摘 要：氯离子渗透是造成混凝土中钢筋锈蚀的主要原因之一。本文采用ASTM C1202 标准规定的快速氯离子渗透试验方法，研究了粉煤灰和硅灰等量取代矿渣对碱矿渣混凝土氯离子渗透性能的影响。研究表明，在其它条件相同时，碱矿渣混凝土氯离子渗透性随粉煤灰掺量增加而提高，随硅灰掺量增加而降低。从控制碱矿渣混凝土氯离子渗透性的角度，粉煤灰替代矿渣量宜控制在50%以内。
关键词：碱矿渣混凝土 氯离子 渗透性 电量
1 引言
氯离子渗透是造成混凝土中钢筋锈蚀的主要原因之一，因为当钢筋周围的混凝土液相中氯离子浓度达到一定浓度时，钢筋表面钝化膜开始破坏，此时只要钢筋遇到空气和水，便会开始锈蚀。1989年出版的欧洲混凝土委员会耐久混凝土结构设计指南确定了影响混凝土耐久性的因素与相互关系，氯离子对钢筋的锈蚀是影响钢筋混凝土耐久性的主要因素,占混凝土耐久性破坏的33%[1]。因此，控制氯离子渗透扩散性是保证钢筋混凝土耐久性的重要方面。
碱矿渣混凝土作为一种节能、利废、环保型建筑材料，具有优良的物理力学性能和耐久性。目前，有关该混凝土氯离子渗透性的研究较少，开展相关研究对促进碱矿渣混凝土在钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土工程中应用具有重要意义。本文采用ASTM C1202 规定的试验方法，研究了硅灰和粉煤灰等量取代矿渣对碱矿渣混凝土氯离子渗透性能的影响。
2 试验设计
2.1 试验原材料
(1)矿渣：重庆钢铁集团水淬高炉矿渣，粉磨至勃氏比表面积为413 m2/kg，密度为2.90 g/cm3，碱性系数Mo＝1.114，活性系数Ma＝0.304。化学成分见表1。
(2)粉煤灰：重庆珞璜电厂生产的Ⅱ级灰，勃氏比表面积为280m2/kg，密度为2.48 g/cm3。化学成分见表1。
(3)硅灰：贵州铁合金厂生产的硅灰，勃氏比表面积20000 m2/kg。化学成分见表1。
表1 矿渣、粉煤灰、硅灰的化学成分/%
(4) 碱组分：采用重庆北碚东风化工厂生产的水玻璃作为碱组分。其性能指标见表2。
表2 水玻璃主要性能指标
(5)集料：粗集料为5-25mm 石灰石碎石；细集料为简阳中砂，细度模数2.9。
2.2 试验方法
抗压强度测试按《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081-2002)规定进行。强度试件尺寸为100mm×100mm×100mm。
氯离子渗透性测试按ASTM C1202 规定的试验方法：成型150mm×150mm×150mm 的立方体试件，在标准养护室养护至试验龄期后，钻芯取样制成￠100mm×50mm 圆柱体试件，放入真空干燥器中，保证试件两端表面暴露，进行抽真空饱水浸泡18±2h。然后将真空饱水的试件侧面密封并置于两个电解池之间，一端浸入0.3mol/L 的NaOH 溶液（正极），另一端浸入3%的NaCl 溶液（负极），在60V 的恒定电压下，测试6h 通过混凝土试件的电量[2]。
2.3 评判标准
ASTM C1202 标准规定的试验方能直观地反映混凝土中氯离子渗透性，其评判标准是在6h 内测定通过混凝土试件的总电量库仑数，由电量库仑数大小判断混凝土的氯离子渗透性[3]。具体分类见表3。
混凝土氯离子渗透性也可用氯离子扩散系数Deff 来评价。本文采用冯乃谦教授提出的经验公式计算扩散系数：Deff=2.57765+0.00492Q（×10-9 cm2/s）,该公式定量反映了通过试件的总电量与氯离子扩散系数之间的关系[4]。
表3 ASTM C1202 对混凝土氯离子渗透性的分级标准
2.4 试验配合比
试验混凝土配合比见表4。水玻璃模数1.5、碱含量(以Na2O 当量计)4%、溶胶比0.48、砂率36%、胶凝材料和集料的单方用量分别为450kg 和1800kg；煤灰掺量分别为30%、50%、70%；硅灰掺量分别为5%、10%、15%。
表4 碱矿渣混凝土配合比及试验结果
3 试验结果及分析
3.1 粉煤灰对碱矿渣混凝土氯离子渗透性的影响
粉煤灰掺量对6h 通过碱矿渣混凝土电量的影响结果如图1 所示，强度试验结果见表4。由表4可知，粉煤灰的掺入对碱矿渣混凝土28 天抗压强度有明显的影响，随着掺量（30%～70%）的增加强度逐渐降低。这是因为粉煤灰活性较低，等量取代矿渣后，体系一定龄期内胶凝材料的水化程度降低。由图1 可知，粉煤灰取代矿渣后6h 通过碱矿渣混凝土的电量大幅度上升，并且随着掺量增加电量逐渐增多。当粉煤灰掺量为30%时，28 天6h 通过混凝土的电量较基准混凝土增加达44%；当掺量为50%时，6h 通过混凝土的电量增加达70%；当掺量为70%时，6h 通过混凝土的电量增加到1.8倍，从表4 可以看出，此时掺入粉煤灰的碱矿渣混凝土氯离子渗透性由基准混凝土的“中等”变成“高”。由图1 还可以看出，当掺量为30%时，90 天6h 通过混凝土的电量仅增加了23%，随掺量增加，掺粉煤灰的碱矿渣混凝土氯离子渗透性发生显著变化；掺量为50%时，电量增加1 倍多，氯离子渗透性由“低”变为“中等”；掺量为70%时，电量增加近3 倍，氯离子渗透性由“低”变为“高”。
由图1 还可以看出，同一粉煤灰掺量60 天和90 天龄期电量接近，而28 天和60 天、90 天龄期电量相差较大，说明粉煤灰对碱矿渣混凝土混凝土氯离子渗透性早期影响大于后期影响。
本次试验所用粉煤灰属低钙灰，尽管它与矿渣同属于CaO-SiO2-Al2O3 系统，但CaO 含量远低于矿渣，其活性激发比矿渣困难得多[5]。在碱性条件下，粉煤灰玻璃体发生结构解体，形成[SiO4]4-、[AlO4]2-阴离子，这个过程进行得十分缓慢，致使浆体早期强度很低[6]。因此，粉煤灰掺入碱矿渣混凝土后不但降低混凝土强度，同时也削弱混凝土抗氯离子渗透性。为了获得较好性能的碱矿渣混凝土，在考虑综合利用粉煤灰和矿渣的同时，粉煤灰掺量宜控制在50%以内。
3.2 硅灰对碱矿渣混凝土氯离子渗透性的影响
硅灰掺量对6h 通过碱矿渣混凝土电量的影响结果如图2 所示，强度试验结果见表4。由表4 可知，硅灰的掺入对碱矿渣混凝土28 天抗压强度有明显影响，随着掺量（5%～15%）的增加强度逐渐提高。由图2 可知，硅灰等量取代矿渣后6h 通过碱矿渣混凝土的电量下降，并且随着掺量增加电量逐渐降低。当硅灰掺量为5%时，28 天6h 通过混凝土的电量较基准混凝土降低达14%；当掺量为10%时，6h 通过混凝土的电量降低达21%，由表4 可以看出，此时氯离子渗透性由基准混凝土的“中等”变为“低”；当掺量为15%时，6h 通过混凝土的电量降低近30%，此时氯离子渗透性也由“中等”变为“低”。由图2 还可以看出，随着龄期的增加，6h 通过碱矿渣混凝土的电量逐渐降低，混凝土抗氯离子渗透性逐渐提高，当硅灰掺量为15%时，90 天碱矿渣混凝土氯离子渗透性由基准混凝土的“低”变成“极低”。
氯离子在混凝土中渗透主要是通过水泥石中的贯通孔、集料中的贯通孔、水泥石和集料界面的贯通孔实现。硅灰颗粒呈球状，平均尺寸为0.1μm，比表面积高达20000 m2/kg，无定形二氧化硅含量高达90%以上，具有极大的比表面积和很高的活性[7]，能高度分散于混凝土中，有效填充矿渣颗粒，凝胶产物之间的空隙，使水泥石结构和界面过渡区结构更加致密，大大降低混凝土的孔隙率，并使孔径细化，使混凝土连通孔隙变得曲折，阻断可能形成的渗透通道[8]。这是硅灰能有效改善碱矿渣混凝土抗氯离子渗透性的主要原因。
4 结论
综合试验结果及分析，得出下述结论：
（1）在30%～70%掺量范围内，粉煤灰等量取代矿渣后6h 通过碱矿渣混凝土的电量增加，混凝土抗氯离子渗透性降低。从控制碱矿渣混凝土氯离子渗透性的角度，粉煤灰替代矿渣的量宜控制在50%以内。
（2）在5%～15%掺量范围内，硅灰等量取代矿渣后6h 通过碱矿渣混凝土的电量降低，混凝土抗氯离子渗透性提高。
参考文献
[1] Mehta P K. Durability critical issues for the future[J]. Concrete International , 1997 , (7)：27-33.
[2] ASTM 1202-97. Standard Test Method for Electrical indication of Concrete’s Ability to Resist Chloride IonPenetration[S].1997
[3] 刘斯风.氯离子扩散测试方法演变和理论研究背景[J].混凝土，2002 , （10）：21-24.
[4] 冯乃谦，邢锋.高性能混凝土的氯离子渗透性和导电量[J].混凝土，2001 ,（11）：3-7.
[5] 马明燕，张东丽，等.碱活化条件对粉煤灰合成不同类型沸石的影响[J].吉林大学学报，2006 , （4）：35-39.
[6] 李东旭，陈益民，等.碱对粉煤灰的活化和微观结构的影响[J].材料科学与工程，2000 , （1）：50-57.
[7] 谢友均，马昆林，等.矿物掺合料对混凝土中氯离子渗透性的影响[J].硅酸盐学报，2006 , （11）：1345-1350.
[8] 蔡路.陈太林，等.硅灰增强混凝土抗氯离子渗透性能研究[J].北方交通，2006 , （8）：3-5.
Influence of mineral admixtures on chloride ion permeability of alkali
activated slag cement concrete
CHEN Qiao，CONG Gang，YANG Chang-hui
College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045,China
Abstract: Chloride ion permeability is one of the most important factors that induce corrosion of reinforced steel in concrete.In this paper , influences of common minerals such as fly ash and silica fume on chloride ion permeability in alkali activatedslag concrete were examined by way of the rapid chloride permeability test(ASTM C1202). Results show that the chlorideion permeability increase with the content of fly ash increase, and decrease with the content of silica fume increase . From thepoint of view of controlling chloride ion permeability in alkali activated slag concrete, the amount of fly ash taking the placeof slag should be lower than 50% .
Key words: alkali activated slag cement concrete, chloride ion, permeability, coulombs
