摻超細活性硅微粉混凝土的抗凍、抗碳化及抗氯離子滲透性能研究

李文麗

（許昌學院土木工程學院，許昌461000）

摻超細活性硅微粉混凝土的抗凍、抗碳化及抗氯離子滲透性能研究

李文麗*

（許昌學院土木工程學院，許昌461000）

通過摻入量分別為10%、15%和20%超細活性硅微粉混凝土抗碳化試驗、凍融性試驗及抗氯離子滲透試驗，研究了超細活性硅微粉對混凝土耐久性能的影響。試驗研究表明：摻入一定量的超細活性硅微粉可提高混凝土抗碳化性能，但摻入量超過15%后抗碳化性能逐漸減弱；摻入超細活性硅微粉可增強混凝土抗凍性能，提高混凝土抗氯離子滲透性，且隨著超細活性硅微粉摻入量的增加，混凝土抗凍性能以及抗氯離子滲透性逐漸增強。

超細活性硅微粉，抗凍性能，抗氯離子，抗碳化

1 引 言

混凝土是現代工程中最常用的人工土建材料，具有取材方便、經濟，易于加工成型匹配性好、可調整性強等多個優點，以鋼筋混凝土結構代替鋼、木結構可節省大量的鋼材木材，但目前使用的低強度等級的混凝土，耐久性能往往較差，不利于建筑的長期使用，增加維護成本。以往的研究認為混凝土高毛細孔率、水化產物中Ca（OH）2含量高是導致混凝土耐久性較差的主要因素，因此實際工程中往往采取摻入高效減水劑、活性礦物質摻合料等措施來改善混凝土強度［1］。超細活性硅微粉（Ultra-fine Active Silica Powder，UASP）是一種活性摻合料，是火山灰沉積作用生成的硅質巖石經過粉磨和細化處理后的粉末制品，國內以往有研究發現，在混凝土中摻入一定量的超細活性硅微粉可提高混凝土工作性能和力學性能，但對于摻入超細活性硅微粉后混凝土耐久性能的改變研究較少。本文即通過抗碳化試驗、凍融性試驗及抗氯離子滲透試驗對摻超細活性硅微粉混凝土的耐久性能進行探討。

2 試驗概況

2.1 原材料

本試驗中水泥（cement，C）使用粵秀P·O42.5級水泥；硅灰（silica fume，SF）使用艾肯94級硅灰；超細活性硅微粉（SSP）為由火山灰沉積作用所生成的硅質巖石經粉磨和超細處理后所得，細集料采用細度模數為2.5的普通河砂，含泥量0.6%，松散堆積密度1 530 kg／m3，表觀密度2 650 kg／m3；粗集料為平均粒徑15 mm連續級配天然碎石，表觀密度2 660 kg／m3，松散堆積密度1 510 kg／m3，壓碎指標11.3%，含泥量0.6%，針片狀含量3.8%；使用聚羧酸高效減水劑，減水率為25%；混凝土拌合及養護水均使用自來水。

1.2 混凝土配合比設計

本試驗分三組進行，三種不同混凝土的水膠比固定為0.36，以C表示為基準混凝土；UASP-10、UASP-15、UASP-20分別表示摻入10%、15%和20%超細活性硅微粉的混凝土；每種摻入比超細活性硅微粉混凝土均設置相同摻入比硅灰的混凝土作為對照組，編號分別為SF-10、SF-15、SF-20。每組均設計制作三個試件，試件均在實驗室內制作完成，參照《普通混凝土長期性能及耐久性能試驗方法標準》（GB／T 5008—2009）［2］中相關規定進行，基準混凝土、超細活性硅微粉混凝土及硅灰混凝土配合比見表1。

表1 基準混凝土、超細活性硅微粉混凝土及硅灰混凝土配合比Table 1 M ix proportions of reference concrete、ultra-fine active silica powder concrete and silica fum e concrete

2.3 試驗方法

2.3.1抗碳化試驗

本試驗中碳化試驗按照GB／T 5008—2009［2］中相關規定進行，混凝土試件規格為100 mm× 100 mm×100 mm的立方體，在標準養護條件下養護26d后，放入烘箱中，以60℃溫度烘48 h后，使用石蠟密封試件表面，經密封處理后轉入碳化箱中碳化，碳化箱中預設溫度（20±5）℃，濕度（70±5）%，二氧化碳濃度（20±3）%，分別在碳化3 d、7 d、14 d、28 d時劈裂試件測量其碳化深度。

2.3.2凍融性能試驗

試驗中抗凍性試驗參照GB／T 5008—2009［2］中快速凍融法進行，混凝土試件規格為100 mm× 100 mm×100 mm棱柱體，標準養護條件下養護28 d；取出檢查外觀，置入15℃～20℃水中浸泡4 d，保證水面高度高出試件高度超過200 mm；取出試件，清除干凈表面浮渣及積水，使用混凝土凍融試驗機進行凍融試驗，每次凍融循環在2～4 h內完成，凍融達到300次循環、相對動彈模量下降到60%以下、重量損失率達5%等三種情況中的任一種時，停止試驗，采用式（1）—式（3）計算經N次凍融試驗后試件的相對動彈性模量P、試件質量損失ΔWn和試件抗壓強度損失ΔRn。

式中，fn為試驗后試件橫向基頻，Hz；f0為試驗前試件橫向基頻初始值，Hz；G0為試驗前試件質量，kg；Gn為試驗后試件質量，kg；R0為對比試件強度，kg；Rn為凍融試件強度，kg；n為循環試驗次數。

2.3.3抗氯離子滲透試驗

本試驗中抗氯離子滲透試驗參照GB／T 5008—2009［2］中電通量法進行，混凝土試件設計規格為φ100 mm×300 mm，采用硅膠對試件進行側面密封處理，放入1 000 ml燒杯中置入真空干燥機進行真空保水，真空干燥劑內數分鐘內真空度達到133 Pa以下，真空保水3 h后，保持真空度注入蒸餾水至試件完全淹沒，浸泡1 h后取出試件，常壓下浸泡20 h［3］；取出試件，清除干凈試件表面積水，置入試驗槽內進行電通量試驗，試驗槽中水面低于裝置頂面5 mm，水溫20℃～23℃。20℃～25℃恒溫下進行試驗，在試件一側試驗槽內注入0.3%氯化鈉溶液，試驗槽內銅網連接電源負極，在試件另一側試驗槽內注入0.3 mol／l氫氧化鈉溶液，連接電源正極；接通電源對試驗槽內銅網施直流恒電壓，電壓為60 V，通電6 h，記錄試驗過程中電流值［4］。

2.4 凈漿微觀試驗

設計相應的微觀試驗，以從微觀角度研究超細活性硅微粉對混凝土的影響機理。試驗試件在4 cm×4 cm×4 cm剛模內成型，20℃溫度下標準養護室養護至28 d齡期，取出試件，使用壓力機壓碎；取少許壓碎水泥石，以無水乙醇終止水化，恒溫60℃烘干至恒重，取烘干處理后水化試樣，對新鮮斷面進行鍍膜處理，使用掃描點睛（SEM）觀察試件微觀結構［5］。

3 試驗結果及分析

3.1 抗碳化試驗

表2為基準混凝土和分別摻入10%、15%、20%超細活性硅微粉的混凝土及分別摻入10%、15%、20%硅灰的混凝土在碳化箱內碳化3 d、7 d、14 d和28 d后的試驗結果。從表中數據可知，摻入超細活性硅微粉和硅灰后混凝土抗碳化性能均有所提高，且隨著超細活性硅微粉摻入量的增加，混凝土抗碳化性能呈先增強后下降的趨勢，二者變化趨勢相仿。摻入摻合料后，混凝土抗碳化機理也更加復雜，由于摻合料的摻入，混凝土中的水泥比例下降，使混凝土液相pH值也有所下降，混凝土體系中堿儲備減少，導致混凝土的抗碳化性能下降［5］。而摻入的超細活性硅微粉和硅粉為超細活性料，材料粒徑小，具備微填充效應，并具有較強的火山灰效應。國內以往的研究者發現，在混凝土中摻入較細的礦物質可減小水泥石毛細孔孔徑，減小混凝土的孔隙率，提高水泥石密實程度，從而提高混凝土抗碳化能力。由于超細活性料帶來的微填充效應及火山灰效應等正效應高于其降低混凝土液相pH值的負效應，因而摻入適量的超細活性料后，混凝土抗碳化能力有所提高。而隨著超細活性料摻入量的增加，由其所帶來的負效應高于正效應，導致混凝土的抗碳化能力也逐漸降低。從試驗結果可知，摻入硅灰的混凝土抗碳化性能較摻入超細活性硅微粉的混凝土抗碳化性能更強，超細活性硅微粉中CaO、MgO等堿性氧化物的含量較硅灰更低，也就使得混凝土摻入超細活性硅微粉后液相pH值及體系中堿儲備較摻入硅粉的混凝土更低，由摻合料所帶來的負效應更高，導致混凝土的抗碳化能力下降更為明顯。

表2 基準混凝土、摻超細活性硅微粉及硅灰混凝土抗碳化試驗結果Table 2 Results of carbonation test of reference concrete、u ltra-fine active silica powder concrete and silica fume concrete mm

3.2 凍融性試驗

3.2.1試驗現象

本次凍融試驗中，在進行凍融循環50次后，觀察三種混凝土，基準混凝土表面有輕微剝蝕，超細活性硅微粉混凝土和硅灰混凝土表面均無明顯變化；進行凍融循環試驗100次時，觀察三種混凝土試件均出現剝蝕現象，基準混凝土剝蝕現象較超細活性硅微粉混凝土和硅灰混凝土嚴重（圖1）；凍融循環試驗進行到150次時，基準混凝已基本被破壞，表面、棱角漿體大量剝落，試件混凝土骨料也有所剝落。不同編號的混凝土試件各制作三組，進行試驗后，基準混凝土凍融破壞次數平均為158次，摻入10%、15%、20%超細活性硅微粉的混凝土凍融破壞次數平均分別為167次、186次、203次，摻入10%、15%、20%硅灰的混凝土凍融破壞次數平均分別為179次、192次、211次。

圖1 三種混凝土試件凍融破壞外觀Fig.1 Failure patten of three kinds of concrete specimens after freezing-thawing

3.2.2試驗結果

表3為基準混凝土和分別摻入10%、15%、20%超細活性硅微粉的混凝土及分別摻入10%、15%、20%硅灰的混凝土凍融性試驗結果。從表中數據可知，摻入超細活性硅微粉和硅粉后混凝土凍融破壞次數有所提高，試件質量損失率及抗壓強度損失率均有所降低，隨著超細活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗凍融次數也逐漸增加，質量損失率及抗壓強度損失率逐漸下降；同等摻入量的條件下，摻入硅粉的混凝土抗凍性能略優于摻入超細活性硅微粉的混凝土。以往的研究指出，摻合料的火山灰活性效應可固定混凝土中的Ca（OH）2，可減緩由于浸析擴大冰凍劣化孔隙的速度，同時摻入超細活性料的填充效應減少了混凝土內部孔隙及毛細孔，使混凝土結構更密實，從而可改善混凝土抗凍性能，硅灰的火山灰活性較超細活性硅微粉更強，對混凝土抗凍性能的改善也更加明顯。

表3 基準混凝土、摻超細活性硅微粉及硅灰混凝土凍融性試驗結果Table 3Results of freezing-thaw ing test of reference concrete，ultra-fine active silica pow der concrete and silica fume concrete

3.3 抗氯離子滲透性試驗

表4為基準混凝土和分別摻入10%、15%、20%超細活性硅微粉的混凝土及分別摻入10%、15%、20%硅灰的混凝土28d氯離子滲透試驗結果。從表中數據可知，摻入超細活性硅微粉和硅粉混凝土通電量有所下降，抗氯離子滲透性有所提高；隨著超細活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗氯離子滲透性能逐漸增加。超細活性料可阻塞混凝土中孔隙，發揮密實填充效應，降低混凝土的滲透性，超細活性料中的化學成分可以與水化產物發生二次水化，生成C-S-H凝膠，填充于孔隙處，改變孔結構，細化孔徑，進一步降低混凝土滲透性，阻斷滲透通道的形成，從而改善混凝土抗氯離子滲透性能。

表4 基準混凝土、摻超細活性硅微粉及硅灰混凝土抗氯離子滲透性試驗結果Table 4 Results of to chloride ion penetration test of reference concrete，ultra-fine active silica powder concrete and silica fum e concrete

3.4 微觀形貌

相同養護條件下，觀察基準混凝土（A1）、摻超細活性硅微粉（A2）及硅灰混凝土（A3）試樣，A1試樣中纖維狀物質較多，水泥石微空隙處可見針狀鈣礬石（AFt）生成，且有定向生長氫氧化鈣（CH）生成；A2試樣有纖維物質生成，但分布更均勻，纖維間搭接成致密的網，無纖維的地方凝膠較A1試樣致密，微孔隙的數量明顯減少，可見AFt生成，CH明顯減少；A3試樣纖維較細化且分布均勻，纖維間搭接更加致密，凝膠組成較A1、A2更加致密，CH生成量明顯低于A1、A2，AFt十分豐富，其中摻量為10%的各試樣電子掃描微觀形貌圖可見圖2。

圖2 不同摻合料水泥硬化漿體（×1000）Fig.2 Hardened cement paste with different admixture（×1000）

3.5 力學性能

為量化超細活性硅微粉對混凝土理學性能的增強效果，采用礦物摻合物火山會活性的“強度比法”，對其進行量化計算和評價。根據“強度比法”，礦物摻合料的活性指數A是衡量和量化摻合料火山灰活性基本參數，即單位活性礦物摻合料（1%活性礦物摻合料）所提供的火山灰效應強度貢獻率，計算公式如下：

式中，R比滲和R基準分別為含摻合料混凝土和基準混凝土比強度（MPa）。

含摻合料混凝土比強度R及基準混凝土比強度R可由式（3）計算得出：

式中，P火山為火山灰效應強度貢獻值。

火山灰效應強度貢獻率P火山，即表征礦物摻合料的火山灰效應對混凝土強度大小貢獻的數值，如式（2）所示：

式中，R比，R，q分別為混凝土比強度系數、混凝土強度絕對值和混凝土中摻合料或水泥占總膠材料的百分比。

根據上式計算相應結果，得知超細活性硅微粉的火山灰活性在混凝土水化反應早期有較明顯表現，隨水化反應繼續進行；在水化反應前期，超細活性硅微粉與硅灰火山活性較接近，在28 d齡期后，硅灰較高的水化活性優勢逐漸表現出來。

4 結 論

（1）摻入超細活性硅微粉和硅粉后混凝土抗碳化性能有所提高，且隨著超細活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗碳化性能呈先增強后下降的趨勢；摻入硅灰的混凝土抗碳化性能較摻入超細活性硅微粉的混凝土抗碳化性能更強，摻入一定量的超細活性硅微粉可提高混凝土抗碳化性能。

（2）摻入超細活性硅微粉和硅粉后可增加混凝土凍融破壞次數，試件質量損失率及抗壓強度損失率均有所降低，隨著超細活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗凍融次數也逐漸增加，質量損失率及抗壓強度損失率逐漸下降；同等摻入量的條件下，摻入硅粉的混凝土抗凍性能略優于摻入超細活性硅微粉的混凝土。

（3）摻入超細活性硅微粉和硅粉可提高混凝土抗氯離子滲透性；隨著超細活性硅微粉和硅粉摻入量的增加，混凝土抗氯離子滲透性能逐漸增加。

（4）摻入超細活性硅微粉和硅粉可明顯改善水泥石微觀結構，使水泥石更加致密，硅粉的改善效果優于超細活性硅微粉。

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The Study of Freezethraw Durability，Carbonation Resistance and
Ability to Resist Chloride Ion Penetration of Ultra-fine Active Silica Powder Concrete

LIWenli*
（College of Civil Engineering，Xuchang University，Xuchang 461000，China）

The effects of ultra-fine active silica powder（USAP）on the durablities of concrete were studied by themethods of freezethraw test and carbonation test of 10%，15%and 20%addingmixing amount of UASP.The results showed that conditions in the appropriatemixing amount of UASP can improve the carbonation resistance.The freezethraw durability and ability to resist chloride ion penetration could be improved by adding mixing amount UASP.

ultra-fine active silica powder（UASP），freezethraw，ability to resist chloride ion penetration，carbonation

2014－03－25

*聯系作者，Email：313489058＠qq.com