摘要 研究了不同种类矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响，试验结果显示单掺矿渣能降低氯离子扩散系数，掺量为40％时最佳；单掺粉煤灰可改善混凝土抗氯离子渗透能力，且当掺量为30％时氯离子渗透系数最小；单掺烧页岩提高氯离子渗透系数。从机理上分析，矿渣和粉煤灰改善了混凝土中的薄弱界面，细化孔结构，生成更多的水化产物，提高了混凝土抗氯离子渗透能力。烧页岩因为结构疏松，吸水较多，混凝土结构内部产生大量孔隙，降低了抗氯离子渗透能力
关键词 矿物掺合料 混凝土 氯离子渗透
中图分类号：TU528
0 引言
现代建筑中钢筋混凝土占了混凝土总量的很大比例，而钢筋混凝土中钢筋锈蚀带来的问题十分严重，是混凝土结构破坏的主要原因之一。钢筋混凝土中的钢筋能够不被破坏的前提是表面有一层完整的钝化膜，如果这层钝化膜遭到了破坏，外界环境中的一些离子就很容易引起混凝土内部钢筋的锈蚀，从而导致钢筋体积膨胀，破坏钢筋与混凝土结合的界面，使钢筋与混凝土发生剥离，进而导致混凝土破坏的现象。而氯离子可以通过破坏钢筋的钝化膜方式使钢筋产生锈蚀，因此抗氯离子渗透性是反映混凝土抵抗钢筋锈蚀能力的一个重要参数[1][2]。
近年来很多工程使用的混凝土在施工过程中都会掺加矿物掺合料[3]，试验证明适量掺加矿物掺合料可以降低混凝土结构的孔隙率，提高结构的致密性，从而有效的降低氯离子的渗透性，提高混凝土的使用寿命[4][5]。目前对于多种矿物掺合料掺加后对混凝土氯离子渗透性的影响已经有了研究，但是因为各地的材料有所差别，所以结论不尽相同。本文主要研究了单掺磨细粉煤灰、矿渣和烧页岩对高阿利特水泥配制的混凝土Cl-渗透扩散性影响，并分析探讨了其机理。
1 原料与试验方案 1.1 原材料
熟料采用陕西秀山水泥有限公司生产的熟料，其中C3S含量为70.8％，fCaO含量为1.2％，28d抗压强度为59.7Mpa。掺合料采用磨细矿渣，粉煤灰，和在800℃下煅烧烧30min的烧页岩，比表面积分别为465m2/kg，450m2/kg，和440m2/kg。粗集料采用5-16mm的石灰石碎石，表观密度为2700kg/m3。细集料为河砂，细度模数为2.8，表观密度为2690 kg/m3。
1.2 试验方法
试验采用相同的水胶比0.57，用水量为226 kg/m3，胶凝材料配比见表1。骨料品种及用量均不变，其中砂用量为634 kg/m3，石子用量为1194kg/m3。
按照配比称取适量胶凝材料，石子，砂，和水，用强制搅拌机将原料搅匀，取适量进行混凝土塌落度的测定，另依据ASTM C1202法将混凝土搅拌物装入直径为100mm高为50mm的模具，湿布覆盖于20℃±5℃条件下养护24h后脱模。置于20℃±3℃氢氧化钙饱和溶液中养护至28d。将试块从溶液中取出，湿布擦去表面浮水碎屑，装入塑料试验夹具中，用704胶将边缘密封，以防溶液渗漏。正负极端槽内分别注入0.3mol/L的NaOH溶液和3％的NaCl溶液，过2min后，测量试件的电导，进而换算出试件的相对氯离子渗透系数，公式如下。
式中：D－相对氯离子扩散系数，m2/s
G20－试件20℃时的电导值，S。
2 试验结果与讨论
2.1 塌落度
各组试样测得的塌落度值和相对氯离子渗透系数值见表2。
从表中数据可见，混凝土拌和物的塌落度随矿渣掺量的增加变化不大，只在掺量在20－40％时稍微有所下降，但幅度很小，说明矿渣对混凝土工作性能影响不大；这是因为矿渣结构比较致密的，不易吸水，不会导致需水量的大量增加,所以塌落度下降不大。而掺加粉煤灰后，混凝土拌和物的塌落度均比未掺加时有所增加，当掺加10％粉煤灰塌落度提高最多，之后随粉煤灰掺量的增加塌落度有所下降，掺加40％时塌落度最低，达到65mm，但仍然比未掺加时要高；这是因为粉煤灰多为玻璃体，吸水少，且形状多为球形颗粒，在混凝土拌和物流动过程中起到滚珠的作用，具有一定减水作用，所以在掺加粉煤灰后，在其他条件不变的情况下，混凝土流动性增加，塌落度会有所提高。掺加10％的烧页岩使塌落度降到45mm，掺量达到20％后塌落度继续降低，为30mm，说明烧页岩的掺加会增加混凝土拌和物的拌和用水量；这是因为页岩经过800℃煅烧以后，部分矿物分解，结构变得疏松，会吸收较大量的拌和用水，导致塌落度下降。
2.2 氯离子渗透性能
氯离子渗透性测试结果见表3。
从表3数据可以看出，Cl-渗透性等级随矿渣掺量的增加逐渐下降，随粉煤灰掺量的增加也逐渐下降，但是烧页岩提高的Cl-渗透性等级。
掺加矿渣和粉煤灰后均可以降低氯离子扩散系数。掺加矿渣以后氯离子扩散系数一直下降，且掺加40％矿渣后氯离子扩散系数最低。掺加粉煤灰后氯离子扩散系数随掺量增加先是持续下降，当掺加30％粉煤灰时最小，然后升高；说明当粉煤灰掺量小于30％时，粉煤灰掺量增加有利于提高混凝土抗氯离子渗透性能的影响，而当掺量达到40％时，混凝土氯离子扩散系数有所提高。随掺加烧页岩量的增加，氯离子扩散系数也逐渐升高。
影响氯离子扩散系数的基本因素主要有：（1）混凝土对氯离子物理或化学的结合能力，（2）混凝土对氯离子渗透的阻碍能力。矿渣的加入改善了混凝土内部的微结构，首先是填充了部分空隙，有效的降低了混凝土中大孔的含量，其会与水泥水化产生的氢氧化钙发生二次水化反应，减少了稳定性较差的氢氧化钙的粗大晶粒，削弱了其在界面上的富集现象，优化了界面结构，生成更多的稳定性较好的水化产物，水化结构更加致密，有助于阻挡氯离子的渗透。。同时，氢氧化钙的溶解会导致混凝土结构的疏松，是引起混凝土破坏的原因之一，二次水化反应消耗了一部分氢氧化钙，减少了其含量，从而提高了混凝土抗氯离子渗透性能。另一方面，矿渣中较大量无定形的Al2O3能吸收氯离子，生成单氯水化铝酸钙（C3A﹒CaCl2﹒H2O）,这部分氯离子被固化到晶格当中，通常不会对钢筋够成危害，从而进一步减少了混凝土孔溶液中的有害氯离子的数量。随掺量的增加，其有益的效果愈加明显，说明矿渣掺量小于40％时，掺加量越多越有利于抵抗氯离子的渗透。
氯离子渗透系数随粉煤灰掺量的增加呈现先减小后增加的趋势。粉煤灰具有填充效应和火山灰效应，但同时粉煤灰具有活性较低的缺点，当掺量较少的时候（﹤30％），这填充效应和火山灰效应的有益效果掩盖了其活性不足的一面，所以随掺量的增加氯离子渗透系数有所下降，但当掺量较高时（﹥30％），粉煤灰活性不足导致二次水化不完全，短龄期混凝土结构比较疏松，造成氯离子渗透系数增加。
烧页岩的掺加增大了氯离子渗透系数，这是因为烧页岩结构比较疏松，内部存在很多孔隙，这些空隙在混凝土拌合初期会吸收大量水分，这也是导致混凝土拌合物塌落度较小的原因，另一方面，这些早期被吸收进混凝土内部的水分随水化的进行会被反应掉，或者通过泌水通道流失，在这个过程中会留下一定的孔隙，从而导致混凝土结构比较疏松，内部结构中大孔较多，从而使氯离子渗透系数提高。
3 结论
通过以上试验，得出如下结论：
（1） 本试验范围内，矿渣的掺加对混凝土塌落度影响不大，粉煤灰提高混凝土拌合物的流动性，烧页岩降低其流动性。
（2） 矿渣的掺加可以提高抗氯离子渗透性，掺量40％最好；粉煤灰的掺加也可提高抗氯离子渗透性，且掺量30％最好；烧页岩的掺加会降低抗氯离子渗透性能。
参考文献
1 叶建雄, 李晓筝, 廖佳庆，等. 矿物掺合料对混凝土氯离子渗透扩散性研究, 重庆建筑大学学报, 2005, 27(3):89
2 陈剑雄, 石宁, 张旭. 高掺量复合矿物掺合料自密实混凝土耐久性研究, 混凝土, 2005, (1):24
3 谢友均, 马昆林, 刘运华. 蒸养超细粉煤灰高性能混凝土性能试验研究, 深圳大学学报 理工版, 2007, 24(3):234
4 谢友均, 刘宝举, 刘伟. 改善水泥浆体结合氯离子性能的试验研究, 铁道科学与工程学报, 2004, 1(2):46
5 胡红梅, 马保国. 矿物功能材料对混凝土氯离子渗透性的影响, 武汉理工大学学报, 2004, 26(3):19
