矿物掺合料和引气剂对混凝土抗盐冻性能影响的研究

张立群，贾辰辰，张晓冉，张静轩，胡靖宇

（河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000）

0 引言

钢筋混凝土桥梁耐久性问题对桥梁结构的安全至关重要，受桥梁服役环境的影响，不同地区混凝土桥梁所面临的影响因素也不同[1-2]。我国寒冷地区冬季漫长而严寒，冻融循环频繁，加之融雪剂的使用，导致混凝土桥梁多有盐冻病害现象。盐冻破坏是冻融循环破坏的一个分支[3-5]，既有冻融破坏的相似点，也有其独特的破坏特点。混凝土的盐冻剥蚀破坏速度与侵蚀盐浓度之间并不是简单的线性关系，当盐浓度为3.5%左右的中低浓度时，混凝土结构的破坏程度最严重[6-8]。盐冻冻融循环对混凝土结构的破坏程度较普通冻融循环破坏更为剧烈，且发展更迅速。

有研究表明[9-10]，矿物掺合料和引气剂能提高混凝土的抗盐冻性能，但二者对混凝土抗盐冻性能的影响并没有定量的研究，致使这一成果至今尚未得到科学的运用。本试验主要研究引气剂、矿物掺合料的种类及掺量对混凝土抗盐冻性能的影响，在改善混凝土盐冻后抗压强度和质量损失率的前提下，提出了引气剂及矿物掺合料的最优掺量。

1 试验

1.1 试验材料

（1）水泥：张家口宣化金隅水泥有限公司生产的P·O42.5水泥，比表面积332 m2/kg，标准稠度用水量28%，细度（0.08 mm筛筛余）0.3%。

（2）粗骨料：张家口本地碎石，5~25 mm连续级配。

（3）细骨料：张家口宣化天然砂，细度模数2.9。

（4）硅灰：SF93级，张家口市金华矿业有限公司，外观呈灰色，主要性能指标见表1。

表1 硅灰的主要性能指标

（5）粉煤灰：Ⅱ级，巩义市二电厂产，45 μm筛筛余13%，密度2.34 g/cm3，含水率0.5%，烧失量2.34%，主要化学成分见表2。

表2 粉煤灰的主要化学成分 %

（6）引气剂：绍兴市上虞舜洋建筑材料有限公司生产的聚羧酸系引气剂SA-20。

1.2 试验混凝土配合比

结合工程实际初步确定材料用量，控制混凝土坍落度为（100±30）mm，根据坍落度情况调配各材料用量，C30、C40基准混凝土的配合比见表3。

表3 C30、C40基准混凝土的配合比 kg/m3

在各强度等级混凝土的基准配合比上，试验设计单掺引气剂（掺量分别为胶凝材料质量的0.01%、0.02%、0.03%）、单掺粉煤灰（取代水泥质量为15%、20%、25%）、单掺硅灰（取代水泥质量为5%、10%、15%），复掺5%硅灰+25%粉煤灰、复掺10%硅灰+20%粉煤灰、复掺15%硅灰+15%粉煤灰，以及复掺并掺加0.02%引气剂的对比组。

1.3 试验方法

混凝土抗盐冻性能试验方法：采用快冻法进行盐冻试验，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，养护龄期为28 d，根据张家口某桥梁服役地土壤化验结果配制盐溶液，采用4%NaCl+2%KCl+1%Na2SO4组合盐溶液，试验的温度范围设置为-20~30℃。养护完成的试块在盐溶液中浸泡2 d，随后称量试件的初始质量，进行外观检查并拍照留证。

混凝土试块浸泡在盐溶液中放入冻融循环箱中进行盐环境下冻融循环试验。冻融循环试验中，每20 h为1个冻融循环周期。冷冻阶段设置为14 h，其中-20℃的温度维持4 h；融化阶段设置为6 h，其中30℃的温度维持2 h。每组试块均进行14个冻融循环周期试验，试验后称量混凝土试块的质量，并进行抗压试验。

2 试验结果与分析

2.1 盐冻后混凝土的质量损失率

2.1.1 引气剂掺量对混凝土质量损失率的影响

引气剂掺量对盐冻后混凝土质量损失率的影响见图1。

图1 引气剂掺量对盐冻后混凝土质量损失率的影响

由图1可见，对于C30混凝土，盐冻循环14次时基准混凝土的质量损失率为3.55%，掺0.01%引气剂的混凝土质量损失率为8.85%，而掺0.02%和0.03%引气剂的混凝土质量损失率几乎为0。对于C40混凝土，盐冻循环14次时基准混凝土的质量损失率为0.20%，掺0.01%引气剂的混凝土质量损失率为0.46%，而掺0.02%和0.03%引气剂的混凝土质量损失率几乎为0。分析其原因，可能是引气剂掺量过小时，混凝土内部形成的封闭气泡小而分散，无法充分发挥引气剂的作用，但是较基准混凝土而言孔隙多，因此0.01%引气剂掺量的混凝土盐冻后质量损失率较高。

2.1.2 矿物掺合料单掺对混凝土质量损失率的影响

硅灰和粉煤灰单掺对盐冻后混凝土质量损失率的影响分别见图2、图3。

图2 硅灰掺量对盐冻后混凝土质量损失率的影响

图3 粉煤灰掺量对盐冻后混凝土质量损失率的影响

由图2、图3可见，混凝土强度等级越高，质量损失率越小。盐冻循环14次时，对于C30混凝土，掺5%、10%、15%硅灰的质量损失率分别为1.52%、0.91%、1.92%，掺15%、20%、25%粉煤灰的质量损失率分别为4.21%、6.04%、8.18%；对于C40混凝土，掺5%、10%、15%硅灰的质量损失率分别为0、1.05%、0.81%，掺15%、20%、25%粉煤灰的质量损失率分别为2.47%、8.03%、5.94%。

对比试验数据可以看出，较粉煤灰而言，掺加硅灰的混凝土试块具有较好的抗盐冻性能，盐冻后试块的质量损失率较小。不同等级混凝土的最优硅灰掺量不同，C30混凝土在硅灰掺量为10%时有较好的抗盐冻性能，C40混凝土在硅灰掺量为5%时有较好的抗盐冻性能。

2.1.3 矿物掺合料复掺对混凝土质量损失率的影响

硅灰和粉煤灰复掺以及复掺并掺0.02%引气剂对盐冻后混凝土质量损失率的影响见图4。

图4 矿物掺合料复掺对盐冻后混凝土质量损失率的影响

由图4可见，硅灰、粉煤灰复掺或复掺并掺引气剂均不能有效抑制混凝土盐冻后的质量损失，可能是因为试验设计中复掺的掺量较大，过多的水泥被替代，导致混凝土中的水泥掺量整体减少，从而导致混凝土抗盐冻性能下降。

2.2 盐冻后混凝土的抗压强度

2.2.1 引气剂掺量对混凝土抗压强度的影响

引气剂掺量对盐冻后混凝土抗压强度的影响见图5。

由图5可见，当盐冻循环少于5次时，掺加引气剂的效果不明显，当盐冻循环大于11次时，引气剂的效果逐渐突显出来。对于C30混凝土，掺0.01%、0.02%、0.03%引气剂的混凝土盐冻循环14次后抗压强度较基准混凝土分别提高-21.08%、43.52%、21.91%。对于C40混凝土，掺0.01%、0.02%和0.03%引气剂的抗压强度较基准混凝土分别提高4.71%、17.08%、22.66%。掺0.02%、0.03%引气剂掺量均能提高混凝土盐冻后的抗压强度，这与前述试验掺0.02%、0.03%引气剂均能减小混凝土盐冻后的质量损失率的结论一致。

图5 引气剂掺量对盐冻后混凝土抗压强度的影响

2.2.2 矿物掺合料单掺对混凝土抗压强度的影响

硅灰和粉煤灰单掺对盐冻后混凝土抗压强度的影响分别见图 6、图7。

图6 硅灰掺量对盐冻后混凝土抗压强度的影响

图7 粉煤灰掺量对盐冻后混凝土抗压强度的影响

由图6、图7可见，当盐冻循环超过6次时，5%硅灰掺量的C30混凝土抗盐冻性能趋于稳定，其抗压强度较基准组提高6.0%。当盐冻循环大于11次时，掺5%、10%、15%硅灰均能提高C40混凝土的抗盐冻性能；盐冻循环14次时，掺5%、10%、15%硅灰的混凝土抗压强度较基准混凝土分别提高3.77%、4.0%、17.07%。

单掺粉煤灰对增强C30、C40等级混凝土盐冻后抗压强度影响不大，当盐冻循环11次时，掺15%粉煤灰的C30混凝土抗压强度较基准组提高5.75%。

2.2.3 矿物掺合料复掺对混凝土抗压强度的影响

硅灰、粉煤灰复掺及复掺再掺引气剂对盐冻后混凝土抗压强度的影响见图8。

由图8可见，硅灰、粉煤灰复掺及复掺再掺引气剂对增强C30、C40等级混凝土盐冻后抗压强度影响不显著。这是因为，矿物掺合料等质量替代水泥，水泥用量的减少势必伴随混凝土抗压强度的降低。硅灰、粉煤灰复掺或复掺再掺加引气剂对混凝土抗盐冻性能的提高远不能抵消水泥减少所产生的副作用。

图8 矿物掺合料复掺对混凝土抗压强度的影响

3 结论

（1）与水胶比相比，引气剂掺量对混凝土抗盐冻性能的影响更为显著。对C30、C40等级混凝土，掺0.02%和0.03%的引气剂均能大幅减少混凝土盐冻后质量损失率，并提高抗压强度，而掺0.01%的引气剂效果不明显，远不如基准组混凝土抗盐冻性能好。

（2）硅灰能提高混凝土抗盐冻性能，随硅灰掺量的增加，混凝土抗盐冻性能呈现先增强后减弱的趋势。对C30、C40等级混凝土，硅灰的较优掺量为5%～10%。粉煤灰的掺量越多，混凝土的抗盐冻性能越差。

（3）复掺30%的硅灰+粉煤灰或复掺再掺加引气剂对增强C30、C40等级混凝土抗盐冻性能影响不显著。后续有必要降低矿物掺合料复掺总量深入研究其对混凝土盐冻性能的影响。