矿物掺合料对沿海地区结构混凝土耐久性影响规律研究

谭虓隆 ，刘云凯，李晓岩，王莹

（1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611730；2.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；3.中南勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430073）

1 引言

在沿海及盐湖地区，混凝土结构容易受到海水中氯离子及硫酸根离子侵蚀渗透所造成的破坏。国内外学者分析了侵蚀机理：扩散前期，氯离子和硫酸根离子相互牵制，氯离子扩散速率快，率先渗透侵蚀，与AFm反应生成Friedel盐，抑制其他离子扩散；随着扩散时间的增加，硫酸根离子逐渐扩散，分解Friedel盐并与AFm反应生成AFt；扩散后期，随着膨胀性产物钙矾石的增加，混凝土出现膨胀劣化，增大氯离子及硫酸根离子扩散速率。

为减小离子侵蚀造成的破坏，适量的粉煤灰和矿渣粉取代水泥有利于提高抗离子侵蚀能力。余红发等发现随矿渣粉取代水泥量的增加，混凝土对Cl的化学结合能力并非一直增加，而是呈现先增大后减小的趋势。金祖权等发现矿渣的掺入提高了净浆的氯离子结合能力，0～35%的粉煤灰能提高混凝土结合氯离子量。为进一步探究造成粉煤灰和矿渣粉对混凝土抗氯离子和硫酸根离子侵蚀能力的影响程度及机理，本文选用不同配合比进行试验，系统分析粉煤灰与矿渣粉对混凝土力学性能、抵抗氯离子渗透扩散与硫酸盐侵蚀性能的影响规律，相关研究成果将为沿海地区地下结构混凝土的组成与应用提供相关重要依据。

2 试验

2.1 原材料及配合比

试验采用 P.O42.5普通硅酸盐水泥，具体数据见表1。

水泥化学成分（wt.%） 表1

试验采用两种矿物掺合料，其主要成分为FeO、SiO、CaO、AlO等，其中粉煤灰的SiO、AlO占比最大，所占含量分别为 52.54%、33.26%；矿渣粉的SiO、CaO占比最大，所占含量分别为32.5%、43.56%，其他指标如下所示。

①粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰，其主要的技术指标见表2。

粉煤灰技术指标 表2

②矿渣粉：S95级矿渣粉，其主要技术指标见表3。

磨细矿渣粉技术指标 表3

试验细集料采用巴河黄砂；选用的粗集料为石灰岩碎石，粒径级配为5mm～25mm。

试验选取单掺及复掺进行配合比设计，单掺掺量为10%、25%、30%，复掺掺量为10%+10%、20%+20%。具体配合比见表4。

混凝土配合比（单位：kg/m3） 表4

2.2 试验方法

①氯离子扩散试验

该试验采用NEL法，其系数计算式为：

式中：

d

—氯离子扩散系数，m/s;

R

—气体常数，为8.314J/mol·k；

T

—绝对温度，K；

σ

—饱盐混凝土的电导率，S/m；

F

—法拉第(Faraday)常数，为96500C/mol；

C

—饱盐混凝土孔隙溶液的氯离子浓度，为4.0×10mol/m；

f

—修正系数，通常可以取1.0。

②抗硫酸盐侵蚀试验

试验选用40mm×40mm×160mm的试件，溶液 1、2 分别为：水和 13.4g/lNaCl、1.72g/lNaSO混合，试件分别浸泡时间28d、56d、128d，测定抗压强度。

其中：

R

为侵蚀液中养护的试体抗压强度，

R

为水中养护的试体抗压强度。

3 结果与讨论

3.1 力学性能

表5为水泥砂浆试件浸泡到纯水中养护28d的抗压强度。由表5可知，配合比A2～A9试件的28d抗压强度都要高于配合比A1试件，粉煤灰和矿渣粉掺入后，砂浆试件的抗压强度都有所提升，但抗压强度提升的程度不同。

抗压强度 表5

单掺粉煤灰的A2～A4试件中，A3试件的抗压强度最高，25%掺量的粉煤灰更有利于提高砂浆的力学性能，但30%掺量的试件抗压强度降低。由于粉煤灰中含70%以上的玻璃微珠，能改善拌合物的流变性质及初始结构，起到减水致密的作用，并且粉煤灰中活性SiO、活性AlO和f-CaO(游离氧化钙)都是活性的有利成分，对粉煤灰早期强度的发挥起到一定作用。粉煤灰早期活性较低，加入水泥砂浆28d后的活性较小，取代30%的水泥并不利于试件早期的水化反应，导致试件28d的力学性能下降明显。

配合A5～A7试件中，随着矿渣粉取代量的增加，试件抗压强度逐渐提高。矿渣粉的粒径要小于其他骨料，能够改善粒径级配，取代部分水泥能加速水化反应，矿渣粉的早期活性要优于粉煤灰，能够在早期与氢氧化钙发生火山灰效应，改善微观结构及密实度，从而提高力学性能。

配合比A8、A9为粉煤灰和矿渣粉复掺，配合比A8试件的抗压强度大于配合比A2、A5试件，配合比A9试件的抗压强度大于配合比A8试件，粉煤灰和矿渣粉的取代量各为20%更有利于提升水泥砂浆的抗压强度。矿渣粉和粉煤灰复合掺入水泥砂浆，能更好改善水泥砂浆的粒径级配，矿渣粉与水泥发生二次水化反应，并与粉煤灰产生复合火山灰效应，更好提高早期力学性能。

3.2 抗氯离子侵蚀

粉煤灰取代部分水泥后的氯离子扩散试验结果见图1(a)。粉煤灰减小了氯离子扩散系数，取代量为25%时，系数最小，当取代量增大到30%时，系数呈增加趋势。在28d龄期，粉煤灰能改善混凝土微观结构，提高混凝土的密实度，从而改善混凝土的抗氯离子侵蚀性能，随着浸泡龄期的增加，粉煤灰的火山灰活性开始被水泥水化碱性产物激发，与水泥水化产物发生二次水化反应，生成C-S-H凝胶等产物，进一步促使混凝土微观结构致密，同时，该水化产物能增强氯离子的物理吸附作用，从而减小结构内氯离子浓度。

图1 氯离子扩散系数相关实验结果

矿渣粉对氯离子扩散试验结果的影响见图1(b)。由配合比A5～A7试件的试验数据可知，在相同浸泡龄期下，矿渣粉加入水泥后，混凝土的氯离子扩散系数有所下降，掺量越大，下降越为明显。试验结果表明，矿渣粉取代水泥后，取代量为30%效果最佳，有利于提高混凝土抗氯离子侵蚀性能。矿渣粉取代部分水泥后，28d龄期就能展现出其提高混凝土抗氯离子侵蚀性能的优良性能，矿渣粉早期就可以与水泥水化产物发生二次水化反应，随着浸泡龄期的增加，C-S-H凝胶逐渐增多，提高混凝土密实度，并且有利于混凝土吸附更多的氯离子，从而减小内部氯离子浓度。

粉煤灰和矿渣粉取代相同分量水泥后，混凝土抗氯离子侵蚀现象更为明显，其复掺的混凝土氯离子扩散系数与浸泡龄期的关系如图1(c)所示。氯离子扩散系数随着复合取代量的增大而减小。试验结果表明：复合取代后，混凝土的抗氯离子侵蚀性能有所改善，并且改善效果更明显。粉煤灰和矿渣粉取代水泥会发生复合火山灰效应，能够发挥其各自优势，提高混凝土抗氯离子侵蚀性能。

3.3 抗硫酸根离子侵蚀

配合比A1-A9试件分别浸泡到溶液1、溶液2中，测量28d、56d、128d试件的抗蚀系数，试验结果如图2所示。

图2 抗蚀系数相关实验结果

粉煤灰取代不同含量水泥后，相应混凝土的抗蚀系数如图2(a)所示。粉煤灰取代部分水泥后，混凝土抗蚀系数增大，随着侵蚀龄期的增加，其抗蚀系数下降速率减缓。在相同浸泡龄期下，25%取代量的粉煤灰混凝土抗蚀系数最高。随着浸泡龄期的增加，粉煤灰的火山灰活性逐渐被碱性物质激发，生成较多CS-H凝胶，由于C-S-H凝胶较氯离子更易吸附硫酸根离子，因此，粉煤灰代替部分水泥加入混凝土中更利于其抵抗硫酸根离子侵蚀。

图2(b)为矿渣粉影响混凝土抗蚀系数的结果。矿渣粉取代水泥后，配合比A5～A7试件的抗蚀系数都有所提升，且A7试件的抗蚀系数提升最大。试验结果表明：矿渣粉提高了混凝土的抗硫酸根离子侵蚀系数，提升混凝土抵抗氯离子侵蚀破坏的性能，30%取代量提升该性能最为明显。矿渣粉中的CaO含量要远大于水泥，矿渣粉取代部分水泥后，发生火山灰反应，生成的C-S-H凝胶不仅能物理吸附硫酸根离子，更能改善混凝土内部微观结构，从而提升抵抗硫酸根离子侵蚀的性能。

粉煤灰和矿渣粉复合取代水泥后，抗蚀系数结果如图2(c)、图2(d)所示。结果表明：复合取代的混凝土抗蚀系数提升明显，10%+10%的复掺混凝土抗蚀系数高于两种掺合料10%单掺的混凝土，取代量为20%+20%的混凝土抗蚀系数最大。结果表明：复合取代水泥对提升混凝土的抗蚀硫酸根离子侵蚀效果更明显。粉煤灰和矿渣粉会在混凝土内部发生复合火山灰效应，促进更多C-S-H凝胶的产生，有利于混凝土吸附更多的硫酸根离子，减小硫酸根离子侵蚀破坏。

4 结论

①适量粉煤灰和矿渣粉取代水泥，混凝土的力学性能、抗离子侵蚀性能都有明显提升。

②粉煤灰和矿渣粉会在混凝土内部发生复合火山灰效应，促进更多C-S-H凝胶的产生，有利于混凝土吸附更多的离子，减小离子侵蚀破坏。

③通过相关室内试验结果表明，20%的粉煤灰与20%的矿渣粉复合掺加取代水泥后，混凝土抵抗氯离子渗透与抵抗硫酸盐侵蚀性能相对较好。