不同摻量摻合料對(duì)高性能混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)研究

覃藝杰

（廣東交科檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510550）

0 引言

與普通混凝土相比，海工高性能混凝土的特點(diǎn)是水膠比低以及大摻量?jī)?yōu)質(zhì)摻合料，以期滿足海工高性能混凝土結(jié)構(gòu)耐久性要求。要達(dá)到耐久性的要求，首先，設(shè)計(jì)過程中要突出耐久性要求，其次，要嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，最重要的是配合比的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，而配合比的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，主要是通過雙摻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，即在保證強(qiáng)度的前提下，減少膠凝材料中硅酸鹽水泥用量，增加粉煤灰、礦渣粉的摻量，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性以期達(dá)到耐久性設(shè)計(jì)指標(biāo)電通量或氯離子擴(kuò)散系數(shù)要求以及滿足工程施工需求。

該文通過工程實(shí)例，對(duì)同一膠凝材料用量，不同摻量的粉煤灰、礦渣粉，進(jìn)行海工高性能混凝土的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，以RCM法檢測(cè)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)為主要檢測(cè)指標(biāo)兼顧工作性（坍落度擴(kuò)展度等）及強(qiáng)度指標(biāo)來定量判定海工高性能混凝土優(yōu)化后的性能能否滿足工程設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況

珠海市鶴洲至高欄港高速公路一期工程主線全長(zhǎng)18.054km，全線設(shè)特大橋15038.456m/8座（含主線高架橋），大橋2423.25m/3座，設(shè)鶴洲北（樞紐）、鶴洲南（樞紐）、白藤、紅旗、大林（樞紐）互通立交共5處。該項(xiàng)目于2017年11月1日開工，分別于2020年12月4日、2021年9月22日通過交工驗(yàn)收，質(zhì)量等級(jí)為合格。該工程大部分結(jié)構(gòu)物處于近?；蚝Ｑ舐然锃h(huán)境，海上及近海范圍（漲潮岸線以外100m~300m范圍內(nèi)的陸上環(huán)境）環(huán)境作用影響程度Ⅲ-D及以上，根據(jù)《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3310-2019）混凝土耐久性補(bǔ)充設(shè)計(jì)指標(biāo)為電通量或抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)。為保證各結(jié)構(gòu)水泥混凝土具有優(yōu)秀的抵抗氯離子滲透的能力，該工程設(shè)計(jì)明確環(huán)境作用影響程度Ⅲ-D及以上各結(jié)構(gòu)混凝土氯離子滲透性能要求及配合比設(shè)計(jì)要求，見表1。

表1 海上橋梁混凝土配合比要求對(duì)照表

2 試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)方案

基準(zhǔn)配合比為水泥∶粉煤灰∶礦渣粉∶砂∶小石(5mm~10mm碎石)∶大石（10mm~25mm碎石）∶水∶減水劑=201∶125∶94∶741∶222∶890∶147∶5.040。膠凝材料用量為420kg/m，水膠比為0.35，砂率為40%，碎石摻配比例為小石（5mm~10mm碎石）∶大石（10mm~25mm碎石）=20%∶80%，減水劑摻量為1.2%。設(shè)計(jì)坍落度為180±20mm，設(shè)計(jì)坍落擴(kuò)展度為≥450mm。

以上述HGTJ1標(biāo)C40墩柱高性能混凝土配合比為基準(zhǔn)，運(yùn)用控制變量法，在同一膠凝材料用量、同一水膠比、同一砂率、同一碎石摻配比例、同一外加劑摻量的前提下，只改變粉煤灰、礦渣粉用量，即每方混凝土中粉煤灰依次減少10kg，相應(yīng)的礦渣粉增加10kg，確保不改變膠凝材料總用量，各組配合比見表2。

表2 各組配合比中各材料用量

各配合比分別試拌混凝土，觀察混凝土的工作性，檢測(cè)坍落度及坍落擴(kuò)展度，同時(shí)各配合比成型試件6組，其中2組檢測(cè)28d抗壓強(qiáng)度，另取2組檢測(cè)28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)，最后2組檢測(cè)56d氯離子擴(kuò)散系數(shù)。為盡量避免試驗(yàn)誤差，減少成型的混凝土試件的不均勻性，該試驗(yàn)成型的試件均為150mm×150mm×150mm立方體試件，檢測(cè)氯離子擴(kuò)散系數(shù)前需鉆芯、切割、磨平為標(biāo)準(zhǔn)RCM法氯離子擴(kuò)散系數(shù)試件。

2.2 試驗(yàn)材料

水泥采用英德海螺P·Ⅱ42.5水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度為26.8%，比表面積為346m/kg，28d抗壓強(qiáng)度為51.1MPa；粉煤灰采用國(guó)電諫壁F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度為8.4%，燒失量為1.47%，須水量比為96%；礦渣粉采用唐山曹妃甸S95級(jí)礦渣粉，比表面積為437m/kg，流動(dòng)度比為103%，28d活性指數(shù)為97%；減水劑采用江蘇蘇博特PCA-Ⅰ型高性能減水劑（緩凝型），減水率為28%，28天抗壓強(qiáng)度比為132%；水為飲用水；細(xì)集料為廣東北江河砂，細(xì)度模數(shù)為2.77，級(jí)配滿足JTG/T 3650-2020中2區(qū)中砂技術(shù)要求；粗集料為開平錦興石場(chǎng)5~25mm級(jí)配碎石，含泥量為0.6%，針、片狀顆粒含量為3.9%，壓碎值為14.6%（試驗(yàn)方法為JTG E42-2005中T 0316-2005）。

2.3 試驗(yàn)方法

采用SJD-60L型強(qiáng)制式混凝土拌合機(jī)，按JTG 3420-2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中T 0521-2005試驗(yàn)方法拌制水泥混凝土拌合物，以T 0522-2005方法檢測(cè)水泥混凝土拌合物坍落度，并目測(cè)評(píng)定水泥混凝土拌合物工作性；以T 0532-2020方法檢測(cè)水泥混凝土拌合物坍落度擴(kuò)展度。最后以該水泥混凝土拌合物成型6組150mm×150mm×150mm立方體試件，其中2組檢測(cè)28d抗壓強(qiáng)度，另取2組檢測(cè)28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)，最后2組檢測(cè)56d氯離子擴(kuò)散系數(shù)。其中氯離子擴(kuò)散系數(shù)按T 0579-2020方法（即RCM法）測(cè)定，所用儀器為RCM-NTB型混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)快速測(cè)定儀及HEL-VJH型混凝土智能真空飽水機(jī)，所測(cè)得的是水泥混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)，俗稱氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

RCM法基本原理是外加電場(chǎng)作用下氯離子在混凝土中的遷移速率變快，利用AgNO溶液顯色指示劑檢測(cè)混凝土中氯離子的滲透深度，再基于Nernst-Planck方程計(jì)算氯離子非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散系數(shù)。該方法的試驗(yàn)步驟如下。1）成型150mm×150mm×150mm立方體試件，鉆芯、切割、磨平為直徑100mm、高50mm的圓柱體混凝土試件，并養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期；2）將試件在飽和面干狀態(tài)下置于真空容器中進(jìn)行真空處理3h，將飽和氫氧化鈣溶液注入浸沒1h后恢復(fù)常壓，并繼續(xù)浸泡（18±2）h；3）將試件裝入有機(jī)硅橡膠套并用環(huán)箍箍緊；4）將試件上下面分別浸沒于0.3mol/L氫氧化鈉及10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯化鈉的溶液中置于支架上，并連接陰陽(yáng)電極；5）試驗(yàn)溫度控制在20℃~25℃，給試件兩端施加30V±2V的直流電壓，記錄初始電流；6）按初始電流確定試驗(yàn)電壓，以施加試驗(yàn)電壓產(chǎn)生的新初始電流確定試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間，記錄電流變化情況及陽(yáng)極溶液初始溫度、最終溫度；7）取出混凝土試件并將其劈成兩半，噴涂0.1mol/L的AgNO溶液顯色指示劑測(cè)氯離子滲透深度。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

按試驗(yàn)編號(hào)為S1至S5的配合比摻量依次拌制水泥混凝土拌合物，同一個(gè)配合比拌制兩次，每次拌制37L，每次均檢測(cè)坍落度及坍落擴(kuò)展度，目測(cè)評(píng)定其工作性，每次分別成型3組試件，同一配合比共成型6組試件，同一鍋水泥混凝土拌合物成型的3組試件分別檢測(cè)28d抗壓強(qiáng)度、28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)及56d氯離子擴(kuò)散系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

對(duì)同一配合比兩組試驗(yàn)結(jié)果取平均值作為該配合比評(píng)定結(jié)果，并對(duì)該評(píng)定結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 總體分析

根據(jù)表3及圖1（a）可知，在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，隨著粉煤灰摻量的減少、礦渣粉摻量的增加，坍落度及坍落擴(kuò)展度基本穩(wěn)定，均滿足設(shè)計(jì)要求，且水泥混凝土拌合物黏聚性均良好，不泌水，保水性好。這說明水泥混凝土拌合物的工作性并沒有發(fā)生較大的改變，仍然滿足設(shè)計(jì)及施工要求，也間接說明了在一定范圍內(nèi)只增加粉煤灰及礦渣粉含量，且未改變膠凝材料總用量的前提下，水泥混凝土拌合物工作性能不會(huì)發(fā)生較大改變。

表3 不同摻合料摻量的試驗(yàn)結(jié)果

由圖1（b）可知，在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，隨著礦渣粉摻量的增加，28d抗壓強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，基本呈現(xiàn)小幅度向上增長(zhǎng)趨勢(shì)。眾所周知，粉煤灰能夠進(jìn)行二次水化，二次水化的產(chǎn)物強(qiáng)度較高，混凝土中摻入一定量的粉煤灰前期強(qiáng)度普遍比純水泥混凝土強(qiáng)度低，但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快強(qiáng)度較高；而礦渣粉活性比粉煤灰高，前期水化反應(yīng)較粉煤灰快，所以其早期強(qiáng)度相對(duì)于粉煤灰增長(zhǎng)較快。所以，在粉煤灰、礦渣粉的相互協(xié)調(diào)效應(yīng)作用下，隨著礦渣粉摻量的增加，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度不大。因此，適當(dāng)調(diào)整粉煤灰及礦渣粉的摻量并未使混凝土的28d抗壓強(qiáng)度發(fā)生較大改變，仍然滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

圖1 不同摻量摻合料各檢測(cè)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析圖

分析圖1（c）變化趨勢(shì)可知，在試驗(yàn)所選取的摻量范圍內(nèi)，隨著礦渣粉摻量的增加，28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)小幅度下降趨勢(shì)，摻量至試驗(yàn)編號(hào)為S4（粉煤灰摻量95kg，礦渣粉摻量124kg）時(shí)，再提高礦渣粉摻量，28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)基本不在下降，趨于穩(wěn)定。由圖1（d）可知，56d氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化趨勢(shì)基本與28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化趨勢(shì)一致，不同點(diǎn)在于隨著礦渣粉摻量的增加，56d氯離子擴(kuò)散系數(shù)較28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)較為敏感，剛開始下降幅度較大，之后也基本趨于穩(wěn)定。有研究表明，粉煤灰和礦渣粉雙摻時(shí)，由于粒徑不同會(huì)相互填充，從而產(chǎn)生超疊加效應(yīng)，使混凝土的密實(shí)性進(jìn)一步提升。而從試驗(yàn)數(shù)據(jù)上也反映出，隨著礦渣粉摻量的增加，這兩者的超疊加效應(yīng)逐步達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，混凝土的密實(shí)性提升到一定程度后并不能再次提升，所以，氯離子擴(kuò)散系數(shù)最終都會(huì)趨于穩(wěn)定。

3.2 粉煤灰的影響

粉煤灰密度小，較水泥細(xì)，摻入粉煤灰可增大混凝土漿體，使大量漿體填充骨料的空隙，提高了混凝土的密實(shí)性；再者，摻入粉煤灰可以補(bǔ)充細(xì)集料中的細(xì)粒不足部分，優(yōu)化細(xì)集料的級(jí)配，阻礙混凝土的泌水性能，從而大大改善了混凝土的密實(shí)性。研究表明，水泥混凝土越密實(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)越低。所以摻入一定量的粉煤灰可以有效的改善混凝土的密實(shí)性，提高其耐久性，降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

再者，摻入一定量的粉煤灰可以替代一部分水泥，從而降低了水化熱，提高了混凝土的耐久性，降低了氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

所以，摻入適量粉煤灰有助于提高混凝土的耐久性，降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)，由于粉煤灰易變性及二次水化作用，不能保證早期的混凝土密實(shí)性，過多的摻入粉煤灰還會(huì)增大氯離子擴(kuò)散系數(shù)，摻量過少也不能充分發(fā)揮粉煤灰的特性提高混凝土的耐久性，因此，粉煤灰的摻量應(yīng)適當(dāng)，具體摻量應(yīng)根據(jù)各地的原材料特性試配確定。

3.3 礦渣粉的影響

礦渣粉其特點(diǎn)是顆粒超細(xì)，活性較大。也正因?yàn)槠漕w粒超細(xì)特點(diǎn)，礦渣粉在水泥混凝土水泥漿中起微集料效應(yīng)，能細(xì)化孔徑。因此，礦渣粉的微集料效應(yīng)，改善了混凝土內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)，降低了空隙率，使混凝土更加密實(shí)，從而有效地改善混凝土的耐久性，降低了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

最后，礦渣粉是一種具有潛在活性的礦物摻合料。潛在活性是指本身不具有或只有很弱膠凝性質(zhì)的硅質(zhì)或鋁硅質(zhì)材料，在水存在的情況下與CaO反應(yīng)形成水硬性固體的能力。礦渣粉主要化學(xué)成分與水泥熟料相似，只是CaO含量略低，也易與水發(fā)生水化反應(yīng)，較粉煤灰而言，早期水化反應(yīng)強(qiáng)烈，混凝土早期強(qiáng)度較高；而其又具有很高的潛在活性，水化時(shí)能產(chǎn)生較多的水化硅酸鈣，吸附混凝土中的氯離子，從而降低氯離子向混凝土中的滲透作用，因而能提高混凝土的耐久性，大大降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

因此，在礦渣粉出色的微集料效應(yīng)、膠凝效應(yīng)，礦渣粉較粉煤灰在改善混凝土耐久性降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)方面有著更優(yōu)異的性能。因此，在一定范圍內(nèi)，可適當(dāng)降低粉煤灰摻量，提高礦渣粉摻量，從而提高混凝土的耐久性，進(jìn)而嚴(yán)格管控混凝土的耐久性關(guān)鍵指標(biāo)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，達(dá)到優(yōu)化配合比滿足設(shè)計(jì)及工程需求的目的。

4 結(jié)論

在同一膠凝材料用量、同一水膠比、同一砂率、同一碎石摻配比例、同一外加劑摻量的前提下，一定范圍內(nèi)，礦渣粉對(duì)于降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)作用更優(yōu)于粉煤灰的作用。因此，在滿足強(qiáng)度及工作性的前提下，在一定范圍內(nèi)可以適當(dāng)降低粉煤灰摻量、提高礦渣粉摻量來優(yōu)化配合比，尋求礦渣粉與粉煤灰的最優(yōu)組合，充分發(fā)揮它們的超疊加效應(yīng)，以期滿足更加惡劣的海洋氯化物環(huán)境要求。

該文充分考慮了各種材料的優(yōu)異性，發(fā)揮粉煤灰和礦渣粉超疊加效應(yīng)的最大作用，根據(jù)項(xiàng)目原材料實(shí)際情況，精益求精，通過試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)工程施工。