大孔隙结构，减小了孔隙的连通，增大了孔隙的弯曲度。因此，在混凝土强度满足要求的前提下，矿物掺合料混凝土宜选用粉煤灰和矿粉复合掺加，其掺量比例为1∶1。

选取水胶比为0.35 的9 组试验数据，分别以粉煤灰和矿粉掺量、粉煤灰和矿粉掺量组合的因素水平为横坐标，以180 d 混凝土氯离子扩散系数的测试结果作为纵坐标，可得析因试验设计对应的因素水平的趋势，如图4所示。

图4 析因试验因素水平趋势Fig.4 Factor Level Trend for Factorial Experiment

由图4可知，随着粉煤灰和矿粉总掺量的增加，混凝土氯离子扩散系数均呈现出逐渐下降的趋势，总掺量越大，下降的趋势越明显；粉煤灰和矿粉复合掺量分别为50%和60%时，粉煤灰和矿粉掺量组合对混凝土氯离子扩散系数影响不显著，当粉煤灰和矿粉复合掺量达到70%时，粉煤灰和矿粉掺量组合对混凝土氯离子扩散系数有显著影响，粉煤灰和矿粉掺量比例为1∶1时，混凝土氯离子扩散系数达到最小值。

3 结论

基于正交设计和析因试验设计原理，设计制备了15 组不同配合比的混凝土，在标准养护180 d 后测试了混凝土的氯离子扩散系数，并对其影响因素进行了系统的分析，分析结果表明：

⑴ 标准养护180 d 后，矿物掺合料混凝土的密实程度大大提高，具有较强的抗氯离子渗透能力；

⑵水胶比是影响标准养护180 d 混凝土氯离子扩散系数的最主要因素，粉煤灰和矿粉总掺量、粉煤灰和矿粉掺量组合是次要影响因素；

⑶粉煤灰和矿粉复合掺量高达到70%时，粉煤灰和矿粉掺量组合对混凝土氯离子扩散系数有显著影响；当粉煤灰和矿粉掺量比例为1∶1时，混凝土氯离子扩散系数达到最小值。