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摘要：本文针对不同掺量的粉煤灰、矿渣混凝土试件分别进行了混凝土抗冻性试验、碳化试验及氯离子侵蚀试验。研究发现，粉煤灰在一定的掺量范围内可以有效提高混凝土后期的耐久性性能，能够减弱盐冻效应对混凝土的破坏作用；粉煤灰、矿渣复合掺入混凝土中，提高了混凝土的抗碳化性能；粉煤灰、矿渣双掺混凝土具有良好的抗氯离子侵蚀能力。
关键词：粉煤灰；矿渣；双掺混凝土；力学性能
Abstract: slag concrete according to the different content of fly ash, specimens were tested on frost resistance of concrete carbonation test, test and chloride ion erosion. The study found, fly ash can effectively improve the concrete durability performance in volume within a certain range, can reduce the damaging effects of salt frost effect on concrete; fly ash, slag mixed in the concrete, improve the carbonation resistance of concrete; fly ash, slag concrete has good ability to anti chloride ion erosion.
Keywords: fly ash; slag; double mixture concrete; mechanical properties
中图分类号：TU528文献标识码：A
1. 粉煤灰、矿渣双掺混凝土配合比设计方案
本文采用粉煤灰及磨细矿渣的等量替代法，通过正交表设计了不同掺量的粉煤灰及矿渣混凝土，并确定两者相互组合的最优掺量。在配合比的设计过程中采用普通混凝土的基准配合比设计方法[1]。
本文主要研究试验因素粉煤灰，矿渣对混凝土耐久性能的影响，所以把粉煤灰及磨细矿渣作为本次试验的两个因素。参照有关文献的研究成果，粉煤灰及矿渣的胶凝材料掺量控制在60%的范围内。粉煤灰的水平为：0%、10%、20%、30%，磨细矿渣的水平为0%、10%、20%、30%。
如按试验中选择两因素四水平的设计方法共需要作16种混凝土的配合比试验。而采用正交表L24则只需要设计八种混凝土就能够得到不同的因素水平对混凝土各种性能的影响。本试验所设计的八种混凝土配合比设计见表1.1。
表1.1混凝土配合比设计方案
2. 抗冻性能试验
2.1 试验方法
本次试验采用GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中抗冻性能试验的“快冻法”进行。由于本次试验试验量很大，试件尺寸采用100mm×100 mm×100 mm的立方体试块。本文试验中，用相对动弹性模量和质量损失两个指标反应混凝土内部与表面受到损伤的程度。相对动弹模下降到60%以下或质量损失率达到5%停止试验。
2.2 试验数据及分析
表2.1 28龄期淡水溶液混凝土冻融循环的质量损失率
表2.2 28龄期淡水溶液混凝土冻融循环的相对动弹模
表2.3 60龄期淡水溶液混凝土冻融循环的相对质量百分率
表2.4 60龄期淡水溶液混凝土冻融循环的相对动弹模
Tab 4.8 Relative elastic modulus of concrete in fresh water at freezing-thawing circle stage of 60d
表2.5 28天龄期3.5%NaCl溶液混凝土冻融循环的质量损失率
表2.6 28天龄期3.5%NaCl溶液混凝土冻融循环的相对动弹模
表2.7 60天龄期3.5%NaCl溶液混凝土冻融循环的质量损失率
表2.8 60天龄期3.5%NaCl溶液混凝土冻融循环的相对动弹模
由表2.1至2.8得出在淡水溶液下，混凝土冻融循环时都是相对动弹模下降到60%而破坏，而在3.5% NaCl溶液下，混凝土冻融循环时都是质量损失率达到5%以上而破坏。混凝土在氯化钠溶液中冻融循环过程中相对动弹性模量的变化表明虽然盐冻造成混凝土表面严重剥落，但是相对动弹性模量的下降比在水中时稍为缓慢。无论是在3.5%的氯化钠溶液或是淡水溶液中，粉煤灰、矿渣双掺混凝土养护期为60天的抗冻性能都明显优于28天时的抗冻性能。尤其在3.5%的氯化钠溶液的冻融循环中，粉煤灰、矿渣双掺混凝土龄期60天的抗冻性以达到F250，说明粉煤灰及矿渣的二次水化有效地提高了混凝土的耐久性性能，并且在水化过程中消耗了大量混凝土中的Ca(OH)2，减弱了NaCl溶液对混凝土的破坏作用。
3. 碳化腐蚀试验
3.1 试验方法
根据JGJ 270-98标准进行碳化试验。混凝土尺寸为100mm×100mm×100mm试块，养护58天，取出在60℃温度下烘48小时后，置于温度为20±5℃，相对湿度70±5%，CO2浓度为20±3%的碳化箱中进行碳化。
3.2 试验数据及分析
表3.1混凝土碳化深度
由表3.1可知，粉煤灰、矿渣双掺混凝土的抗碳化性能优于空白组混凝土的抗碳化性能，并且随着掺合料总量的增加碳化深度逐渐减小。当掺合料总量为60%时，即8#混凝土的抗碳化性能开始下降。从混凝土表面到距表面12-30mm的区间内，混凝土的碱度由PH值11-13降到8，在此碱度的水平下，钢筋的钝化膜将遭到破坏。而本次试验各组的混凝土28天碳化深度除第一组空白混凝土外，其它碳化深度均低于12mm。说明粉煤灰、矿渣双掺混凝土具有很好的抗碳化性能。
4. 氯离子侵蚀试验
4.1 试验方法
本文按照规范ASTM C1202-97的方法进行试验。采用150mm×150mm×150mm的混凝土立方体试件在标准条件下分别养护至56天龄期，经取芯、切割，制备成Φ100mm×50mm的试件，在真空下浸水饱和后，侧面密封安装到实验仪器上，两端安置铜网电极，一端浸入0.3mol/L的NaOH溶液（正极），另一端浸入3%（重量）的NaCl溶液（负极）在轴向施加60V直流电压。试验时，每隔20min记录一次通过各个试件的电流值I，持续试验6h。
清华大学冯乃谦、冷发光等提出的扩散系数Di与实验所得6h混凝土通电量Q关系的经验公式[2]。对高性能混凝土的经验公式为：y=2.71153+0.00421x。
式中：y － 氯离子扩散系数(×10-9cm2/s)
x － 通过混凝土试件的电量电量（C）
4.2 试验数据及分析
采用高性能混凝土经验公式，混凝土渗透系数计算结果见表4.1。根据电量Q可以评价混凝土的渗透性，评价范围如表4.2所示。
表4.1双掺混凝土的氯离子渗透系数
表4.2ASTM C1202对混凝土渗透性评价
试验结果表明，粉煤灰在一定的掺量范围内有效地提高了混凝土后期的耐久性性能，并且在水化过程中消耗了大量混凝土中的Ca(OH)2，减弱了盐冻效应对混凝土的破坏作用。试验证明，粉煤灰、矿渣双掺混凝土具有良好的抗氯離子侵蚀能力。其从两方面方面改善了混凝土的抗氯离子渗透性能。一是由于其功能效应，混凝土内部形成了小孔径、低孔隙率增加了混凝土的密实度，提高了混凝土对Cl-的扩散阻碍能力；二是由于其对Cl-的初始固化(物理吸附)作用和二次水化产物的物理化学吸附，使高性能混凝土对Cl-有较大的固化能力，有利于降低Cl-在混凝土中的渗透速度，从而提高了粉煤灰、矿渣双掺混凝土的抗氯离子渗透性能。
4. 结论
本文通过对不同掺量的粉煤灰、矿渣混凝土试件进行耐久性试验，结果表明：粉煤灰在一定的掺量范围内能够有效提高混凝土后期的耐久性性能，能够减弱盐冻效应对混凝土的破坏作用；粉煤灰、矿渣复合掺入混凝土中，提高了混凝土的抗碳化性能；粉煤灰、矿渣双掺混凝土具有良好的抗氯离子侵蚀能力。试验结果证实了粉煤灰、矿渣的共同掺入具有超复合叠加效应，能够有效提高混凝土的各项性能指标。
参考文献：
[1] 邢占东. 氯离子环境下的双掺混凝土耐久性研究. 大连理工大学：硕士论文，2006.
[2] 冯乃谦，石云英.水淬矿渣超细粉混凝土.混凝土，1997，(1 ): 3-13..
关键词：粉煤灰；矿渣；双掺混凝土；力学性能
Abstract: slag concrete according to the different content of fly ash, specimens were tested on frost resistance of concrete carbonation test, test and chloride ion erosion. The study found, fly ash can effectively improve the concrete durability performance in volume within a certain range, can reduce the damaging effects of salt frost effect on concrete; fly ash, slag mixed in the concrete, improve the carbonation resistance of concrete; fly ash, slag concrete has good ability to anti chloride ion erosion.
Keywords: fly ash; slag; double mixture concrete; mechanical properties
中图分类号：TU528文献标识码：A
1. 粉煤灰、矿渣双掺混凝土配合比设计方案
本文采用粉煤灰及磨细矿渣的等量替代法，通过正交表设计了不同掺量的粉煤灰及矿渣混凝土，并确定两者相互组合的最优掺量。在配合比的设计过程中采用普通混凝土的基准配合比设计方法[1]。
本文主要研究试验因素粉煤灰，矿渣对混凝土耐久性能的影响，所以把粉煤灰及磨细矿渣作为本次试验的两个因素。参照有关文献的研究成果，粉煤灰及矿渣的胶凝材料掺量控制在60%的范围内。粉煤灰的水平为：0%、10%、20%、30%，磨细矿渣的水平为0%、10%、20%、30%。
如按试验中选择两因素四水平的设计方法共需要作16种混凝土的配合比试验。而采用正交表L24则只需要设计八种混凝土就能够得到不同的因素水平对混凝土各种性能的影响。本试验所设计的八种混凝土配合比设计见表1.1。
表1.1混凝土配合比设计方案
2. 抗冻性能试验
2.1 试验方法
本次试验采用GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中抗冻性能试验的“快冻法”进行。由于本次试验试验量很大，试件尺寸采用100mm×100 mm×100 mm的立方体试块。本文试验中，用相对动弹性模量和质量损失两个指标反应混凝土内部与表面受到损伤的程度。相对动弹模下降到60%以下或质量损失率达到5%停止试验。
2.2 试验数据及分析
表2.1 28龄期淡水溶液混凝土冻融循环的质量损失率
表2.2 28龄期淡水溶液混凝土冻融循环的相对动弹模
表2.3 60龄期淡水溶液混凝土冻融循环的相对质量百分率
表2.4 60龄期淡水溶液混凝土冻融循环的相对动弹模
Tab 4.8 Relative elastic modulus of concrete in fresh water at freezing-thawing circle stage of 60d
表2.5 28天龄期3.5%NaCl溶液混凝土冻融循环的质量损失率
表2.6 28天龄期3.5%NaCl溶液混凝土冻融循环的相对动弹模
表2.7 60天龄期3.5%NaCl溶液混凝土冻融循环的质量损失率
表2.8 60天龄期3.5%NaCl溶液混凝土冻融循环的相对动弹模
由表2.1至2.8得出在淡水溶液下，混凝土冻融循环时都是相对动弹模下降到60%而破坏，而在3.5% NaCl溶液下，混凝土冻融循环时都是质量损失率达到5%以上而破坏。混凝土在氯化钠溶液中冻融循环过程中相对动弹性模量的变化表明虽然盐冻造成混凝土表面严重剥落，但是相对动弹性模量的下降比在水中时稍为缓慢。无论是在3.5%的氯化钠溶液或是淡水溶液中，粉煤灰、矿渣双掺混凝土养护期为60天的抗冻性能都明显优于28天时的抗冻性能。尤其在3.5%的氯化钠溶液的冻融循环中，粉煤灰、矿渣双掺混凝土龄期60天的抗冻性以达到F250，说明粉煤灰及矿渣的二次水化有效地提高了混凝土的耐久性性能，并且在水化过程中消耗了大量混凝土中的Ca(OH)2，减弱了NaCl溶液对混凝土的破坏作用。
3. 碳化腐蚀试验
3.1 试验方法
根据JGJ 270-98标准进行碳化试验。混凝土尺寸为100mm×100mm×100mm试块，养护58天，取出在60℃温度下烘48小时后，置于温度为20±5℃，相对湿度70±5%，CO2浓度为20±3%的碳化箱中进行碳化。
3.2 试验数据及分析
表3.1混凝土碳化深度
由表3.1可知，粉煤灰、矿渣双掺混凝土的抗碳化性能优于空白组混凝土的抗碳化性能，并且随着掺合料总量的增加碳化深度逐渐减小。当掺合料总量为60%时，即8#混凝土的抗碳化性能开始下降。从混凝土表面到距表面12-30mm的区间内，混凝土的碱度由PH值11-13降到8，在此碱度的水平下，钢筋的钝化膜将遭到破坏。而本次试验各组的混凝土28天碳化深度除第一组空白混凝土外，其它碳化深度均低于12mm。说明粉煤灰、矿渣双掺混凝土具有很好的抗碳化性能。
4. 氯离子侵蚀试验
4.1 试验方法
本文按照规范ASTM C1202-97的方法进行试验。采用150mm×150mm×150mm的混凝土立方体试件在标准条件下分别养护至56天龄期，经取芯、切割，制备成Φ100mm×50mm的试件，在真空下浸水饱和后，侧面密封安装到实验仪器上，两端安置铜网电极，一端浸入0.3mol/L的NaOH溶液（正极），另一端浸入3%（重量）的NaCl溶液（负极）在轴向施加60V直流电压。试验时，每隔20min记录一次通过各个试件的电流值I，持续试验6h。
清华大学冯乃谦、冷发光等提出的扩散系数Di与实验所得6h混凝土通电量Q关系的经验公式[2]。对高性能混凝土的经验公式为：y=2.71153+0.00421x。
式中：y － 氯离子扩散系数(×10-9cm2/s)
x － 通过混凝土试件的电量电量（C）
4.2 试验数据及分析
采用高性能混凝土经验公式，混凝土渗透系数计算结果见表4.1。根据电量Q可以评价混凝土的渗透性，评价范围如表4.2所示。
表4.1双掺混凝土的氯离子渗透系数
表4.2ASTM C1202对混凝土渗透性评价
试验结果表明，粉煤灰在一定的掺量范围内有效地提高了混凝土后期的耐久性性能，并且在水化过程中消耗了大量混凝土中的Ca(OH)2，减弱了盐冻效应对混凝土的破坏作用。试验证明，粉煤灰、矿渣双掺混凝土具有良好的抗氯離子侵蚀能力。其从两方面方面改善了混凝土的抗氯离子渗透性能。一是由于其功能效应，混凝土内部形成了小孔径、低孔隙率增加了混凝土的密实度，提高了混凝土对Cl-的扩散阻碍能力；二是由于其对Cl-的初始固化(物理吸附)作用和二次水化产物的物理化学吸附，使高性能混凝土对Cl-有较大的固化能力，有利于降低Cl-在混凝土中的渗透速度，从而提高了粉煤灰、矿渣双掺混凝土的抗氯离子渗透性能。
4. 结论
本文通过对不同掺量的粉煤灰、矿渣混凝土试件进行耐久性试验，结果表明：粉煤灰在一定的掺量范围内能够有效提高混凝土后期的耐久性性能，能够减弱盐冻效应对混凝土的破坏作用；粉煤灰、矿渣复合掺入混凝土中，提高了混凝土的抗碳化性能；粉煤灰、矿渣双掺混凝土具有良好的抗氯离子侵蚀能力。试验结果证实了粉煤灰、矿渣的共同掺入具有超复合叠加效应，能够有效提高混凝土的各项性能指标。
参考文献：
[1] 邢占东. 氯离子环境下的双掺混凝土耐久性研究. 大连理工大学：硕士论文，2006.
[2] 冯乃谦，石云英.水淬矿渣超细粉混凝土.混凝土，1997，(1 ): 3-13..