膨润土掺量和水胶比对水工混凝土抗渗透性能的影响研究

李秀阳

（朝阳市喀左县平房子水利服务站，辽宁 朝阳 122300）

由于特殊的运行环境，水工混凝土普遍面临着一定程度的渗透性问题，大大影响着基础设施和工程结构的耐久性能，长期以往导致水库大坝等服役年限缩短，维修费用明显提高[1]。目前，水工混凝土的渗透性问题越来越引起国内外学者的重点关注，有学者提出增强混凝土氯离子渗透阻力的有效方法是掺入适量的矿物掺合料，而降低氯离子渗透深度的有效途径是适当减小水胶比；也有学者在混凝土中加入膨润土，有利于降低水渗透系数并增强其黏聚力，掺入膨润土能够堵塞混凝土的内部孔隙，从而增强其抗渗性[2-3]。因此，增强混凝土抗氯离子渗透性的有效措施是掺加矿物掺合料和减小水胶比，而增强其抗水渗透性的主要方法是掺加膨润土。然而，现有研究较少考虑低水胶比水工混凝土中掺膨润土的抗气体渗透性，并且Cl-、CO2等有害离子和气体的渗透是造成内部钢筋锈蚀的关键原因，增强抗气体渗透性可以有效预防钢筋锈蚀，延长水工结构服役年限，故研究低水胶比水工混凝土中掺膨润土的抗气体渗透性具有重要意义[4-5]。

目前，比较常见的试验方法有氯离子、气体和水渗透试验，水渗透法具有时间过长、测试精度低等缺陷，而氯离子渗透和气体渗透法能够有效规避这些问题[6-8]。此外，由于试验条件不同这几种渗透性试验测试结果之间不能相互比较，有必要进一步探讨其抗氯离子渗透性与抗气体渗透性指标之间的相关性。鉴于此，本文研究了水工混凝土抗氯离子渗透性、抗气体渗透性受水胶比和膨润土掺量的影响，并分析了掺膨润土混凝土的微观结构以及两种抗渗透性能相关性，以期为低水胶比水工混凝土中膨润土的应用提供一定数据支撑。

1 试验方法

1.1 原材料准备

水泥：大连天瑞水泥有限公司生产的P·O 42.5级水泥；粉煤灰：绥中电厂生产的Ⅱ级粉煤灰；矿粉：本溪万泉S95级矿粉，比表面积为460m2/kg；膨润土：建平县中毅有限公司生产的钙基膨润土，主要性能指标如表1所示；粗细骨料选用细度模数2.5的天然河砂和5～20mm连续级配人工碎石；外加剂选用苏博特PCA®-Ⅰ聚羧酸减水剂，减水率28%，含固量40%。

表1 膨润土的主要性能指标

1.2 试验配合比

依据《水运工程混凝土施工规范》中的规定合理设计水工混凝土配合比，如表2所示。采用膨润土等量替代基准配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，对0%、3%膨润土掺量且水胶比0.36基准组，通过适当增大或减小用水量把水胶比调整成0.30、0.40，通过控制减水剂掺量将拌合物坍落度调整到180～220mm范围内，测试结果见表3。

表2 基准配合比设计 kg/m3

表3 拌合物扩展度与坍落度

水胶比 减水剂/% 膨润土/% 扩展度/mm 坍落度/mm 0.40 1.2 3 405 190

1.3 试验方法

1.3.1气体渗透试验

本试验利用气体渗透法配制300mm×150mm×150mm试件，试验选用透气性测试仪(TORRENT Permeability Tester)对标养28d后的水工混凝土试样进行测试，采用渗透深度L和渗透系数KT评定抗气体渗透性。

1.3.2 抗氯离子渗透试验

试验配制φ100mm×50mm试件，利用规范推荐的电通量法对标养28d后的水工混凝土试样进行测试，以6h内通过的电流值和总电通量评定抗氯离子渗透性。

1.3.3 扫描电镜(SEM)微观试验

水工混凝土微观结构拟利用S4800型扫描电镜(SEM)进行观测，试验过程中严格按扫描电镜操作手册执行。

2 结果与分析

2.1 抗气体渗透性能

1） 膨胀剂掺量的影响。采用膨润土等量替代基准配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，控制拌合物坍落度处于180～220mm范围内，标养28d后测试各组试样的抗气渗透系数以及渗透深度，水工混凝土抗气体渗透性能受膨润土掺量的影响如图1所示。

图1 不同膨润土掺量的抗气体渗透性

从图1可以看出，在不改变拌合物和易性的情况下，水工混凝土的气体渗透深度和渗透系数均随着膨润土掺量的增大表现出先减小后增大的趋势，较基准组的气体渗透系数掺1%、3%、5%膨润土组依次减小了28.6%、57.1%、31.0%，渗透深度依次减小了12.6%、30.2%、19.9%。水工混凝土中掺3%膨润土时，其气体渗透深度和深度系数减小幅度最大，掺7%的膨润土组大于基准组气体渗透深度和渗透系数。

对于未掺膨润土的水工混凝土，加入的复合矿物掺合料在一定程度上降低了其内部相互连通的孔隙数量，有效改善了水泥石的结构和整体抗气体渗透性。此外，膨润土的加入能够发挥一定的膨胀性，对填充混凝土内部孔隙以及抑制外部气体的渗透发挥着积极作用。因此，水工混凝土中掺入适量的膨润土能够有效增强其抗气体渗透性。然而，掺量过高时膨润土会吸收许多的水分，其自身释放的水分无法维持水泥的进一步水化，对水泥水化造成不利影响，致使内部孔隙增多，抗气体渗透性有所下降[9]。

2）水胶比的影响。对0%、3%膨润土掺量且水胶比0.36基准组，通过适当增大或减小用水量把水胶比调整成0.30、0.40，控制拌合物坍落度处于180～220mm范围内，标养28d后测试各组试样的抗气渗透系数以及渗透深度，水工混凝土抗气体渗透性能受水胶比的影响如图2。

图2 不同水胶比的抗气体渗透性

从图2可以看出，在不改变拌合物和易性的情况下，水工混凝土的气体渗透深度和渗透系数均随着水胶比的增大而增大。膨润土掺量0%时，较水胶比0.4的气体渗透深度和渗透系数水胶比0.30、0.36组依次减小了35.0%、12.8%和73.6%、47.3%；膨润土掺量3%时，较水胶比0.4的气体渗透深度和渗透系数水胶比0.30、0.36组依次减小了52.5%、33.6%和72.5%、55.0%，并且基准组的气体渗透深度和深度系数均高于掺3%膨润土的各水胶比组。水胶比为0.30时，膨润土掺量为3%组的气体渗透深度和渗透系数达到最小。

水工混凝土内部的游离水随着水胶比的增大而增多，游离水的蒸发损失使得混凝土硬化过程中形成许多孔隙[10]。混凝土中大孔径的孔含量也会随着水胶比的增加而增多，内部贯通孔数量也随之升高，这些孔隙使得抗气体渗透性能明显下降。

2.2 抗氯离子渗透性能

1） 膨胀剂掺量的影响。采用膨润土等量替代基准配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，控制拌合物坍落度处于180～220mm范围内，标养28d后测试各组试样的电通量和电流值，抗氯离子渗透性受膨润土掺量的影响如图3所示。

图3 不同膨润土掺量的抗氯离子渗透性

从图3(a)可以看出，在不改变拌合物和易性的情况下，水工混凝土的电通量随着膨润土掺量的增加表现出先减小后增大的趋势，电通量在3%膨润土掺量时达到最小。从图3(b)可以看出，在相同膨润土掺量的条件下，通过水工混凝土的电流值随通电时间的延长逐渐增大，而后趋于稳定并小幅减小。未掺膨润土组的电流值始终保持最高，变化幅度也最大，膨润土的掺入有效降低了电流值，并且随膨润土掺量的升高通过混凝土的电流值呈现出先减小后增大的趋势，3%膨润土组的电流值降幅最高。

在掺矿粉和粉煤灰的情况下再加入膨润土，掺加的复合矿物掺合料有利于减小试样内部孔隙率，再加入膨润土可以减小内部较大孔径的孔隙，进一步降低了混凝土孔隙率。同时，膨润土有利于促进离子交换，Mg2+离子可以取代膨润土结构中的Al3+，促使复层间形成负电荷并对Cl-产生斥力，渗透阻力明显增大，有效降低渗透速率[11]。但是内部的孔隙数量有限，膨润土掺量继续增加使得孔隙被填充饱和，而未参与反应的多余膨润土会吸水膨胀影响水泥水化，从而增大了内部孔隙率，水工混凝土抗氯离子渗透性有所下降。

2）水胶比的影响。对0%、3%膨润土掺量且水胶比0.36基准组，通过适当增大或减小用水量把水胶比调整成0.30、0.40，控制拌合物坍落度处于180～220mm范围内，标养28d后测试各组试样的电通量和电流值，水工混凝土抗氯离子渗透性能受水胶比的影响如图4所示。

图4 不同水胶比的抗氯离子渗透性

从图4(a)可以看出，在不改变拌合物和易性的情况下，水工混凝土的电通量随着水胶比的减小而下降，基准组的电通量均高于掺3%膨润土个水胶比组，电通量在水胶比0.30时达到最小。从图4(b)可以看出，在相同水胶比的条件下，通过水工混凝土的电流值随通电时间的延长逐渐增大，而后趋于稳定并小幅减小。水胶比为0.4组的电流值始终保持最高，通过试样的电流值随水胶比的减小明显下降，并且随着水胶比和电流值的减小，基准组的最终电流值均高于掺3%膨润土各水胶比组，掺3%膨润土水胶比0.30组的电流值最小。

水工混凝土内部孔结构受水胶比的影响显著，水胶比越小则水化越彻底，内部孔隙越小，水工混凝土密实度就越高。减小水胶比有利于堵塞结构内部通道，抑制氯离子的传输，从而增强抗氯离子渗透阻力；增大水胶比，在硬化过程中会增加内部的大孔数量，加速氯离子的扩散，从而使得抗氯离子渗透性有所下降[12]。

2.3 气体渗透与氯离子渗透的相关性

水工混凝土抗氯离子渗透性和抗气体渗透性之间的相关性，如图5所示。由图5可知，电通量与气体渗透系数之间的相关系数R2为0.9615，电通量与气体渗透深度之间的相关系数R2为0.7825，且电通量与气体渗透系数的相关性大于与气体渗透系数。根据R2＞0.90呈显著相关，0.50＜R2≤0.90呈中度相关的有关标准，电通量与气体渗透系数呈显著正相关，电通量与渗透深度呈中度正相关。氯离子渗透和气体渗透之间的相关性良好，电通量随渗透深度和渗透系数的减小呈下降趋势。水工混凝土的内部孔隙越少，结构越密实，则渗透到内部的氯离子和气体就越少，相应的电通量和气体渗透系数也就越小。膨润土掺量为7%，基准组的气体渗透深度和渗透系数均低于试验组，而基准组的电通量高于试验组，究其原因是矿物掺合料的加入具有吸附氯离子的能力，从而降低了游离氯离子量，但电通量与气体渗透系数呈显著相关性且氯离子渗透和气体渗透趋势大致相同[13]。

图5 抗氯离子渗透与抗气体渗透的相关性

2.4 微观结构分析

采用膨润土等量替代基准配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，经水化28d后利用扫描电镜观察其内部结构。结果发现，未掺膨润土组存在大量相互搭接的纤维状水化硅酸钙凝胶，内部孔隙较多；掺3%膨润土时，内部孔隙明显减少，这是由于膨润土吸水膨胀后堵塞内部孔隙，混凝土孔隙率明显下降；掺7%膨润土时，部分纤维状结晶相互分散且被包裹，这是因为过多的膨润土吸附了大量水分，阻碍了水泥水化，使得内部C-S-H凝胶量减少，结构密实度以及C-S-H的搭接程度下降，水工混凝土抗氯离子渗透性和抗气体渗透性变差。由于膨润土的离子交换性能及其对水化产物的包裹作用可以有效地延缓氯离子扩散，相较于抗气体渗透性其抗氯离子渗透性更优。

3 结 论

1）水工混凝土的气体渗透深度和渗透系数均随着膨润土掺量的增加表现出先减小后增大的趋势，气体渗透深度和渗透系数最低组是掺3%膨润土组。水工混凝土的气体渗透深度和渗透系数均随着水胶比的减小而下降。

2）基准组的电流值和电通量高于掺膨润土试验组，其中掺3%膨润土组的电流值和电通量最低，适当减小水胶比有利于增强抗氯离子渗透性。

3）水工混凝土的电通量与气体渗透系数呈显著正相关性，掺入适量的膨润土可在一定程度上降低水工混凝土孔隙。