余 剛

（中交四航局珠海工程有限公司 珠海519000）

0 引言

在氯離子的侵蝕作用下，混凝土內(nèi)部的鋼筋存在著巨大的銹蝕風(fēng)險(xiǎn)，銹蝕產(chǎn)物的膨脹效應(yīng)極易引發(fā)混凝土保護(hù)層的開(kāi)裂，隨著裂縫的進(jìn)一步開(kāi)展，混凝土結(jié)構(gòu)的整體承載能力顯著下降［1］。因此，控制氯離子擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)部的速度對(duì)于保障混凝土結(jié)構(gòu)的安全性就顯得尤為關(guān)鍵。通常，采用氯離子擴(kuò)散系數(shù)來(lái)表征氯離子擴(kuò)散進(jìn)入混凝土的速度［2-4］。目前，用于測(cè)試混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的方法主要有自然浸泡法、NEL 法和RCM 法等。其中，由于RCM 法具有試驗(yàn)周期短、操作簡(jiǎn)便、測(cè)試結(jié)果與真實(shí)結(jié)果接近等優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)際上被廣泛采用。

研究人員基于RCM 法開(kāi)展了大量的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)研究［5-7］。楊芳等人［8］采用RCM 法測(cè)試了不同粉煤灰和礦粉摻量組合的28 d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)。姜福香等人［9］分別對(duì)28 d 和56 d 養(yǎng)護(hù)齡期復(fù)摻粉煤灰和礦粉混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了RCM 測(cè)試，并分析了28 d、56 d混凝土氯離子擴(kuò)散性能的變化規(guī)律。Yu 等人［10］對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期分別為28 d、90 d、180 d、365 d 和730 d 的粉煤灰混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，粉煤灰顆粒在28 d 齡期水化反應(yīng)程度非常有限，粉煤灰顆粒的填充效應(yīng)占主導(dǎo)，粉煤灰的二次水化十分緩慢，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增至180 d，在CH 的激發(fā)作用下，粉煤灰的火山灰效應(yīng)占主導(dǎo)，粉煤灰顆粒水化程度較高，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)730 d 后粉煤灰顆粒的水化程度差別不大［10］。由上述分析可知，一方面現(xiàn)有研究主要是針對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期28 d和56 d混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，90 d 長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的研究則較少；另一方面，礦物摻合料的水化進(jìn)程明顯滯后于水泥水化，90 d 后礦物摻合料的二次水化產(chǎn)物進(jìn)一步細(xì)化了混凝土孔結(jié)構(gòu)，礦物摻合料對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響程度明顯增大，但現(xiàn)有研究關(guān)于水膠比對(duì)90 d 長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響機(jī)理及影響程度鮮有報(bào)道，因此有必要開(kāi)展長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期礦物摻合料混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的主要影響因素及其影響程度研究。

本文采用RCM 法開(kāi)展了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為180 d的混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試，分析了水膠比、粉煤灰和礦粉摻量、粉煤灰和礦粉摻量組合對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響程度。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 正交試驗(yàn)和全系列試驗(yàn)

為研究180 d 齡期混凝土中各因素對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，采用正交試驗(yàn)和析因試驗(yàn)的試驗(yàn)方案，以水膠比、粉煤灰和礦粉摻量、粉煤灰和礦粉摻量組合3 個(gè)配合比參數(shù)作為試驗(yàn)因素進(jìn)行研究，試驗(yàn)方案如表1、表2所示。其中有3組正交試驗(yàn)與全系列試驗(yàn)混凝土的配合比重合，共得到15組混凝土配合比。

表1 試驗(yàn)因素與水平（正交試驗(yàn)）Tab.1 Factors and Levels for Orthogonal Experiment

表2 試驗(yàn)因素與水平（析因試驗(yàn)）Tab.2 Factors and Levels for Factorial Experiment

1.2 原材料

水泥選用的型號(hào)為PⅡ42.5，物理性能如下：細(xì)度為2.3%，比表面積為379 m2∕kg，SO3含量2.16%，MgO含量為1.30%，氯離子含量0.016%，不溶物含量0.67%，堿含量0.29%，損耗為2.47。礦物摻合料選用Ⅱ級(jí)粉煤灰和S95級(jí)礦粉，粉煤灰細(xì)度為10%，需水量比為99%，燒失量為3%。礦粉的物理性能如下：密度為2.92 g∕cm3，比表面積為432 m2∕kg，流動(dòng)度比為99%，7 d、28 d活性指數(shù)分別為76%、103%，損耗為0.7。選用的細(xì)骨料為河砂，級(jí)配滿足二區(qū)中砂要求，其表觀密度和細(xì)度模數(shù)分別為2 514 kg∕m3和2.42。選用的粗骨料為5～25 mm 連續(xù)級(jí)配碎石，其表觀密度為2 709 kg∕m3。外加劑選用固含量為12%的聚羧酸系高效減水劑。

1.3 試件制作

將新拌混凝土注入尺寸為φ100 mm×200 mm的圓柱體模具中，震動(dòng)成型后室溫養(yǎng)護(hù)，1 d 后拆模，移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在RCM 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試前7 d 取出混凝土試件，采用雙刀片自動(dòng)切割機(jī)將混凝土試件切割為3 塊尺寸為φ100 mm×50 mm 的混凝土試塊，然后移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至RCM 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試齡期180 d。

1.4 RCM快速氯離子電遷移試驗(yàn)

RCM法最早是由瑞典學(xué)者唐路平教授提出，其基本原理是通過(guò)在飽水后的混凝土試件兩端施加電場(chǎng)，通過(guò)電場(chǎng)加速氯離子在混凝土內(nèi)部的傳輸，然后采用硝酸銀顯色法對(duì)劈裂后的混凝土試塊斷面上氯離子的擴(kuò)散深度進(jìn)行測(cè)定，最后根據(jù)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算公式求解得到混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。本次試驗(yàn)采用RCM測(cè)試設(shè)備，如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 氯離子擴(kuò)散性能分析

根據(jù)表1 和表2 中設(shè)計(jì)的試驗(yàn)因素和水平，可得到共計(jì)15組混凝土配合比，具體信息如表3所示。采用RCM 法對(duì)上述15 組標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180 d 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖1 RCM測(cè)試設(shè)備Fig.1 RCM Test Equipment

表3 混凝土配合比Tab.3 Mix Proportion and RCM Test Results

圖2 RCM測(cè)試結(jié)果Fig.2 RCM Test Results

由圖2 可知，礦物摻合料混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試結(jié)果均小于3×10-12m2∕s，表明標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180 d后礦物摻合料混凝土的密實(shí)程度大大提高，礦物摻合料混凝土具有較高的抗氯離子滲透能力。這主要是由于一方面隨著養(yǎng)護(hù)齡期增大至180 d，粉煤灰的玻璃微珠與CH 發(fā)生二次水化反應(yīng)，大幅度消耗了結(jié)構(gòu)疏松的CH，生成了結(jié)構(gòu)更為致密的C-S-H，有效填充了水泥基體的大孔，優(yōu)化了水泥基體的孔結(jié)構(gòu)；另一方面，隨著粉煤灰和礦粉的進(jìn)一步水化，水化產(chǎn)物CS-H 的生成量大幅增加，C-S-H 具有物理吸附和化學(xué)結(jié)合氯離子的能力，因此隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，礦物摻合料混凝土的結(jié)合氯離子的能力也顯著提高；綜合來(lái)看，礦物摻合料混凝土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180 d后，混凝土結(jié)構(gòu)更為致密，水泥基體的氯離子結(jié)合能力也大幅提高，致使混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)大幅降低。

2.2 因素極差分析

選取表3 中正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的第1 組～第9 組的混凝土RCM 測(cè)試結(jié)果作為研究對(duì)象，進(jìn)行正交試驗(yàn)的極差分析，分析結(jié)果如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)的極差分析Tab.4 Extreme Difference Analysis

由表4 可知，水膠比、粉煤灰和礦粉摻量、粉煤灰和礦粉摻量組合3 個(gè)因素中，水膠比對(duì)應(yīng)的極差值R最大，粉煤灰和礦粉摻量對(duì)應(yīng)的R 值次之，粉煤灰和礦粉摻量組合對(duì)應(yīng)的R 值最小。這說(shuō)明，上述3 個(gè)因素中，水膠比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180 d 后混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響最為顯著，粉煤灰和礦粉摻量、粉煤灰和礦粉摻量組合對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響次之。這主要是由于表3 中水膠比對(duì)應(yīng)的因素水平為0.30～0.40，在該范圍內(nèi)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)存在明顯差異；粉煤灰和礦粉摻量對(duì)應(yīng)的因素水平為50%～70%，此時(shí)混凝土中的水泥含量大幅減少，礦物摻合料的水化程度無(wú)顯著差異；因此，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180 d后，水膠比、粉煤灰和礦粉總摻量、粉煤灰和礦粉摻量組合都會(huì)影響混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)，水膠比是影響混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的主要因素。

2.3 因素水平趨勢(shì)分析

分別以水膠比、粉煤灰和礦粉摻量、粉煤灰和礦粉摻量組合的因素水平作為橫坐標(biāo)，以180 d 氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試結(jié)果的平均值作為縱坐標(biāo)，繪制因素水平的趨勢(shì)，如圖3所示。

圖3 正交試驗(yàn)因素水平趨勢(shì)Fig.3 Factor Level Trend for Orthogonal Experiment

由圖3可知，隨著水膠比的增大，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期為180 d 對(duì)應(yīng)的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大；隨著粉煤灰和礦粉摻量的增大，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸減??；粉煤灰摻量與礦粉摻量的比例為1∶1時(shí)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最小值。這主要是由于礦粉為潛在水硬性材料，在堿性環(huán)境下自身就可以水化，性質(zhì)與水泥相似，可以有效改善水泥顆粒的級(jí)配，提高混凝土的密實(shí)度；粉煤灰和礦粉的比例相同時(shí)，由水泥、粉煤灰、礦粉構(gòu)成的三元膠凝體系的顆粒級(jí)配更為合理，粉煤灰和礦粉的二次水化反應(yīng)可以相互促進(jìn)，生成了數(shù)量更多的低鈣硅比的C-S-H 凝膠，有效填充了水泥基體的粗大孔隙結(jié)構(gòu)，減小了孔隙的連通，增大了孔隙的彎曲度。因此，在混凝土強(qiáng)度滿足要求的前提下，礦物摻合料混凝土宜選用粉煤灰和礦粉復(fù)合摻加，其摻量比例為1∶1。

選取水膠比為0.35 的9 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別以粉煤灰和礦粉摻量、粉煤灰和礦粉摻量組合的因素水平為橫坐標(biāo)，以180 d 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試結(jié)果作為縱坐標(biāo)，可得析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的因素水平的趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 析因試驗(yàn)因素水平趨勢(shì)Fig.4 Factor Level Trend for Factorial Experiment

由圖4可知，隨著粉煤灰和礦粉總摻量的增加，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，總摻量越大，下降的趨勢(shì)越明顯；粉煤灰和礦粉復(fù)合摻量分別為50%和60%時(shí)，粉煤灰和礦粉摻量組合對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響不顯著，當(dāng)粉煤灰和礦粉復(fù)合摻量達(dá)到70%時(shí)，粉煤灰和礦粉摻量組合對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)有顯著影響，粉煤灰和礦粉摻量比例為1∶1時(shí)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最小值。

3 結(jié)論

基于正交設(shè)計(jì)和析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)制備了15 組不同配合比的混凝土，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180 d 后測(cè)試了混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，分析結(jié)果表明：

⑴ 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180 d 后，礦物摻合料混凝土的密實(shí)程度大大提高，具有較強(qiáng)的抗氯離子滲透能力；

⑵水膠比是影響標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180 d 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的最主要因素，粉煤灰和礦粉總摻量、粉煤灰和礦粉摻量組合是次要影響因素；

⑶粉煤灰和礦粉復(fù)合摻量高達(dá)到70%時(shí)，粉煤灰和礦粉摻量組合對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)有顯著影響；當(dāng)粉煤灰和礦粉摻量比例為1∶1時(shí)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最小值。