粉煤灰对混凝土渗透性的影响研究

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摘要：抗氯离子渗透性一般作为评价海工结构混凝土耐久性的主要指标。为提高混凝土的耐久性，常在混凝土掺加粉煤灰等掺合料。本文利用热雨试验箱和海水对比研究掺合料对混凝土耐久性的影响。

关键词：海工混凝土； 耐久性； 墙体耐候性热雨系统试

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

海工混凝土的耐久性研究及其评估是当今国际研究的热点课题。然而，当前研究混凝土的耐久性和寿命预测大多数是荷载和单一盐溶液的简单复合作用下混凝土的损伤得到的，其中未考虑结构混凝土实际所处环境、气候和海水中多种离子的共同作用等影响，不能客观地反应实际结构混凝土的耐久性。墙体耐候性热雨系统试验箱可营造出温度、湿度和风力等因素变化的环境，与混凝土实际所处环境相似。将混凝土堆成长柱状，利用该系统开展试验来测试混凝土的耐久性，将更加客观反应实际结构混凝土的耐久性和服役寿命。

1试验原材料与方法

1.1 试验原材料与混凝土配比

水泥：塔牌P.O 42.5，塔牌水泥厂生产；砂：河砂，细砂，细度模数2.1；碎石：5-25mm；减水剂：禾泰HT-120萘系减水剂，减水率25%；矿物掺合料：粉煤灰，二级灰，黄埔电厂生产；水：自来水；钢筋：φ6mm，线材HPB235，截断至100mm左右长，使用前打磨光亮。

采用C30、C50两个强度等级，分别不掺粉煤灰、以粉煤灰1.2倍取代15%水泥，共四种配比分别进行试验，具体配比如表1：

表1 混凝土配比表

1.2 试验方法

热雨试验所用仪器为热雨试验系统，参数设置为：8小时为1个循环，其中升温至70℃后保温3小时，喷室温海水1小时，降至室温静停4小时。仪器设置了2排喷头，错开排列，可连续喷洒室温海水，保证每个试块都能被喷淋到。

混凝土电通量测试方法：参照国标GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。所用仪器为北京耐尔仪器设备有限公司生产的NEL-PEU型混凝土电通量测试仪。

混凝土扩散系数测试方法：RCM法，参照国标GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。所用仪器为北京耐尔仪器设备有限公司生产的RCM-NTB型氯离子扩散系数测试仪。

钢筋混凝土内钢筋腐蚀电位测试方法：钢筋混凝土所用混凝土配比同上，钢筋插入距混凝土两个边缘20mm左右处，即控制保护层厚度为20mm左右，至规定龄期时，用冲击钻等工具凿出钢筋，使钢筋尾端外露20-30mm，测试所用仪器为进口CANIN+型钢筋锈蚀检测仪。

2 试验过程

2.1 素混凝土抗压强度对比

混凝土成型后标准养护28d测试立方体抗压强度，28d后分别放入海水池中浸泡90d、放入热雨试验箱中90个循环（30d）后测试抗压强度，测试前先将试块放入水中浸泡饱水，得到试验结果如图1所示。

图1混凝土28天及热雨试验90循环后抗压强度 图2 各种混凝土试块扩散系数结果图

由图1可以看出，同种试块，热雨循环90次后混凝土试块强度较高，海水浸泡次之；掺加粉煤灰的混凝土28d试块抗压强度有不同程度下降；海水浸泡和热雨循环后，掺加粉煤灰试块强度提高，其中热雨循环提高幅度更大，C50级提高幅度更大。表明热雨循环相当于蒸养，使混凝土强度增长加快，60d龄期混凝土较120d龄期（海水浸泡）强度高；掺加粉煤灰降低试块早期强度，但提高中后期强度，对于高强度混凝土提高更明显。

2.2 素混凝土渗透性能对比

2.2.1扩散系数比较

混凝土成型后养护至28d测试各种混凝土RCM法扩散系数，28d后分别放入海水池中浸泡90d、放入热雨试验箱中90个循环后测试扩散系数，试验结果如图2所示。

由图2可以看出，C30级混凝土试块的扩散系数明显大于C50的，同等级混凝土试块扩散系数中，经热雨循环90次的试块较大，海水浸泡90天试块扩散系数小于龄期为28天的试块，更小于热雨循环90次的试块，对于早期试块（28d），掺加粉煤灰提高其扩散系数，但对于海水浸泡和热雨循环，掺加粉煤灰降低其扩散系数，其中热雨循环降低更明显。表明混凝土扩散系数与其强度相关良好，强度较低者，扩散系数较高，同条件下混凝土强度与其密实度相关，密实度较低，扩散系数大。海水中浸泡90天后，混凝土强度提高，密实度提高，故扩散系数降低；热雨循环90次后混凝土强度和密实度较高，但扩散系数却最高，其原因应该是试块经热雨试验循环后海水中氯离子有所渗入，造成通电及劈开用硝酸银溶液测氯离子扩散深度时，深度偏大，故扩散系数偏大，氯离子渗入量与其密实性相关，试块强度越高，越密实，氯离子渗入越少，测得扩散系数越小。掺加粉煤灰降低试块早期强度，降低其密实度，故扩散系数提高；但提高中后期强度和密实度，对于高强度混凝土提高更明显，扩散系数降低幅度较大。

混凝土在海水中浸泡时，氯离子的渗入对其扩散系数测试结果影响较小，而热雨循环后混凝土氯离子的渗入已造成测试扩散系数提高，表明更符合混凝土实际工作环境的热雨循环试验使氯离子更容易扩散进入混凝土，其耐久性将较单纯海水中浸泡低，更能反映混凝土实际耐久性情况。

图3 各混凝土试块电通量测试结果图图4 混凝土内钢筋腐蚀电位

2.2.2电通量比较

混凝土成型后养护至28d测试其电通量，28d后分别放入海水池中浸泡90d、放入热雨试验箱中90个循环后测试电通量，试验结果如图3所示。

由图3可以看出，电通量测试结果规律与抗压强度规律正好相反，抗压强度较高者，试块电通量较低，C30级混凝土试块的电通量明显大于C50的，掺加粉煤灰提高早龄期试块电通量，降低中后龄期试块电通量，C30级混凝土试块电通量大小顺序为：28d试块>海水中浸泡90d后试块>热雨循环90次后试块，C50级混凝土试块电通量大小顺序为：海水中浸泡90d后试块>28d试块>热雨循环90次后试块。

混凝土扩散系数和电通量试验结果表明：混凝土强度越高，密实度越高，渗透性越低，抗渗性越好，在相同环境下，混凝土的密实程度与其扩散系数和电通量等渗透性能是相关的。粉煤灰的掺入使混凝土的早期渗透性能提高，中后期渗透性能降低，中后期抗渗性提高，对混凝土耐久性有利，但应加强早期的养护和管理。热雨循环试验后，测得扩散系数较28d龄期和120d龄期混凝土都大，而电通量却最低，原因是扩散系数测试值主要由劈开氯离子扩散深度决定，氯离子的渗入对结果影响较大，而电通量测试的是氯离子等在混凝土中的迁移而产生的电量大小，渗入氯离子须在其中发生迁移才对结果产生影响[6]；混凝土经热雨循环后，混凝土强度提高，氯离子渗入深度较大，使扩散系数增大，但在同样电压下，氯离子的迁移主要还是受混凝土密实度的影响，故虽然其中氯离子渗入深度较大，但迁移较难，电通量仍然较低。可见，如果单纯从结果来看混凝土的渗透性，电通量更能反映混凝土真实的渗透性好坏。

2.3各混凝土的钢筋腐蚀电位分析

混凝土成型后养护28d凿开使钢筋部分，测试各混凝土内钢筋腐蚀电位，观察腐蚀情况，28d后分别放入海水池中浸泡90d、放入热雨试验箱中经90个循环后测试混凝土内钢筋腐蚀电位，观察腐蚀情况，试验结果如图4所示。

由图4可以看出，C30级混凝土试块内钢筋腐蚀电位稍低于C50的，掺粉煤灰试块钢筋电位较高，同种混凝土钢筋腐蚀电位大小顺序为：28d直接测量>海水浸泡90d>热雨循环90次；28d龄期混凝土试块钢筋电位在-100~-150mv左右，观察钢筋表面呈褐红色（钝化膜），无明显锈蚀；热雨循环试验后，钢筋腐蚀电位明显降低，编号C30混凝土试块降低幅度较大，其电位降至-200mv左右，观察其钢筋表面仍呈褐红色，但有少许点蚀，表明有氯离子渗透进入距混凝土表面2cm范围内，到达钢筋表面；其它混凝土试块未见锈蚀；说明氯离子的渗入大幅降低了混凝土内钢筋的腐蚀电位，海水热雨循环试验使混凝土中钢筋腐蚀电位降低幅度更大，钢筋受腐蚀几率更大；掺加粉煤灰可提高混凝土内钢筋电位的，即有防锈效果，对结构混凝土耐久性有利。

3 结果与讨论

1. 混凝土渗透性能与抗压强度大小相关，抗压强度较大者，渗透性能较好，抗渗性较差；反之，亦然。

2. 海水热雨循环与单纯海水浸泡相比，热雨循环使氯离子更容易渗入混凝土内部，使得混凝土扩散系数测试结果与电通量结果有差异；单纯从测试结果来看混凝土的渗透性，电通量更能反映混凝土真实的渗透性好坏。

3. 粉煤灰的掺入可降低混凝土早期强度，提高早期渗透性，但提高混凝土的中后期抗压强度，降低中后期渗透性，且提高腐蚀电位，对耐久性有利。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。