復(fù)摻礦物摻和料對(duì)高性能混凝土耐久性能影響分析

■孟光榮 白 濤

（1.運(yùn)城北高速公路管理有限公司， 運(yùn)城 044000； 2.北京中交華聯(lián)科技發(fā)展有限公司， 北京 100101）

近年來(lái)，高性能混凝土因具有穩(wěn)定性高、耐久性強(qiáng)及優(yōu)良的工作性能，逐漸在我國(guó)公路、橋梁等工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。 隨著高性能混凝土的高速發(fā)展，粉煤灰、礦渣粉等礦物摻和料作為制備高性能混凝土的重要材料，不同摻量及種類均會(huì)對(duì)混凝土的耐久性能產(chǎn)生影響[3-4]。 如譚鹽賓等[5]研究了不同火成巖質(zhì)礦物摻和料對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)火成巖質(zhì)礦物摻和料與傳統(tǒng)礦物摻和料指標(biāo)接近。趙晨陽(yáng)[6]研究了混凝土收縮與開(kāi)裂之間的關(guān)系以及粉煤灰與礦渣對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律。 王曉波[7]研究了摻粉煤灰和礦渣粉對(duì)混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。郝文新[8]研究了礦物摻和料摻量對(duì)水工混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響規(guī)律， 為高性能抗硫酸鹽侵蝕的水工混凝土的研究提供了參考。 目前， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于礦物摻和料單摻對(duì)高性能混凝土的影響研究已相對(duì)較多， 但關(guān)于礦物摻和料復(fù)摻對(duì)高性能混凝土的影響研究還有待進(jìn)一步完善。 基于此， 本研究通過(guò)復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉2 種礦物摻和料， 針對(duì)不同復(fù)摻比例對(duì)高性能混凝土耐久性能的影響規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析， 以得出混凝土耐久性能不同側(cè)重指標(biāo)的礦物摻和料的較優(yōu)復(fù)摻比例。

1 原材料

水泥選用細(xì)度為2.2%，燒失率為2.47%的P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，安定性合格，其相關(guān)力學(xué)性能如表1 所示。 粗集料選用玄武巖碎石，粒徑范圍4.75～26.5 mm，按照GB/T14685-2011《建筑用卵石、 碎石》 規(guī)范要求， 測(cè)得其表觀密度為2.56 g/cm3，針片狀含量6.2%，含泥量0.3%，壓碎率4.8%。細(xì)集料采用機(jī)制砂，按照J(rèn)GJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求，測(cè)得其表觀密度為2.7 g/cm3， 含泥量0.7%，MB 值為1.2，空隙率32%，壓碎指標(biāo)18%。 礦物摻和料選用Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95 礦渣粉， 其性能檢測(cè)結(jié)果如表2所示。減水劑采用聚羧酸高效減水劑，測(cè)得其固含量為37%，減水率為27.5%。 拌合水采用市政自來(lái)水。

表1 水泥基本力學(xué)性能

表2 礦物摻和料性能檢測(cè)結(jié)果

2 試驗(yàn)方案及配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)GB/T50082-2009 《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范要求，氯離子滲透試驗(yàn)采用通電量法，混凝土試件養(yǎng)護(hù)成型后鉆芯取樣，圓柱體尺寸為100 mm×50 mm，根據(jù)氯離子滲透系數(shù)評(píng)價(jià)抗氯離子滲透性能。 碳化試驗(yàn)混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，養(yǎng)護(hù)成型后轉(zhuǎn)入CO2濃度為（20±5）%、溫度為（20±5）℃、相對(duì)濕度為（80±5）%的碳化箱進(jìn)行碳化，根據(jù)不同碳化時(shí)間的碳化深度評(píng)價(jià)抗碳化性能。 凍融循環(huán)試驗(yàn)采用快速凍融法，養(yǎng)護(hù)成型后放入凍融箱，并記錄混凝土試件凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率，循環(huán)次數(shù)為25 次，檢測(cè)質(zhì)量損失率不超過(guò)5%。 抗硫酸鹽侵蝕性能采用干濕循環(huán)-硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法， 浸泡溶液采用濃度為5%的Na2SO4溶液。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

為研究復(fù)摻礦物摻和料對(duì)高性能混凝土耐久性能的影響，在進(jìn)行混凝土配比設(shè)計(jì)時(shí)，保持水膠比為0.25、 減水劑為1%和礦物摻和料總量為30%不變， 分別設(shè)計(jì)粉煤灰與礦渣粉復(fù)摻比例為1∶0、8∶2、6∶4、4∶6 及2∶8 的5 種復(fù)摻試驗(yàn)方案，并針對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能、抗碳化性能、抗凍性能及抗硫酸鹽侵蝕性能進(jìn)行對(duì)比分析，具體配合比設(shè)計(jì)如表3 所示。

表3 不同復(fù)摻方案混凝土配合比設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

3.1 抗氯離子滲透性能

為研究復(fù)摻礦物摻和料對(duì)高性能混凝土抗氯離子滲透性能的影響，針對(duì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下混凝土的氯離子滲透系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 氯離子滲透系數(shù)變化曲線

根據(jù)圖1 可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，不同復(fù)摻方案的混凝土氯離子滲透系數(shù)均有所減小，說(shuō)明混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間會(huì)對(duì)其抗氯離子滲透性能產(chǎn)生影響。 隨著礦渣粉比例的增大，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混凝土氯離子滲透系數(shù)均不斷減小，其中復(fù)摻方案五的混凝土氯離子滲透系數(shù)減小幅度最為明顯，養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d 的氯離子滲透系數(shù)最大降低了56.3%和58.6%，原因是礦渣粉的活性要優(yōu)于粉煤灰，二次水化反應(yīng)效果更好，且吸附氯離子能力更強(qiáng)，因此礦渣粉摻量越大， 混凝土的抗氯離子滲透性能越好，綜合來(lái)看粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例選擇2∶8 對(duì)于混凝土抗氯離子滲透性能改善效果更好。

3.2 抗碳化性能

分別測(cè)定不同比例復(fù)摻礦物摻和料的混凝土碳化深度，并針對(duì)不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下混凝土的抗碳化性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 碳化深度變化曲線

根據(jù)圖2 可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，不同復(fù)摻方案的混凝土碳化深度均有所增大，說(shuō)明混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間會(huì)對(duì)其抗碳化性能產(chǎn)生影響。 隨著礦渣粉比例的增大，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混凝土碳化深度呈先減小后增大趨勢(shì)變化，采用復(fù)摻方案后混凝土的碳化深度均有所減小，其中復(fù)摻方案二的混凝土碳化深度減小幅度最為明顯，養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d 的碳化深度分別減小了35.6%和32.9%， 原因是礦渣粉的粒徑要比粉煤灰小，可以更好地填充混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其密實(shí)度，因此適量摻入礦渣粉可以有效改善混凝土的抗碳化性能，綜合來(lái)看粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例選擇8∶2 對(duì)于提升混凝土的抗碳化性能效果更優(yōu)。

3.3 抗凍性能

分別測(cè)定不同比例復(fù)摻礦物摻和料的混凝土質(zhì)量損失率，并針對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的抗凍性能變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析， 試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 質(zhì)量損失率變化曲線

根據(jù)圖3 可知， 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)，不同復(fù)摻方案的混凝土質(zhì)量損失率均有所增大，說(shuō)明混凝土受凍融破壞的作用會(huì)降低其抗凍性能。 隨著礦渣粉比例的增大，不同凍融循環(huán)的混凝土質(zhì)量損失率呈先減小后增大趨勢(shì)變化，采用復(fù)摻方案后混凝土的質(zhì)量損失率均有所減小，其中復(fù)摻方案四的混凝土質(zhì)量損失率減小幅度最為明顯，養(yǎng)護(hù)7 d 和28 d 的質(zhì)量損失率分別減小了45.2%和36.1%，原因是礦渣粉的粒徑要比粉煤灰小，使得膠凝材料所占孔隙減少，增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)度，因此摻入礦渣粉可以有效改善混凝土的抗凍性能，綜合來(lái)看粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例選擇4∶6 對(duì)于提升混凝土的抗凍性能效果更優(yōu)。

3.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

分別測(cè)定不同比例復(fù)摻礦物摻和料的混凝土抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)系數(shù)，并針對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)變化曲線

根據(jù)圖4 可知， 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增長(zhǎng)，不同復(fù)摻方案的混凝土耐蝕系數(shù)均有所減小，說(shuō)明混凝土受干濕循環(huán)的作用會(huì)降低其抗硫酸鹽侵蝕性能。 隨著礦渣粉比例的增大，不同凍融循環(huán)的混凝土耐蝕系數(shù)呈先增大后減小趨勢(shì)變化，采用復(fù)摻方案后混凝土的耐蝕系數(shù)均有所增大，其中復(fù)摻方案三的混凝土耐蝕系數(shù)增長(zhǎng)幅度最為明顯， 養(yǎng)護(hù)7 d和28 d 的耐蝕系數(shù)分別增大了4.6%和7.2%，原因是礦渣粉的摻入可以改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，充分填充漿體內(nèi)部孔隙，提升混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此摻入礦渣粉可以有效改善混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能， 綜合來(lái)看粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例選擇6∶4對(duì)于提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能效果更優(yōu)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)復(fù)摻粉煤灰和礦渣粉2 種礦物摻和料，對(duì)比分析了不同復(fù)摻比例對(duì)高性能混凝土耐久性能的影響規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例為2∶8 時(shí)， 對(duì)于混凝土的抗氯離子滲透性能增強(qiáng)效果更好；粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例為8∶2 時(shí)，對(duì)于提升混凝土的抗碳化性能效果更好；粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例為4∶6 時(shí)， 對(duì)于提升混凝土的抗凍性能效果更好；粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻比例為6∶4 時(shí)， 對(duì)于提升混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能效果更好，綜合來(lái)看復(fù)摻礦物摻和料可以顯著改善高性能混凝土的耐久性能，但不同復(fù)摻比例對(duì)混凝土耐久性能側(cè)重指標(biāo)影響不同，因此在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)使用環(huán)境來(lái)選擇礦物摻和料的復(fù)摻比例。