陈连发，陈 悦，李 龙，王 辰

(1．吉林化工学院材料科学与工程学院，吉林吉林132022;2．中国电器科学研究院有限公司 威凯检测家电事业部，广东广州510663;3．亚泰集团长春建材有限公司吉林市分公司，吉林吉林132002)

高性能轻集料混凝土作为高性能混凝土的一个支系，是采用粗糙微、细孔结构、渗透性能优异的轻集料和适当的配合比技术配制的轻集料混凝土，其抗氯离子渗透性能比同级别普通混凝土好，原因是轻集料的重量轻且表面粗糙多微、细孔，使每颗轻集料就像一台微小的水泵，此“微泵”效应，在混凝土成型初期，轻集料吸收水泥浆体中的一些水分，导致界面区水灰比下降，从而提高了水泥硬化体的密实度并加强了轻集料与水泥硬化体的界面过渡区域，在中、后期，轻集料颗粒中的微、细孔又会逐渐释放出水分，使水泥硬化体获得充分的养护，此过程改善了混凝土的孔隙结构，轻集料的微、细孔结构使其与水泥硬化体结构的界面密实度提高，使轻集料混凝土的抗渗透性能得到较大的改善［1-2］．通过调整混凝土中胶凝材料用量、水胶比、掺加高效减水剂和矿物掺合料可以有效地微细化混凝土孔隙结构、改善界面区粘结力、降低不利晶体相数量并提高混凝土的密实程度，从而提高混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力［3］．提高轻集料混凝土的抗渗透性能就可以有效地抵抗水和侵蚀性介质的侵入，使钢筋避免腐蚀和上锈，结构物的使用功能得以保证和延长了寿命．因此，抗氯离子渗透性能成为评价高性能轻集料混凝土耐久性的重要指标之一．

1 试验部分

1.1 原材料

(1)水泥:吉林亚泰水泥厂生产的鼎鹿牌P·O42．5级普通硅酸盐水泥;

(2)粉煤灰:吉化热电厂生产的I级粉煤灰，细度(45μm 筛)为 8．2%;

(3)矿渣:吉林联达高新建材厂生产的粒化高炉矿渣超细粉;

(4)轻集料:湖北宜昌宝珠陶粒有限公司生产的800级碎石型膨胀页岩陶粒．水泥、粉煤灰和矿渣的主要物理性能指标见表1和表2，轻集料的主要物理性能指标见表3;

表1 水泥主要性能指标

表2 原材料物理性质与化学组成

表3 轻集料基本性能指标

(5)细集料:普通河砂，细度模数Mx=3．0，堆积密度为1550 kg/m3，表观密度为2620 kg/m3，含泥量＜1%，II区级配;

(6)外加剂:上海花王萘系高效减水剂Mighty(粉状)，减水率 15% ～25%;SJ-2型引气剂;

(7)拌合水:自来水．

1.2 试验方法

试验按照《普通混凝土耐久性能试验标准》(GBJ 82-85)、《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51-2002)和(ASTMC 1202-97)标准进行，抗渗试验按照ASTMC 1202-97标准的快速试验方法一直流电量法进行测试，测定试样在80V电压下8 h内通过的电量，评价轻集料混凝土抵抗氯离子渗透性能，试验采用从150 mm×150 mm×150 mm立方体混凝土试件中钻芯取样，然后切割成Φ100 mm×50 mm的圆柱试样，试验研究了胶凝材料用量、砂率、粉煤灰掺量、粉煤灰与矿渣双掺和引气剂对轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的影响．

2 试验结果与讨论

2.1 配合比设计方案

试验配合比按照《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 51-2002)配合比设计方法中的松散体积法设计，为了与实际工程施工过程接轨，轻集料不进行预先吸水预湿，第一步先制定轻集料混凝土配合比:胶凝材料用量为550 kg/m3，有效水胶比为0．28，体积砂率为40%，I级粉煤灰采用等量取代，取代率为10%，减水剂掺入量取胶凝材料用量的0．5%．设此配合比(A2)作为基准，然后固定另外影响因素不变时，分别进行探讨胶凝材料用量、砂率、矿物掺合料以及引气剂掺量不同时对轻集料混凝土抗渗透性能和强度的影响．详细混凝土配合比及混凝土物理性能见表4所示．

表4 高性能轻集料混凝土试验配合比及混凝土性能

2.2 抗氯离子渗透性能测试研究与讨论

测试混凝土80V电压下8 h通过混凝土的电量来评价混凝土的氯离子渗透性能，通过电量与氯离子渗透性能的关系如表5所示．

表5 通过电量的氯离子渗透性能

2.3 胶凝材料用量对高性能轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的影响

以配合比A2为基准，在用水量160 kg/m3不变的条件下，通过调整胶凝材料用量以研究不同有效水胶比(0．26、0．28、0．3 和 0．32)对轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的影响．

图1 胶凝材料用量对混凝土抗氯离子渗透性的影响

由图1可见，随着胶凝材料用量的增加，有效水胶比下降，混凝土8 h库仑电量有所下降．胶凝材料用量从474 kg/m3增至582 kg/m3，轻集料混凝土28 d的8 h库仑电量由116℃降低至98℃，降幅为15．7%，氯离子渗透性能级别处于低与很低的交界区域．轻集料混凝土的抗氯离子渗透性能得以提高．原因在于用水量不变的条件下增加胶凝材料用量，相当于降低了轻集料混凝土中自由水的量，导致混凝土中的空隙率也降低，密实程度得以提高［4，5］，当胶凝材料用量增加至 550 kg/m3以后，轻集料混凝土各龄期的抗氯离子渗透性能提高幅度变化甚微，原因是随着胶凝材料用量的增加，混凝土的粘聚性能增大，但单纯靠增加水泥用量来改善水泥浆体与轻集料界面粘接处的结合情况十分有限．由此说明，单纯增加胶凝材料用量，降低有效水胶比并非是提高混凝土抵抗氯离子渗透能力的有效途径，过大的胶凝材料用量反而会产生较大的干缩变形、水化热高和较高的成本［6］．从表4中轻集料混凝土28 d抗压强度的结果也可以看出，胶凝材料用量超过550 kg/m3后，轻集料混凝土的强度增长很有限．因此，选择550 kg/m3的胶凝材料用量和0．28的有效水胶比即可以达到较高抗渗性和强度．

2.4 砂率对高性能轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的影响

砂率的合理选择既可以改善混凝土的工作性能和强度，还能提高混凝土的抗氯离子渗透性能．以基准配比(A2)为标准，按照松散体积法进行砂率计算，设轻集料和砂子总体积不变的条件下，探讨不同砂率与轻集料混凝土抗氯离子渗透性能和强度的影响．

图2 砂率对混凝土抗氯离子渗透性的影响

从图2的试验结果可见，随着砂率的增加，混凝土8 h库仑电量产生了一些波动，砂率在40% ～42%附近时可达到最低值，高于此值时，无论增加或者降低砂率，混凝土的8 h库仑电量都有所增加，尤其是砂率增至44%时，库仑电量值最大．分析原因是:细集料在一定范围内增多可以相应地提高混凝土的粘聚性，改善了水泥砂浆中的微细孔结构，使集料间的空隙得到更好的填充，轻集料用量相对减少，界面面积也就相应减小，导致混凝土总的氯离子扩散系数有所降低．然而过高的砂率很容易使混凝土出现分层离析和泌水现象的发生，严重影响混凝土的性能，抗氯离子渗透性能也会随之下降．而砂率过低也会造成细集料对粗集料的包裹不足，混凝土中空隙较多，抗氯离子渗透性能也变差;而高性能轻集料混凝土对流动性要求高．因此，在配制高性能轻集料混凝土时，应重视砂率的适宜选择，达到最佳配合比的目标．

2.5 矿物掺合料对轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的影响

2．5．1 粉煤灰掺量对轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的影响

在有效水胶比为0．28的条件下，单掺粉煤灰对抗氯离子渗透性能的影响的试验结果如图3所示．粉煤灰等量取代水泥能较大幅度降低轻集料混凝土8 h的库仑电量，且随粉煤灰掺入量的增加，轻集料混凝土8 h库仑电量有较大的降低，28 d单掺粉煤灰的轻集料混凝土较不掺粉煤灰混凝土降低了99℃以上，降幅超过47%，抗氯离子渗透等级从“中等级别”降到“低等级别”水平．

图3 粉煤灰掺量对抗氯离子渗透性的影响

图4 粉煤灰与矿渣对抗氯离子渗透性的影响

原因是粉煤灰的形态效应和微集料效应发挥的作用，粉煤灰的掺入减少了用水量，填充水泥颗粒间的空隙导致空隙率的降低、同时使胶凝材料体系的颗粒分布更加合理，堆积密实度提高［7］:并且随着水泥水化反应的进行，粉煤灰的活性成分与水泥水化析出的氢氧化钙反应，生成了比较稳定的硅酸钙水化物，填充了毛细孔和其它孔隙，使轻集料混凝土结构更加密实［8］．此水化物有助于强度的增长，其中一部分浆体颗粒还会渗入轻集料表面的空洞和间隙中，随着水化龄期的延长，轻集料与水泥硬化体之间的界面区域也得到了改善和强化，结构更加致密化，有效地延长了毛细微孔通道，导致轻集料混凝土抗氯离子渗透性能大大增加．可见，粉煤灰是配制高抗渗性高性能轻集料混凝土的必备材料，粉煤灰的掺量存在一个最佳值范围，原因是还必须考虑到混凝土的工作性能及对强度的影响，综合考虑各方面影响因素后可以得出:10%的粉煤灰掺量是最优的掺量，此掺量既可以保证较高的抗氯离子渗透性能又对其抗压强度影响较小．

2．5．2 粉煤灰与矿渣双掺掺量对轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的影响

矿渣细粉是炼铁的副产品．机械磨细获得的，物相以玻璃体为主，因此具有很高的活性．矿渣和粉煤灰复合作为混凝土的掺合料，不仅可提高混凝土的工作性能和强度，也进一步改善了混凝土的抗氯离子渗透性能．

试验配合比以A2为基准，比较了CI(空白)、D1(10%矿渣)、D3(5%粉煤灰+5%矿渣)及D2(10%粉煤灰+10%矿渣)4组配合比28 d，56 d、90 d 3个不同指定龄期的8 h库仑电量值，如图4所示．结果表明:随着掺合料掺量的增加，混凝土8 h库仑电量有所降低，其中粉煤灰和矿渣复合双掺可以显著降低轻集料混凝土的8 h库仑电量，D2组混凝土28 d的8 h库仑电量只有721．7C，仅为空白组混凝土Cl的35%;而单掺矿渣对提高轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的效果没有单掺粉煤灰大，而且随着龄期的增加其抗氯离子渗透性能提高也不明显;对于相同掺合料取代率的轻集料混凝土，粉煤灰与矿渣双掺比单掺的抗氯离子渗透效果要好，且随着龄期的增长，各组轻集料混凝土的8 h库仑电量值均有不同程度的降低，抗氯离子渗透性能都有所提高．

粉煤灰和矿渣的双掺，不仅由于二者的细度不同能相互填充空隙，产生复合的填充效应，使混凝土密实度提高，而且能改善水泥硬化体中胶凝材料的组成结构，发挥粉煤灰和矿渣的复合效应，使火山灰反应更加充分，水泥硬化体的结构更加致密，并优化轻集料表层结构，随着掺合料被轻集料的吸入和水化程度的增加，混凝土渗透孔道大大减少，轻集料混凝土的抗氯离子渗透性能得以提高［9，10］．总之，粉煤灰与矿渣复合双掺能有效提高轻集料混凝土抗氯离子渗透性能，是配制高性能轻集料混凝土必不可少的原材料．

2.6 引气剂对轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的影响

改变引气剂掺量来探索不同含气量对轻集料混凝土抗氯离子渗透性能的影响．引气剂的掺量分别取占胶凝材料的0‰、0．05‰和0．1‰，而混凝土含气量分别为 1．3‰，3．8‰和 7．5‰．试验结果如图5所示．

图5 引气剂掺量对混凝土渗透性的影响

由图 5可见:引气剂掺量由 0‰增加到0．05‰时，轻集料混凝土8 h库仑电量值有明显降低，而当引气剂掺量继续增大到0．1‰后，混凝土的8 h库仑电量却有不同程度的增加，28 d从854 C增加到1 147 C，增幅达33%，而56 d库仑电量增幅更高，达到1．4倍．由此可见，对于轻集料混凝土抗氯离子渗透性能，引气剂掺量和混凝土含气量存在一个最佳值，可使轻集料混凝土达到良好的抗渗透性能．在轻集料混凝土中掺入适量的引气剂后，会在混凝土内部产生一定量均匀、稳定而封闭的微小气泡，填充到集料间的空隙，轻集料之间的联系被切断，从而提高了混凝土的均质性和密实性，减少了混凝土的渗透性系数．另外，适量引气还可减小水泥浆体与轻集料间的密度差，使二者的弹性模量接近，变形协调性能有所提高，界面区域缺陷减少，使轻集料混凝土整体表现出较好的抗渗性［11］．但是随着引气剂掺量的增大，混凝土含气量增加到某个极限后，气泡对混凝土的润滑作用增大，使混凝土的流变性增大，导致振捣时集料和砂浆之间很容易产生分离，轻集料会出现明显的上浮现象，使轻集料混凝土的密实性降低、强度下降［12］．因此，控制引气剂的掺量对混凝土的抗氯离子渗透性及耐久性是有益处的．

3 结 论

(1)高性能轻集料混凝土的抗氯离子渗透性能与胶凝材料用量、水胶比、砂率、矿物掺合料以及外加剂有直接关系，与普通混凝土和轻集料混凝土相比，高性能混凝土具有更优良的抗渗性能，且随龄期的增长不断增强;掺入矿物掺合料和适量的引气剂可以改善轻集料混凝土的抗渗透性能;粉煤灰和矿渣复合双掺可以很好地发挥复合填充效应和增强效应，对混凝土抗渗透性能的提高颇为有效．随着胶凝材料用量的增加，轻集料混凝土的抗氯离子渗透性能有所提高，选择合适的胶凝材料用量和水胶比可以达到较好的抗氯离子渗透性能．

(2)砂率在适当范围内的增加，可以提高混凝土的抗氯离子渗透性能，但砂率过大容易产生泌水现象，应选择合理砂率．矿物掺合料是配制高性能轻集料混凝土的必备条件．单掺粉煤灰可以大幅度提高轻集料混凝土的抗氯离子渗透性能，效果比单掺矿渣要好;粉煤灰和矿渣复合双掺可以较好地发挥复合填充效应和增强效应，其抗氯离子渗透性能更好．加入适量的引气剂能改善轻集料混凝土的孔结构，提高混凝土密实度和抗氯离子渗透性能，但引气剂掺量不宜过大．

［1］ Lo Y T，Gao X F，Jeary A P．Microstructure of pre-wetted aggregate on lightweight concrete［J］．Building and Environment，1999，34(6):759-764．

［2］ Gao X F，Lo Y T，Tam C M．Investigation of microcracks and microstructure of high performance lightweight aggregate concrete［J］．Building and Environment，2002．37(5):485-489．

［3］ 洪定海．混凝土中钢筋的腐蚀与防护［M］．北京:中国铁道出版社，1998．

［4］ 杨正宏，史美伦，丁哗，等．新型建筑材料技术与发展——中国硅酸盐学会2003年学术年会新型建筑材料论文集［C］．北京:中国建材工业出版社，2003

［5］ 黄兆龙，洪盟峰，蔡昌红．高性能轻骨料混凝土的电阻及氯离子电渗性之研究［J］．建筑材料学报，2005，8(4):341-348．

［6］ 翟红侠，廖绍锋．高强轻混凝土高强机理分析［J］．粉煤灰，1999(5):19-21．

［7］ 宋宏伟，曹永民，卞利军，等．高性能轻集料混凝土的力学性能和抗渗性研究［J］．混凝土，2003(1):25-28．

［8］ 谢友均，刘宝举，刘伟．矿物掺合料对高性能混凝土抗氯离子渗透性能的影响［J］．铁道科学与工程学报，2004，1(2):46-51．

［9］ 刘娟红，宋少民．粉煤灰和磨细矿渣对高强轻骨料混凝土抗渗及抗冻性能的影响［J］．硅酸盐学报，2005，33(4):528-532．

［10］王发洲，胡曙光，丁庆军，等．大流动性高强轻集料混凝土的研究［J］．武汉理工大学报，2004，3(3):30-32．

［11］王发洲．高性能轻集料混凝土研究与应用［D］．武汉:武汉理工大学，2003．

［12］ Lo Y T．Gao X F，Jeary A P．Microstructure of pre-wetted aggregate on lightweight concrete［J］．Building and Environment．1999．34(6):759-764．