416 礦物摻合料對混凝土強度和抗氯離子擴散性能的影響是什么？

作者：馬清浩

粉煤灰和礦渣微粉作為當前配制高性能混凝土使用最廣泛的活性礦物摻合料，當其各自單獨加入混凝土時，對混凝土性能的影響已經有較充分的研究，而兩者復合雙摻是目前混凝土研究的一個熱點。同時混凝土中鋼筋銹蝕是引起混凝土結構破壞的主要原因之一。氯離子會破壞混凝土中堿環境下鋼筋的鈍化膜，從而使鋼筋產生銹蝕。因此，氯離子的滲透擴散性是反映混凝土抵抗氯離子侵入和鋼筋腐蝕能力的一個重要參數。由于在大多數的工程應用中混凝土的強度等級一般為Ｃ20～Ｃ30，因此本文研究在水膠比為0.55、不摻加高效減水劑的情況下，粉煤灰、礦渣微粉單摻以及兩者復摻時對混凝土強度以及抗氯離子擴散性能的影響。

一、原材料

（１）水泥：32.5級普通硅酸鹽水泥，28ｄ抗折強度為6.7MPa，抗壓強度為6.7MPa；

（２）粉煤灰：Ｉ級粉煤灰，密度為2.34g/cm^３，比表面積為512ｍ^２/kg；

（３）礦渣微粉：Ｓ95級粒化高爐礦渣超細粉，密度2.88ｇ/cm^３，比表面435ｍ^２/kg；

（４）砂：湘江河砂，細度模數2.7，屬II區中砂；

（５）石子：５～31.5mm石灰石碎石，壓碎指標為9.86％；

（６）水：自來水；

（７）水泥、粉煤灰、礦渣微粉的化學組成見表１。

二、試驗方法

混凝土配合比如２所示。混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度測試按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T50081—2002）進行，混凝土抗壓強度試驗的試件尺寸為100mm×100mm×100mm，劈裂抗拉強度試件尺寸為150mm×150mm×150mm。

三、試驗結果與討論

粉煤灰、礦渣微粉摻入混凝土中后，對混凝土各齡期的強度以及氯離子擴散性能都有一定的影響。表３為各配合比試件在不同齡期的測試結果。

（一）混凝土抗壓強度（圖１，圖２）

從圖１、圖２可見，在本試驗的摻量范圍和摻合方式中，混凝土的３d，7d抗壓強度都比基準混凝土低，即粉煤灰、礦渣微粉的摻入降低了混凝土的早期強度。從圖１可以發現，當粉煤灰、礦渣微粉摻量為膠凝材料總量的20％時，粉煤灰、礦渣微粉的各種摻合方式中，3d，7d抗壓強度值相差不多，相比之下礦渣微粉單摻時其抗壓強度最高，即礦渣微粉對混凝土早期強度的影響較粉煤灰小；在28ｄ時，除粉煤灰單摻的強度比基準混凝土稍低外，其他的摻合方式都比基準的高；在56ｄ時，所有的摻合方式都超過了基準混凝土，在雙摻中，隨著礦渣摻量的增加抗壓強度值逐漸增大。當固定粉煤灰摻量為膠凝材料總量的10％，改變礦渣微粉摻量時的混凝土抗壓強度變化規律如圖２所示。從圖２中可以看出，在3ｄ時，當固定粉煤灰摻量為膠凝材料總量的10％，礦渣微粉摻量越多，其抗壓強度值下降較大，但是在7ｄ時這種下降就可以得到改變；28ｄ時，隨著礦渣摻量的增多抗壓強度逐漸升高。

粉煤灰與礦渣微粉作為活性礦物摻合料，對混凝土的力學性能有一定的影響。由上述混凝土抗壓強度可知，在56ｄ以前，當摻量相同時，單摻礦渣微粉要比單摻粉煤灰的效果好，其原因是礦渣微粉的反應活性要優于粉煤灰，礦渣微粉能夠提供更多的水化產物，對降低水泥石孔隙率方面有更明顯的作用。當粉煤灰和礦渣微粉復合雙摻時，其抗壓強度變化規律比較復雜。如在粉煤灰、礦渣微粉摻量為膠凝材料總量的20％時，3ｄ，7ｄ抗壓強度都較基準混凝土低，但是在固定粉煤灰摻量為膠凝材料總量的10％，礦渣微粉摻量為膠凝材料總量的30％時，混凝土的7ｄ抗壓強度便超過了基準混凝土的抗壓強度；在28ｄ及以后，所有雙摻混凝土的抗壓強度都已經超過基準混凝土的抗壓強度，發揮出了較好的“超疊加效應”，即取得了比各自單摻時更好的效果。一般來說，粉煤灰和礦渣微粉通過其火山灰效應和微集料效應，能夠提高水泥基材料的強度，特別是后期抗壓強度，但是并不是在任何情況下都能夠提高其強度。當兩者復合雙摻時，影響因素更多。作者曾經做過水泥凈漿、砂漿和其他配合比的混凝土試驗，當兩者復合雙摻時，其抗壓強度卻始終比基準試件的低。因此，影響粉煤灰礦渣微粉“超疊加效應”發揮的因素很多，這些因素很有可能包括試件成型時的溫度、濕度、水泥品種、水膠比以及粉煤灰、礦渣微粉復摻時的比例、摻量以及其本身的物理化學性質。由此可知，要想使得粉煤灰與礦渣微粉雙摻時取得較好的效果，各地必須因地制宜，根據各地粉煤灰、礦渣微粉原材料的物理化學性質，經過試驗確定促使粉煤灰礦渣微粉“超疊加效應”發揮的最有利條件。

（二）混凝土劈裂抗拉強度（圖３、圖４）

眾所周知，混凝土的劈裂抗拉強度很低，一般只有抗壓強度的１/20～1/10，抗壓強度愈高，其比值就愈小，這在一定程度上限制了混凝土的應用范圍。在普通混凝土結構設計中，劈裂抗拉強度通常不予考慮。但在抗裂性要求較高的結構如油庫、水塔、路面以及預應力混凝土構件等的設計中，劈裂抗拉強度卻是混凝土抗裂度的主要指標。隨著對鋼筋混凝土和預應力混凝土裂縫研究的開展，對于提高混凝土劈裂抗拉強度的要求也就日益迫切起來。

對比圖３、圖４和圖１、圖２可以發現：混凝土的28ｄ劈裂抗拉強度的變化規律與其28ｄ抗壓強度的變化規律基本上是一致的。比較混凝土劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的比值，可以發現其值在1／10～1/17左右，粉煤灰礦渣微粉雙摻時其拉壓比較高，接近１/10。因此當粉煤灰和礦渣微粉以適當的比例復合雙摻時，可以獲得比單摻時更高的拉壓比值，發揮出較好的“超疊加效應”。

（三）混凝土氯離子擴散系數

從圖５、圖６可以看出，粉煤灰、礦渣微粉的摻入數顯著降低了混凝土的氯離子擴散系，而且當粉煤灰、礦渣微粉雙摻時其值更低。在粉煤灰、礦渣微粉摻量為膠凝材料總量的20％時，單摻礦渣微粉的混凝土氯離子擴散系數較摻單粉煤灰的低；兩者復合雙摻時，礦渣微粉摻量越大其氯離子擴散系數越低。當固定粉煤灰摻量為膠凝材料總量的10％時，混凝土的氯離子擴散系數也隨著礦渣微粉摻量的增加而降低。在本次試驗中，盡管礦物摻合料總量達到膠凝材料總量的40％，當粉煤灰礦渣微粉的復摻比例為1∶3時，其氯離子擴散系數仍然比其他的摻合方式小，表現出了顯著的“超疊加效應”。

Cl^－的滲透性一般由兩個基本因素決定，一是混凝土對Cl^-滲透擴散的阻礙能力，這種阻礙能力決定于混凝土的孔隙率及孔徑分布；二是混凝土對Cl^-的物理或化學結合能力，即固化能力。礦物摻合料的摻入，一方面改善了混凝土的孔結構和級配，孔隙率下降，使孔細化，且混凝土的孔隙率和最可幾半徑隨著礦物摻合料摻量的增加而減小；另一方面改善了混凝土水化產物的組成，摻合料的火山灰效應減少了粗大結晶、穩定性極差的水化產物Ca（OH）_２的數量及其在水泥石集料界面過渡區的富集與定向排列，從而優化了界面結構，并且其二次水化反應能生成更多低堿度的Ｃ—Ｓ—Ｈ凝膠。因此礦物摻合料的摻入不但可以改善混凝土的滲透性，提高混凝土的密實度，而且由于孔細化、低堿度的Ｃ—Ｓ—Ｈ凝膠的生成，還可以增加混凝土結合Cl^－的能力，進而提高其抗氯離子擴散能力。