摻超細(xì)活性硅微粉混凝土的抗凍、抗碳化及抗氯離子滲透性能研究

李文麗

（許昌學(xué)院土木工程學(xué)院，許昌461000）

摻超細(xì)活性硅微粉混凝土的抗凍、抗碳化及抗氯離子滲透性能研究

李文麗*

（許昌學(xué)院土木工程學(xué)院，許昌461000）

通過摻入量分別為10%、15%和20%超細(xì)活性硅微粉混凝土抗碳化試驗(yàn)、凍融性試驗(yàn)及抗氯離子滲透試驗(yàn)，研究了超細(xì)活性硅微粉對(duì)混凝土耐久性能的影響。試驗(yàn)研究表明：摻入一定量的超細(xì)活性硅微粉可提高混凝土抗碳化性能，但摻入量超過15%后抗碳化性能逐漸減弱；摻入超細(xì)活性硅微粉可增強(qiáng)混凝土抗凍性能，提高混凝土抗氯離子滲透性，且隨著超細(xì)活性硅微粉摻入量的增加，混凝土抗凍性能以及抗氯離子滲透性逐漸增強(qiáng)。

超細(xì)活性硅微粉，抗凍性能，抗氯離子，抗碳化

1 引 言

混凝土是現(xiàn)代工程中最常用的人工土建材料，具有取材方便、經(jīng)濟(jì)，易于加工成型匹配性好、可調(diào)整性強(qiáng)等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)代替鋼、木結(jié)構(gòu)可節(jié)省大量的鋼材木材，但目前使用的低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，耐久性能往往較差，不利于建筑的長期使用，增加維護(hù)成本。以往的研究認(rèn)為混凝土高毛細(xì)孔率、水化產(chǎn)物中Ca（OH）2含量高是導(dǎo)致混凝土耐久性較差的主要因素，因此實(shí)際工程中往往采取摻入高效減水劑、活性礦物質(zhì)摻合料等措施來改善混凝土強(qiáng)度［1］。超細(xì)活性硅微粉（Ultra-fine Active Silica Powder，UASP）是一種活性摻合料，是火山灰沉積作用生成的硅質(zhì)巖石經(jīng)過粉磨和細(xì)化處理后的粉末制品，國內(nèi)以往有研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻入一定量的超細(xì)活性硅微粉可提高混凝土工作性能和力學(xué)性能，但對(duì)于摻入超細(xì)活性硅微粉后混凝土耐久性能的改變研究較少。本文即通過抗碳化試驗(yàn)、凍融性試驗(yàn)及抗氯離子滲透試驗(yàn)對(duì)摻超細(xì)活性硅微粉混凝土的耐久性能進(jìn)行探討。

2 試驗(yàn)概況

2.1 原材料

本試驗(yàn)中水泥（cement，C）使用粵秀P·O42.5級(jí)水泥；硅灰（silica fume，SF）使用艾肯94級(jí)硅灰；超細(xì)活性硅微粉（SSP）為由火山灰沉積作用所生成的硅質(zhì)巖石經(jīng)粉磨和超細(xì)處理后所得，細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)為2.5的普通河砂，含泥量0.6%，松散堆積密度1 530 kg／m3，表觀密度2 650 kg／m3；粗集料為平均粒徑15 mm連續(xù)級(jí)配天然碎石，表觀密度2 660 kg／m3，松散堆積密度1 510 kg／m3，壓碎指標(biāo)11.3%，含泥量0.6%，針片狀含量3.8%；使用聚羧酸高效減水劑，減水率為25%；混凝土拌合及養(yǎng)護(hù)水均使用自來水。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)分三組進(jìn)行，三種不同混凝土的水膠比固定為0.36，以C表示為基準(zhǔn)混凝土；UASP-10、UASP-15、UASP-20分別表示摻入10%、15%和20%超細(xì)活性硅微粉的混凝土；每種摻入比超細(xì)活性硅微粉混凝土均設(shè)置相同摻入比硅灰的混凝土作為對(duì)照組，編號(hào)分別為SF-10、SF-15、SF-20。每組均設(shè)計(jì)制作三個(gè)試件，試件均在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作完成，參照《普通混凝土長期性能及耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 5008—2009）［2］中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，基準(zhǔn)混凝土、超細(xì)活性硅微粉混凝土及硅灰混凝土配合比見表1。

表1 基準(zhǔn)混凝土、超細(xì)活性硅微粉混凝土及硅灰混凝土配合比Table 1 M ix proportions of reference concrete、ultra-fine active silica powder concrete and silica fum e concrete

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1抗碳化試驗(yàn)

本試驗(yàn)中碳化試驗(yàn)按照GB／T 5008—2009［2］中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，混凝土試件規(guī)格為100 mm× 100 mm×100 mm的立方體，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)26d后，放入烘箱中，以60℃溫度烘48 h后，使用石蠟密封試件表面，經(jīng)密封處理后轉(zhuǎn)入碳化箱中碳化，碳化箱中預(yù)設(shè)溫度（20±5）℃，濕度（70±5）%，二氧化碳濃度（20±3）%，分別在碳化3 d、7 d、14 d、28 d時(shí)劈裂試件測(cè)量其碳化深度。

2.3.2凍融性能試驗(yàn)

試驗(yàn)中抗凍性試驗(yàn)參照GB／T 5008—2009［2］中快速凍融法進(jìn)行，混凝土試件規(guī)格為100 mm× 100 mm×100 mm棱柱體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d；取出檢查外觀，置入15℃～20℃水中浸泡4 d，保證水面高度高出試件高度超過200 mm；取出試件，清除干凈表面浮渣及積水，使用混凝土凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凍融試驗(yàn)，每次凍融循環(huán)在2～4 h內(nèi)完成，凍融達(dá)到300次循環(huán)、相對(duì)動(dòng)彈模量下降到60%以下、重量損失率達(dá)5%等三種情況中的任一種時(shí)，停止試驗(yàn)，采用式（1）—式（3）計(jì)算經(jīng)N次凍融試驗(yàn)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量P、試件質(zhì)量損失ΔWn和試件抗壓強(qiáng)度損失ΔRn。

式中，fn為試驗(yàn)后試件橫向基頻，Hz；f0為試驗(yàn)前試件橫向基頻初始值，Hz；G0為試驗(yàn)前試件質(zhì)量，kg；Gn為試驗(yàn)后試件質(zhì)量，kg；R0為對(duì)比試件強(qiáng)度，kg；Rn為凍融試件強(qiáng)度，kg；n為循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)。

2.3.3抗氯離子滲透試驗(yàn)

本試驗(yàn)中抗氯離子滲透試驗(yàn)參照GB／T 5008—2009［2］中電通量法進(jìn)行，混凝土試件設(shè)計(jì)規(guī)格為φ100 mm×300 mm，采用硅膠對(duì)試件進(jìn)行側(cè)面密封處理，放入1 000 ml燒杯中置入真空干燥機(jī)進(jìn)行真空保水，真空干燥劑內(nèi)數(shù)分鐘內(nèi)真空度達(dá)到133 Pa以下，真空保水3 h后，保持真空度注入蒸餾水至試件完全淹沒，浸泡1 h后取出試件，常壓下浸泡20 h［3］；取出試件，清除干凈試件表面積水，置入試驗(yàn)槽內(nèi)進(jìn)行電通量試驗(yàn)，試驗(yàn)槽中水面低于裝置頂面5 mm，水溫20℃～23℃。20℃～25℃恒溫下進(jìn)行試驗(yàn)，在試件一側(cè)試驗(yàn)槽內(nèi)注入0.3%氯化鈉溶液，試驗(yàn)槽內(nèi)銅網(wǎng)連接電源負(fù)極，在試件另一側(cè)試驗(yàn)槽內(nèi)注入0.3 mol／l氫氧化鈉溶液，連接電源正極；接通電源對(duì)試驗(yàn)槽內(nèi)銅網(wǎng)施直流恒電壓，電壓為60 V，通電6 h，記錄試驗(yàn)過程中電流值［4］。

2.4 凈漿微觀試驗(yàn)

設(shè)計(jì)相應(yīng)的微觀試驗(yàn)，以從微觀角度研究超細(xì)活性硅微粉對(duì)混凝土的影響機(jī)理。試驗(yàn)試件在4 cm×4 cm×4 cm剛模內(nèi)成型，20℃溫度下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，取出試件，使用壓力機(jī)壓碎；取少許壓碎水泥石，以無水乙醇終止水化，恒溫60℃烘干至恒重，取烘干處理后水化試樣，對(duì)新鮮斷面進(jìn)行鍍膜處理，使用掃描點(diǎn)睛（SEM）觀察試件微觀結(jié)構(gòu)［5］。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 抗碳化試驗(yàn)

表2為基準(zhǔn)混凝土和分別摻入10%、15%、20%超細(xì)活性硅微粉的混凝土及分別摻入10%、15%、20%硅灰的混凝土在碳化箱內(nèi)碳化3 d、7 d、14 d和28 d后的試驗(yàn)結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知，摻入超細(xì)活性硅微粉和硅灰后混凝土抗碳化性能均有所提高，且隨著超細(xì)活性硅微粉摻入量的增加，混凝土抗碳化性能呈先增強(qiáng)后下降的趨勢(shì)，二者變化趨勢(shì)相仿。摻入摻合料后，混凝土抗碳化機(jī)理也更加復(fù)雜，由于摻合料的摻入，混凝土中的水泥比例下降，使混凝土液相pH值也有所下降，混凝土體系中堿儲(chǔ)備減少，導(dǎo)致混凝土的抗碳化性能下降［5］。而摻入的超細(xì)活性硅微粉和硅粉為超細(xì)活性料，材料粒徑小，具備微填充效應(yīng)，并具有較強(qiáng)的火山灰效應(yīng)。國內(nèi)以往的研究者發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻入較細(xì)的礦物質(zhì)可減小水泥石毛細(xì)孔孔徑，減小混凝土的孔隙率，提高水泥石密實(shí)程度，從而提高混凝土抗碳化能力。由于超細(xì)活性料帶來的微填充效應(yīng)及火山灰效應(yīng)等正效應(yīng)高于其降低混凝土液相pH值的負(fù)效應(yīng)，因而摻入適量的超細(xì)活性料后，混凝土抗碳化能力有所提高。而隨著超細(xì)活性料摻入量的增加，由其所帶來的負(fù)效應(yīng)高于正效應(yīng)，導(dǎo)致混凝土的抗碳化能力也逐漸降低。從試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入硅灰的混凝土抗碳化性能較摻入超細(xì)活性硅微粉的混凝土抗碳化性能更強(qiáng)，超細(xì)活性硅微粉中CaO、MgO等堿性氧化物的含量較硅灰更低，也就使得混凝土摻入超細(xì)活性硅微粉后液相pH值及體系中堿儲(chǔ)備較摻入硅粉的混凝土更低，由摻合料所帶來的負(fù)效應(yīng)更高，導(dǎo)致混凝土的抗碳化能力下降更為明顯。

表2 基準(zhǔn)混凝土、摻超細(xì)活性硅微粉及硅灰混凝土抗碳化試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of carbonation test of reference concrete、u ltra-fine active silica powder concrete and silica fume concrete mm

3.2 凍融性試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)現(xiàn)象

本次凍融試驗(yàn)中，在進(jìn)行凍融循環(huán)50次后，觀察三種混凝土，基準(zhǔn)混凝土表面有輕微剝蝕，超細(xì)活性硅微粉混凝土和硅灰混凝土表面均無明顯變化；進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)100次時(shí)，觀察三種混凝土試件均出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象，基準(zhǔn)混凝土剝蝕現(xiàn)象較超細(xì)活性硅微粉混凝土和硅灰混凝土嚴(yán)重（圖1）；凍融循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行到150次時(shí)，基準(zhǔn)混凝已基本被破壞，表面、棱角漿體大量剝落，試件混凝土骨料也有所剝落。不同編號(hào)的混凝土試件各制作三組，進(jìn)行試驗(yàn)后，基準(zhǔn)混凝土凍融破壞次數(shù)平均為158次，摻入10%、15%、20%超細(xì)活性硅微粉的混凝土凍融破壞次數(shù)平均分別為167次、186次、203次，摻入10%、15%、20%硅灰的混凝土凍融破壞次數(shù)平均分別為179次、192次、211次。

圖1 三種混凝土試件凍融破壞外觀Fig.1 Failure patten of three kinds of concrete specimens after freezing-thawing

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果

表3為基準(zhǔn)混凝土和分別摻入10%、15%、20%超細(xì)活性硅微粉的混凝土及分別摻入10%、15%、20%硅灰的混凝土凍融性試驗(yàn)結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知，摻入超細(xì)活性硅微粉和硅粉后混凝土凍融破壞次數(shù)有所提高，試件質(zhì)量損失率及抗壓強(qiáng)度損失率均有所降低，隨著超細(xì)活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗凍融次數(shù)也逐漸增加，質(zhì)量損失率及抗壓強(qiáng)度損失率逐漸下降；同等摻入量的條件下，摻入硅粉的混凝土抗凍性能略優(yōu)于摻入超細(xì)活性硅微粉的混凝土。以往的研究指出，摻合料的火山灰活性效應(yīng)可固定混凝土中的Ca（OH）2，可減緩由于浸析擴(kuò)大冰凍劣化孔隙的速度，同時(shí)摻入超細(xì)活性料的填充效應(yīng)減少了混凝土內(nèi)部孔隙及毛細(xì)孔，使混凝土結(jié)構(gòu)更密實(shí)，從而可改善混凝土抗凍性能，硅灰的火山灰活性較超細(xì)活性硅微粉更強(qiáng)，對(duì)混凝土抗凍性能的改善也更加明顯。

表3 基準(zhǔn)混凝土、摻超細(xì)活性硅微粉及硅灰混凝土凍融性試驗(yàn)結(jié)果Table 3Results of freezing-thaw ing test of reference concrete，ultra-fine active silica pow der concrete and silica fume concrete

3.3 抗氯離子滲透性試驗(yàn)

表4為基準(zhǔn)混凝土和分別摻入10%、15%、20%超細(xì)活性硅微粉的混凝土及分別摻入10%、15%、20%硅灰的混凝土28d氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可知，摻入超細(xì)活性硅微粉和硅粉混凝土通電量有所下降，抗氯離子滲透性有所提高；隨著超細(xì)活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗氯離子滲透性能逐漸增加。超細(xì)活性料可阻塞混凝土中孔隙，發(fā)揮密實(shí)填充效應(yīng)，降低混凝土的滲透性，超細(xì)活性料中的化學(xué)成分可以與水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化，生成C-S-H凝膠，填充于孔隙處，改變孔結(jié)構(gòu)，細(xì)化孔徑，進(jìn)一步降低混凝土滲透性，阻斷滲透通道的形成，從而改善混凝土抗氯離子滲透性能。

表4 基準(zhǔn)混凝土、摻超細(xì)活性硅微粉及硅灰混凝土抗氯離子滲透性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of to chloride ion penetration test of reference concrete，ultra-fine active silica powder concrete and silica fum e concrete

3.4 微觀形貌

相同養(yǎng)護(hù)條件下，觀察基準(zhǔn)混凝土（A1）、摻超細(xì)活性硅微粉（A2）及硅灰混凝土（A3）試樣，A1試樣中纖維狀物質(zhì)較多，水泥石微空隙處可見針狀鈣礬石（AFt）生成，且有定向生長氫氧化鈣（CH）生成；A2試樣有纖維物質(zhì)生成，但分布更均勻，纖維間搭接成致密的網(wǎng)，無纖維的地方凝膠較A1試樣致密，微孔隙的數(shù)量明顯減少，可見AFt生成，CH明顯減少；A3試樣纖維較細(xì)化且分布均勻，纖維間搭接更加致密，凝膠組成較A1、A2更加致密，CH生成量明顯低于A1、A2，AFt十分豐富，其中摻量為10%的各試樣電子掃描微觀形貌圖可見圖2。

圖2 不同摻合料水泥硬化漿體（×1000）Fig.2 Hardened cement paste with different admixture（×1000）

3.5 力學(xué)性能

為量化超細(xì)活性硅微粉對(duì)混凝土理學(xué)性能的增強(qiáng)效果，采用礦物摻合物火山會(huì)活性的“強(qiáng)度比法”，對(duì)其進(jìn)行量化計(jì)算和評(píng)價(jià)。根據(jù)“強(qiáng)度比法”，礦物摻合料的活性指數(shù)A是衡量和量化摻合料火山灰活性基本參數(shù)，即單位活性礦物摻合料（1%活性礦物摻合料）所提供的火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率，計(jì)算公式如下：

式中，R比滲和R基準(zhǔn)分別為含摻合料混凝土和基準(zhǔn)混凝土比強(qiáng)度（MPa）。

含摻合料混凝土比強(qiáng)度R及基準(zhǔn)混凝土比強(qiáng)度R可由式（3）計(jì)算得出：

式中，P火山為火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)值。

火山灰效應(yīng)強(qiáng)度貢獻(xiàn)率P火山，即表征礦物摻合料的火山灰效應(yīng)對(duì)混凝土強(qiáng)度大小貢獻(xiàn)的數(shù)值，如式（2）所示：

式中，R比，R，q分別為混凝土比強(qiáng)度系數(shù)、混凝土強(qiáng)度絕對(duì)值和混凝土中摻合料或水泥占總膠材料的百分比。

根據(jù)上式計(jì)算相應(yīng)結(jié)果，得知超細(xì)活性硅微粉的火山灰活性在混凝土水化反應(yīng)早期有較明顯表現(xiàn)，隨水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行；在水化反應(yīng)前期，超細(xì)活性硅微粉與硅灰火山活性較接近，在28 d齡期后，硅灰較高的水化活性優(yōu)勢(shì)逐漸表現(xiàn)出來。

4 結(jié) 論

（1）摻入超細(xì)活性硅微粉和硅粉后混凝土抗碳化性能有所提高，且隨著超細(xì)活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗碳化性能呈先增強(qiáng)后下降的趨勢(shì)；摻入硅灰的混凝土抗碳化性能較摻入超細(xì)活性硅微粉的混凝土抗碳化性能更強(qiáng)，摻入一定量的超細(xì)活性硅微粉可提高混凝土抗碳化性能。

（2）摻入超細(xì)活性硅微粉和硅粉后可增加混凝土凍融破壞次數(shù)，試件質(zhì)量損失率及抗壓強(qiáng)度損失率均有所降低，隨著超細(xì)活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗凍融次數(shù)也逐漸增加，質(zhì)量損失率及抗壓強(qiáng)度損失率逐漸下降；同等摻入量的條件下，摻入硅粉的混凝土抗凍性能略優(yōu)于摻入超細(xì)活性硅微粉的混凝土。

（3）摻入超細(xì)活性硅微粉和硅粉可提高混凝土抗氯離子滲透性；隨著超細(xì)活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗氯離子滲透性能逐漸增加。

（4）摻入超細(xì)活性硅微粉和硅粉可明顯改善水泥石微觀結(jié)構(gòu)，使水泥石更加致密，硅粉的改善效果優(yōu)于超細(xì)活性硅微粉。

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The Study of Freezethraw Durability，Carbonation Resistance and
Ability to Resist Chloride Ion Penetration of Ultra-fine Active Silica Powder Concrete

LIWenli*
（College of Civil Engineering，Xuchang University，Xuchang 461000，China）

The effects of ultra-fine active silica powder（USAP）on the durablities of concrete were studied by themethods of freezethraw test and carbonation test of 10%，15%and 20%addingmixing amount of UASP.The results showed that conditions in the appropriatemixing amount of UASP can improve the carbonation resistance.The freezethraw durability and ability to resist chloride ion penetration could be improved by adding mixing amount UASP.

ultra-fine active silica powder（UASP），freezethraw，ability to resist chloride ion penetration，carbonation

2014－03－25

*聯(lián)系作者，Email：313489058＠qq.com