矿物掺合料对自密实混凝土耐久性的影响

2012-11-17蔡宪功

中国科技信息 2012年14期

关键词：矿粉胶凝扩散系数

蔡宪功

深圳市鑫盛源建设工程质量检测有限公司，广东深圳 518055

矿物掺合料对自密实混凝土耐久性的影响

蔡宪功

深圳市鑫盛源建设工程质量检测有限公司，广东深圳 518055

采用快速氯离子迁移法研究了矿物掺合料对自密实混凝土工作性能和氯离子扩散系数的影响，结果表明:对于单掺粉煤灰混凝土试件，氯离子扩散系数随粉煤灰含量的提高先减少后增加，28天龄期时粉煤灰含量为30%的试件氯离子扩散系数最低，而90天龄期时粉煤灰含量为40%的试件氯离子扩散系数最低；对于单掺矿粉混凝土试件，氯离子扩散系数随胶凝材料中矿粉含量的提高而降低，当矿粉含量由50%增加至60%时氯离子扩散系数降低的幅值并不明显。引起氯离子扩散系数变化的主要原因是不同的养护龄期下，不同掺量的掺合料对胶凝材料的水化程度的影响也不同。

矿物掺合料；自密实混凝土；耐久性

随着城乡建设的日益发展，混凝土已经成为现代工程结构的主要材料，目前高性能混凝土以其良好的工作性能、较优的力学性能和突出的耐久性能，在各类建筑工程中得到了广泛的应用，如公路工程、桥梁、高层建筑、海工工程、重要水工建筑物等。随着建筑技术的不断发展，各类工程在追求实用的同时，也在追求外部的美观，从而对混凝土的质量提出了更高的要求，如有些结构因配筋密集、形体复杂、薄壁等导致振捣困难，容易带来内部质量缺陷。而自密实混凝土的使用就可以解决这些问题。

自密实混凝土于20世纪80年代后期由日本首先发明并应用，其关键技术是通过掺加高效减水剂和矿物掺合料，在低水胶比条件下大幅度提高混凝土拌合物的流动性，同时保证混凝土拌合物具有良好的黏聚性和稳定性，防止泌水和离析。自密实混凝土在体形复杂、配筋密集、作业面狭窄、人工和机械手段均无法振捣的混凝土结构部位得到了广泛的应用。为了解自流实混凝土的耐久性能，我们对C50自密实混凝土进行了氯离子扩散系数试验，考察矿物掺合料对自密实混凝土耐久性的影响[1-2]。

1 自密实混凝土的设计原则和步骤

自密实混凝土对拌合物的工作性有严格要求，进行配合比设计时应首先考虑工作性问题。混凝土可以看作由骨料和胶凝材料浆体两相组成的混合体，浆体作为液相比固相骨料更容易流动，因此，浆骨比将是影响拌合物工作性的一个重要参数[3]。此外，砂比碎石更容易滚动但需水量较大，水胶比越大的浆体流动性越强但易产生泌水，掺合料不同也会对工作性产生影响。因此需要综合分析各因素作用，选择适当参数并合理取值计算配合比，同时还要考虑力学性能要求。

自密实混凝土配合比设计采取绝对体积法。首先把混凝土拌合物看作由固液两相组成的三层混合体系，液相比固相更易流动。因此，胶结料浆体、砂浆和混凝土中液相和固相的体积比就成了决定混凝土工作性的重要参数；设计配合比时，先将石子松散堆积，然后在石子孔隙中填充砂，再在砂石孔隙中填充胶结料浆体。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

水泥:配制自密实混凝土应优先选择C3A和碱含量小、标准稠度需水量低的水泥。研究选用珠江水泥厂生产的粤秀牌P.Ⅱ42.5R型硅酸盐水泥；粉煤灰符合Ⅱ级粉煤灰的要求，密度为2140 Kg/m3；矿渣为广东韶钢嘉羊矿渣粉S95，密度为2900 Kg/m3。广州产河沙，表观密度为2650 Kg/m3，细度模数为2.6，Ⅱ区级配。粗骨料为最大粒径20mm的复合级配碎石，5mm～10mm和10mm～20mm的比例为3:7，表观密度2660 Kg/m3。拌和用水为自来水。外加剂用江苏博特生产的聚羧酸高效减水剂。胶凝材料的化学成分见表1。

表1 原材料的化学成分

2.2 试验方法

2.2.1 试验方法

本试验采用快速氯离子迁移系数法（RCM法）来测定混凝土内的氯离子扩散系数[4]。将养护至一定龄期的圆柱体试件的表面浮浆层切除，再将试件切除至厚度为50mm±2mm，试件加工后用水砂纸打磨光滑，置于容器中进行真空饱Ca(OH)2溶液。试件饱水后用凉开水冲洗干净，再将试件装入橡胶套内的底部，并用不锈钢环箍将试件密封固定。将装有试件的橡胶套安装到试验槽中，安装好阳极板并在橡胶套中注入浓度为0.3mol/L的NaOH溶液，阳极板和试件表面均浸没于溶液中，在阴极槽中注入10%的NaCl溶液，并使其页面与橡胶套中的NaOH液面齐平。试验前应根据初始电流压值选择合适的电压值和测试的时间。试验结束后应及时断开电源并将试件取出冲洗干净，并在压力机上劈裂成两个半圆柱体，然后喷涂0.1mol/L的AgNO3溶液显色指示剂。

胶凝材料的水化程度采用测定浆体的化学结合水方法进行表征，具体的测试方法和测试过程可参考文献[5]。

2.2.2 混凝土配制及养护

根据CECS02-2004《自密实混凝土设计与施工指南》[6]中的相关要求，本试验的混凝土配合比见表2。按照所设计的配合比进行试验，在实际拌合过程中可以适当调整减水剂的用量或者拌合用水量来控制T500和Δh，使拌合物的性能满足自密实混凝土的要求。将符合性能要求的混凝土装入150 mm的立方体钢模和100 mm×100 mm的圆柱体钢模中成型，其中立方体试件用于测试混凝土的抗压强度，圆柱体试件用于测试氯离子在混凝土内的扩散系数。

2.2.3 混凝土基本性能

混凝土的基本性能见表2，新拌混凝土均无泌水现象。从该表可见，利用粉煤灰或矿粉取代部分水泥后，配置的自密实混凝土的扩展度大于600mm，T500≤5S，Δh≤30mm，自密实混凝土的流动性能和填充性能均满足要求。同时由该表可见，加入粉煤灰或矿粉等掺合料之后，降低了自密实混凝土的早期抗压强度，但混凝土的强度等级均满足C50的要求。

表2 混凝土配合比及混凝土的基本性能

3 试验结果及分析

3.1 粉煤灰含量对氯离子扩散系数的影响

胶凝材料中的粉煤灰含量对28天和90天龄期时自密实混凝土氯离子扩散系数的影响见图1所示。

图1 粉煤灰含量对混凝土氯离子扩散系数的影响

图2 矿粉含量对混凝土氯离子扩散系数的影响

由图1可见，粉煤灰取代部分水泥后，28天和90天龄期时自密实混凝土的氯离子扩散系数均低于纯水泥混凝土试件，且氯离子扩散系数随粉煤灰含量的提高而先减少后增加，氯离子扩散系数最低时混凝土试件的粉煤灰含量随试验龄期的不同而有差异，28天龄期时粉煤灰含量为30%的混凝土氯离子扩散系数最低，而90天龄期时粉煤灰含量为40%的混凝土氯离子扩散系数最低。其原因可能是粉煤灰的活性较低，少量的粉煤灰取代水泥后，粉煤灰在参与水化之前发挥了微集料效应，提高了混凝土的密实度；胶凝材料水化的早期主要是水泥的水化，当粉煤灰掺量过高后会降低混凝土的抗渗透性能，所以混凝土的氯离子扩散系数随粉煤灰掺量的提高而先减少后增加。随着水化龄期的延长，粉煤灰在发挥微集料效应的同时也发挥火山灰效应，所以氯离子扩散系数最低时混凝土试件的粉煤灰含量会随着试验龄期增加而适当增大。

3.2 矿粉含量对氯离子扩散系数的影响

胶凝材料中的矿粉含量对28天和56天龄期时自密实混凝土氯离子扩散系数的影响见图3所示。

由图3可见，矿粉取代部分水泥后，28天和90天龄期时自密实混凝土的氯离子扩散系数随掺合料中矿粉含量的提高而降低，当矿粉含量由50%增加至60%时，扩散系数变化的幅值并不明显。由于矿粉的活性较高，矿粉中玻璃态的活性铝和活性硅能与水泥水化产物发生反应，不仅可提高混凝土的密实度，同时可降低水泥石中的Ca(OH)2含量和取向，从而提高混凝土的抗氯离子渗透性能；此外，矿粉中含量大量的钙相和铝相，水化后生产的水化铝酸钙能与渗透到混凝土中的氯离子结合生成Friedel盐从而能有效地阻止氯离子的渗透[7]。

3.3 掺合料对胶凝材料水化程度的影响

粉煤灰和矿粉对28天和90天龄期时胶凝材料水化程度的影响分别见图3（a）和图3（b）所示。

图3 掺合料对胶凝材料水化程度的影响

由图4（a）可见，28天龄期时粉煤灰含量为30%的硬化浆体的水化程度最高，而90天龄期粉煤灰含量为40%的硬化浆体的水化程度最高。由图4（b）可见，28天龄期和90天龄期时浆体的化学结合水量随矿粉含量的提高而增加，表明胶凝材料的水化程度随矿粉含量的提高而增大。由于粉煤灰的活性较水泥低，少量的粉煤灰取代水泥后，相当于提高了水泥的水胶比，从而提高水泥的水化程度，同时，随着延长养护龄期有利于提高粉煤灰的水化程度，所以28天龄期时粉煤灰含量为30%的浆体的水化程度最高，而90天龄期时粉煤灰含量为40%的硬化浆体的水化程度最高。