建筑技术丨粉煤灰-矿渣超细复合粉对混凝土耐久性的影响

通过试验测试了混凝土抗压强度、抗碳化、抗渗性、干缩等混凝土力学性能和长期性能，分析了粉煤灰–矿渣超细复合掺合料对不同配比混凝土性能的影响，掌握其在普通混凝土和高性能混凝土中的应用性能特点和最佳用量，以推广此类超细复合掺合料产品在混凝土搅拌站中的规模化应用，实现减碳、节能、增效的目的。

1 原材料及试验

1.1 原材料

试验中使用的超细复合粉为唐山某公司生产的粉煤灰–矿渣超细复合粉，具体性能见表1。

表1 超细复合粉性能指标

水泥选用唐山生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥，性能指标见表2。

表2 水泥性能指标

矿粉为S 95级矿粉，流动度比102 %，28 d活性指数100 %，比表面积430 m²/kg；粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰细度为11.2 %，需水量比99 %。

细骨料主要为Ⅱ级中砂和部分铁尾矿砂，粗骨料为洗净的5~20 mm连续级配碎石，外加剂为高性能聚羧酸减水剂。

1.2 试验方法

试验通过调整超细粉掺量进行了一系列试配，以测试混凝土性能的变化。其中，混凝土抗压强度试验参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定的试验方法，混凝土耐久性相关试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定的试验方法。

1.3 试验配合比

运用等质量取代法分别将粉煤灰–矿渣超细复合粉代替不同水胶比的基准配合比（C30混凝土A0、C50混凝土B0）的全部矿粉后，再逐级增加掺量替代水泥，探讨不同超细粉掺量对普通混凝土和高强混凝土的影响。C30混凝土水胶比0.44、砂率43%，配合比见表3。

表3 C30混凝土配合比

高强混凝土的强度等级为C50，水胶比为0.33，砂率为39 %，配合比见表4。

表4 C50混凝土配合比

2 试验结果与讨论

2.1 对混凝土抗压强度的影响

根据表3、表4的配合比成型混凝土试件，进行抗压强度测试，各龄期试验结果如图1所示。

（b）

图1 不同掺量超细粉对混凝土强度的影响

（a）抗压强度；（b）抗折强度

水胶比在0.44时不同超细粉掺量对混凝土抗压强度影响如图1（a）所示。可以看出，使用粉煤灰–矿渣超细复合掺合料代替矿粉和部分水泥后，各龄期强度均有一定程度的提高,其中A2组在7 d、28 d提升最高，A3组在90 d强度提升最高。

观察水胶比为0.33的高强混凝土的试验结果可以得出，粉煤灰–矿渣超细复合粉替代矿粉和水泥后，随着掺量的增加B1~B5组7 d强度逐渐降低，而且B4、B5与B0组相比强度有较大下降。主要是因为矿物掺合料在掺量较少的情况下，掺合料超细颗粒的微集料效应改善混凝土孔结构，但随着掺量进一步增加，超细粉与水泥水化产物Ca(OH)₂，反应才能生成具有胶凝性的水化产物，总体反应速率低于水泥水化速率，在超细粉等量替代水泥后，会使胶凝体系的水化速率变慢，早期强度降低。

2.2 对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响

耐久性试验是检验超细掺合料在混凝土中应用的必要指标，试验选择具有代表性的A1、A3及B1、B3作为试验组，将A0、B0作为基准组进行对比分析，分别测试了不同配比下，粉煤灰–矿渣超细复合粉对混凝土抗氯离子侵蚀性能、抗冻性能、抗渗性能、碳化性能等方面的影响。

抗氯盐侵蚀性能是混凝土耐久性的一项重要指标，一般抗氯盐侵蚀性能好的混凝土耐久性也较好。在我国北方地区，由于冬季需撒盐除冰，通常会给混凝土结构带来严重的耐久性问题。例如，北京西直门立交桥建成不足20年就因氯离子侵蚀，造成钢筋锈蚀拆除重建。测定56 d养护龄期的混凝土电通量，测试结果见表5。

表5 56 d养护龄期的混凝土电通量测试结果

由试验结果可以看出，无论是普通混凝土还是高强混凝土，随着超细粉取代量的上升，氯离子电通量都会逐渐降低，这代表混凝土抗氯离子渗透性能的提升。这说明混凝土整体密实度。矿物掺合料进行的二次水化反应和水泥水化产物Ca（OH）₂生成水化硅酸钙凝胶，改善了界面属性。另外有许多研究得出，矿物掺合料随着龄期发展，能够改善混凝土孔结构，减少有害大孔，增加微孔数量，从而提升混凝土抗渗性。超细复合掺合料的活性比普通掺合料更高，可以生成更多水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝反应产物，这些胶凝物质混凝土内部孔隙起到填充作用，而且超细掺合料颗粒粒径更小，填充效应较普通掺合料更加明显。

2.3 对混凝土抗冻性能的影响

混凝土的抗冻性能是耐久性的重要指标，混凝土内部的孔隙结构直接决定了其抗冻性能的强弱。一般情况下，混凝土内部的毛细孔中存在未参与水化反应的自由水，当混凝土处于低于0 ℃的环境时，其内部自由水受冷结冰，体积发生膨胀，产生膨胀力，破坏其内部孔隙结构，引发混凝土破坏。运用快冻法每进行50次冻融循环后测定混凝土试件的质量，以此评价混凝土抗冻性能。

混凝土质量损失率如图2所示。由图2可知，在冻融循环100次前，质量损失率呈现下降趋势，可能是因为试件内部孔隙仍在发育，水分更容易进入，导致试件质量增加。冻融循环300次时，配合比编号A1的混凝土质量损失率最低，未掺超细粉的混凝土质量损失率最高，表明加入适量粉煤灰–矿渣超细复合粉可以在一定程度上提高混凝土的抗冻性。掺有超细粉的混凝土直到冻融循环300次时质量损失率均低于1 %，也表明混凝土在低温环境下可长期稳定使用。

图2 混凝土冻融循环次数与质量损失率

2.4 对混凝土碳化深度的影响

采用快速碳化法测试混凝土碳化深度。混凝土的碳化是指混凝土所受化学腐蚀，当空气中的CO₂进入混凝土内部与碱性物质发生的化学反应生成碳酸盐和水后，导致混凝土的内部碱性环境被破坏，增加了钢筋锈蚀风险，试验结果如图3所示。

图3 混凝土碳化深度

由图3试验结果可以看出，3组混凝土碳化深度均随着龄期变化而增加。其中3 d、7 d龄期时，随着超细粉掺入，碳化深度略微降低，3 d时A1、A3分别降低了0.41 mm和0.55 mm，7 d时A1、A3分别降低了0.53 mm和0.72 mm；在14d、28d时，掺入超细粉的混凝土碳化深度相比对照组明显降低，14 d时A1、A3分别降低了3.36 mm和3.86 mm，28 d时A1、A3分别降低了2.72 mm和2.46 mm。总体来看，A1与A3两组配比抗碳化能力基本相当，这说明超细复合掺合料对提升混凝土抗碳化能力有利，其对混凝土微观结构具有改善作用，使混凝土孔隙率减小，密实度提高，使空气中的CO₂不易进入混凝土内部与混凝土中的碱性物质反应，宏观表现为混凝土抗碳化能力提升。

2.5 对混凝土干缩的影响

混凝土干缩变形是一种常见的混凝土变形现象，能够引起混凝土开裂，导致结构耐久性能降低。影响混凝土收缩的原因很多，除了温度、湿度等外界因素，就混凝土材料本身，就有水泥组分和用量、水灰比、用水量、集料品种与含量、掺合料品种与数量，以及外加剂等因素。采用常用的混凝土无约束收缩试验的方法，在其他条件基本不变的情况下，选择A0、A1、A3这3组配合比，探讨超细粉对C30混凝土干燥收缩性能的影响。3组混凝土收缩率如图4所示。

图4 混凝土干缩率

从图4可以看出，3组混凝土收缩率发展趋势一致，均为0~14 d收缩率快速增长，此后增速放缓，60 d后变化不大。超细掺合料替代全部矿粉和20 %水泥时收缩最小，仅替代矿粉的A1组，其收缩率也有一定程度的改善。这表明，加入适量超细掺合料能够降低混凝土的早期收缩，其原因是超细掺合料的微集料效应可以使混凝土的内部微观结构更密实，增强混凝土抵抗收缩变形的能力，而超细复合粉的粒径越小、掺量越大，生成的火山灰反应产物越多，填充作用越强，混凝土内部结构就越密实，使干燥收缩率降低越明显。此外，超细粉颗粒的弹性模量比水泥颗粒、水泥水化物颗粒的弹性模量大，可以在水泥石结构中起到支撑作用，也限制了混凝土收缩变形的发生。同时，由于超细粉参与水化反应的程度远低于水泥，在掺入超细粉后，造成体系中的自由水含量增加，从而使混凝土干缩减少。

3 结论

（1）粉煤灰–矿渣超细复合粉掺入可提高普通混凝土及高强混凝土强度，且90 d强度不倒缩。其中，普通混凝土中超细粉在替代45 %总胶凝材料的情况下，各龄期强度均超过基准组。高强混凝土中超细粉替代总胶材30 %时，会影响早期强度发展，但随着其中矿粉、粉煤灰的二次水化，后期强度有明显改善。

（2）粉煤灰–矿渣超细复合粉的掺入可改善混凝土耐久性，其中对混凝土抗氯离子侵蚀性能、碳化性能、抗冻性能均有有利影响。随着超细粉掺量的增加，混凝土抗氯离子渗透性能提升。仅掺入超细粉替代矿粉时，混凝土抗冻性能最佳。超细粉能够降低混凝土的碳化深度，尤其在14 d龄期后超细粉对混凝土碳化深度降低作用明显。不同超细粉掺量对混凝土干缩影响结果存在差异，超细粉在普通混凝土中替代全部矿粉和20 %水泥时收缩率降低。