摘要：针对北方寒冷地区易受环境或化冰盐中氯离子侵蚀的桥墩或块体混凝土，进行不同掺合料的混凝土配比试验，分析在不同水胶比混凝土中掺入不同组分的矿渣与粉煤灰时混凝土的强度、抗氯盐侵蚀及抗裂性能相关参数的变化情况。试验表明，采用中热水泥和掺量比例适当的三组分胶凝材料，可配制出强度等级较高的满足相关规范要求的具有良好抗裂与抗氯离子侵蚀能力的高性能混凝土。
关键词：高性能混凝土,氯盐侵蚀,热裂缝,试验研究
1. 引言
20 世纪80 年代以来，随着对高性能混凝土的不断研究，混凝土制作水平不断提高，并形成以高强、高耐久性、高工作性为特征的“高性能混凝土(HPC)”新概念[1]。目前可以做到采用常规材料和工艺生产出抗压强度达90MPa 以上的高强混凝土。但实际工程中除了强度要求外，往往还要求混凝土具有良好的体积稳定性、抗裂及防盐类侵蚀性能。
处于氯盐污染环境下的混凝土结构如港口工程、大坝混凝土结构及北方寒冷地区需撒化冰盐的路桥工程及其墩块体结构，一方面因受氯离子的渗透侵蚀作用易导致混凝土内部产生钢筋锈蚀，另一方面由于结构尺寸较大，容易产生温度热裂缝。当裂缝达到一定开度，就会影响其使用寿命。如欧盟有报告认为，假如混凝土设计寿命为50 年，那么从钢筋开始锈蚀到致使混凝土裂缝开度达到1.0mm 时，就被认为达到寿命极限[2]。为此，香港的青马大桥及长江的三峡大坝均采用了严格的措施防止产生热裂缝。一般要求采用低热或超低热水泥，按ASTM 规定：7 天相应水化热应分别低于250J/g 或185J/g。因此，对此类混凝土，既要求有抗氯离子侵蚀能力，又要求控制其水化热过高以避免收缩开裂。
本文针对用于北方寒冷地区易受环境或化冰盐中氯离子侵蚀的桥墩或块体混凝土，根据配制试验测试结果，分析在不同水胶比混凝土中掺入不同组分的矿渣与粉煤灰时混凝土的强度、抗氯盐侵蚀及抗裂性能相关参数的变化情况[3]，为工程实际应用提供参考。
2. 试验方案
（1） 试验材料: 水泥采用42.5#硅酸盐水泥与52.5#中热水泥；试验用砂级配良好，细度模数为2.68；碎石采用二级配石灰岩碎石，含泥量为0.34%，压碎指标为1.0%，级配良好；拌和用水采用自来水，其氯离子含量为12mg/L；考虑到Mohammed TU[4, 5] 的长期试验结果，即混凝土中掺入聚羧酸盐系高效减水剂会对其抗压强度的发展及抗氯化物侵蚀性能产生较大不利影响， 本试验中外加剂采用非聚羧酸盐系高效减水剂[6]湛江FDN-5高效减水剂，其氯离子含量为0.5%，硫酸钠含量为13%，其减水率为20%~25%；粉煤灰采用山西霍州电厂产Ⅰ级灰；矿渣粉采用马钢产磨细矿渣，比表面积为4500m2/kg。
（2）试样制备: 制备18 组试样，其中1-8 组水胶比采用0.30，9-18 组采用0.35，具体配合比（水泥：砂：石）采用情况见表1。
（3）测试项目: 测试胶凝材料不同龄期的水化热；测试试件不同龄期的抗拉、抗压强度；进行混凝土氯离子电通量测试及绝热温升测试。各项测试均为研究分析双组分（含水泥与矿碴或水泥与粉煤灰）和三组分（含水泥、矿碴、粉煤灰）胶凝材料配制混凝土的抗裂、抗拉压强度及抗氯离子侵蚀能力等性能变化情况提供试验数据。
3. 试验结果分析
3.1 各因素对混凝土抗裂性能的影响
首先是掺合料对水泥胶凝材料水化热的影响。根据不同时间不同试样水化热的测试结果（如图1），当胶凝材料中掺入50%的粉煤灰时， 其1d、3d、7d 水化热可分别降低36%、30%和30%，当粉煤灰掺量增加到55%时，其水化热可分别降低53%、35%和32%。若胶凝材料中掺入75%的磨细矿渣粉，其 1d、3d、7d 水化热可分别降低到45%、35%和35%。若采用30%水泥和70%掺合料（粉煤灰10%~20%，磨细矿渣50%~60%）胶凝材料，其1d、3d、7d 水化热可分别降低65%、31%和28%。试验还证明粉煤灰比磨细矿渣的降低水化热效果更明显。另外，当单掺磨细矿渣掺量小于60%时，它对胶凝材料水化热的降低效果并不明显。由试验得知，大掺量的粉煤灰、磨细矿渣或掺用两种掺合料可以显著降低胶凝材料的早期水化热，对后期水化热也有较大的降低作用[7]，并因此改善混凝土的抗裂性能。若掺入适量引气剂（含气量为3%～ 5%）, 还可大大改善其其抗冻性能[8]。
其次是水泥品种的影响。为测试不同水泥品种对水化热的影响，将42.5#硅酸盐水泥与52.5#中热水泥进行了试验对比，并测试各自混凝土的绝热温升，试验按水工混凝土试验规程规定的方法进行。混凝土配合比采用0.35：1：1.78：2.30。结果是：采用42.5#硅酸盐水泥测得的相应混凝土28天龄期的绝热温升为48℃，而采用52.5#中热水泥时则为38℃。由此可以认为，在大体积混凝土施工时，应尽量避免采用硅酸盐水泥，同时应尽可能采用中、低热水泥，以提高混凝土的抗裂性能。
再次是掺合料对混凝土干缩性能的影响。对试样7、11、16、18 四组进行了混凝土干缩试验， 结果图2 所示。从不同龄期干缩试验结果看，同时掺矿渣与粉煤灰混凝土的干缩值小于只掺矿渣混凝土的干缩值，且随水泥用量的增加而增大。
3.2 掺合料对混凝土力学性能的影响
在试验基础上，选出试样编号为5、11、15、16、17、18 共6 组的混凝土试样进行力学试验，并对其试验结果进行对比分析，得出所有利用掺合料的混凝土抗压强度相对于基准情况（水泥中不掺混合料）的强度均有所降低，具体影响结果见表2。
试验还表明，当采用水胶比为0.30 的配合比时，除矿渣掺量大于70%的两组配合比外，其它28 天抗压强度均满足C45 混凝土的强度要求。水胶比为0.35 的配合比，除粉煤灰掺量大于35%的两组配合比外，其它28 天抗压强度也满足C45 混凝土的要求。所有配合比的90天抗压强度均满足C45 的强度要求。并测得6 组配合比的混凝土试样28 天弹性模量在4.41×104~4.82×104MPa 之间，28 天抗拉强度在3.9~5.5MPa 之间，拉压强度比为6.0%~11.0%，满足C45 混凝土性能要求。
3.3 掺合料对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响
针对上述6 组配合比试样进行抗氯离子侵蚀试验，表3 为混凝土氯离子电通量试验结果。
结果表明，当其它条件相同，只掺矿渣时混凝土的28 天电通量要小于既掺矿渣又掺粉煤灰的混凝土电通量，并随混合材取代水泥用量的增大而减小。混凝土90 天的电通量均小于28 天的电通量。这也证实了随着水化反应的进行，混凝土将趋于更加致密的判断。另外，掺矿渣和粉煤灰的6 组混凝土的电通量均小于500 库仑，说明试验混凝土具有良好的抗氯离子侵蚀能力[9, 10]，足以满足桥梁混凝土相关规范对抵抗除冰盐中氯离子侵蚀的性能要求。试验数据分析还表明，氯离子扩散数量随深度而递减，混合掺有矿渣和粉煤灰的三组分混凝土的氯离子扩散系数比仅掺70%矿渣或仅掺50%粉煤灰的二组分混凝土要小。
4. 结论
（1）混凝土的抗裂及抗氯离子侵蚀性能可通过改变胶凝材料中掺合料的比例来实现。
（2）大比例单掺粉煤灰或单掺磨细矿渣可显著降低胶凝材料的早期水化热，对后期水化热也有较大的降低作用，采用三组分（含水泥、矿碴、粉煤灰）胶凝材料配制的混凝土，可以配制出绝热温升小并利于改善混凝土的抗裂性能的低热混凝土。
（3）在降低水化热方面，中热水泥要优于硅酸盐水泥。利用中热水泥，采用0.30－0.40的水胶比，掺加55%左右的磨细矿渣和15%左右的粉煤灰，可配制出强度等级满足桥梁混凝土设计规范要求的高性能混凝土，并具有良好的抗氯离子侵蚀能力。
参考文献
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