矿物掺合料对混凝土抗渗性研究进展与展望

文摘 2025-01-07 07:06 河南

1　引　言

混凝土渗透性是衡量混凝土性能的重要指标之一，渗透性的高低直接决定了外界侵蚀介质侵入混凝土内部的难易程度，直接关系到混凝土结构的安全性和耐久性，故混凝土渗透性一直是科技工作者和工程师们关心的热点问题。随着建筑材料技术不断发展，掺合料被大量应用于建筑结构中，取得了较好的抗渗效果。专家学者就掺合料的种类、用量等对混凝土渗透性影响开展了大量试验，本文就矿物掺合料对混凝土抗渗性进行了综述。

2　掺合料在混凝土中的作用

掺合料是在混凝土中添加一种或多种物质，能够代替部分水泥从而减少水泥用量，以达到降低成本、提高强度和耐久性、改善混凝土工作性能等目的的材料。当前，掺合料在建筑工程材料中得到了大量的应用，已成为混凝土中不可或缺的材料，被称为混凝土第六组分。相关研究表明，掺合料可以不同程度地提高混凝土抗渗性。

本文以粉煤灰、矿渣粉、硅灰、偏高岭土等活性掺合料为例，阐述掺合料对混凝土渗透性的影响。

3　单一掺合料

3.1　粉煤灰

粉煤灰是指从煤燃烧后的烟气中收集下来的细灰。粉煤灰颗粒与水泥接近，在混凝土胶结过程中，能起到填充孔隙的作用，故掺入粉煤灰能影响混凝土抗渗性。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗渗性能加强。当达到最佳掺量后，继续增加粉煤灰的掺量，混凝土抗渗性能呈下降趋势。

马腾飞、徐民达等认为，采用粉煤灰拌制抗渗混凝土的最优掺量为20％。

杨雪敏通过试验得出，粉煤灰的最佳掺量为25％，此时混凝土的渗水压力、渗水高度以及抗氯离子渗透系数均达到最佳。

江波通过分析粉煤灰掺量、龄期对水工混凝土抗渗性能的影响，发现标准养护28d和56d时，随着粉煤灰掺量增加，混凝土抗渗性能呈先增加后变缓的变化趋势，粉煤灰的最佳掺量是30％。

郭小森指出，掺入20％的粉煤灰能有效提高混凝土抗渗性能；水灰比是影响混凝土抗渗性能的重要因素，当粉煤灰掺量较大时，可以通过限制水灰比保证混凝土抗渗性能。由此可以得出，粉煤灰的最佳掺量因水灰比、混凝土强度、试验条件等因素的不同而不同，粉煤灰最佳掺量介于20％～30％之间。

3.2　矿渣粉

矿渣粉是由炼铁高炉排出的熔融态矿渣经水淬后再进行干燥、磨细加工而得到的超细粉末。矿渣粉具有与普通硅酸盐水泥相近的化学成分，其掺入水泥后，活性得到充分发挥，能够优化内部孔结构，有效改善混凝土的密实性及抗渗透性。

尤春伟认为，掺量70％矿渣粉的混凝土抗渗性能提高了一个等级。

马来滨通过试验得出，矿渣粉掺量为20％、40％和60％时，28d混凝土氯离子扩散系数分别下降34.0％、43.8％和58.3％，这说明随着矿渣粉掺量的增加，混凝土抗氯离子渗透性不断增强。

于博探讨了矿渣粉掺量为10％、30％、50％时两种水灰比条件下混凝土的抗渗性，试验结果表明，龄期越长、水灰比越低的大掺量矿渣粉(50％以上)混凝土抗渗性能越好，水灰比相同、矿渣粉掺量越多的混凝土氯离子扩散系数越小，其抗渗性能越优。

王兴照研究了矿渣粉掺量对C50高性能混凝土的影响，结果表明，矿渣粉的掺量较大时，能有效提高混凝土抗渗性能，矿渣粉的最佳掺量是40％。由此可以得出，大掺量矿渣粉能有效增强混凝土抗渗性能。

3.3　硅灰

硅灰是工业电炉在高温熔炼工业硅及硅铁的过程中，将随废气逸出的烟尘经特殊的捕集装置收集处理而成的颗粒，其主要成分为SiO₂。硅灰的颗粒非常小，也称为硅粉。由于硅灰颗粒较小，在混凝土拌合时，可以填充孔隙，增加混凝土材料之间的黏聚性，提高混凝土抗渗性能。

Chaudhary等通过试验得出，混凝土抗渗性能随着硅灰掺量的增加而加强，且当水灰比较小、硅灰掺量增多时，能较好地提高混凝土抗氯离子渗透性。

秦智通过试验得出了硅灰掺量、龄期等对混凝土渗透系数的影响:相同龄期时，随着硅灰掺量增加，混凝土渗透系数降低，相同硅灰掺量时，随着龄期增加，混凝土渗透系数降低；当硅灰掺量为12％时，桥梁混凝土有更好的抗渗性能。

宁逢伟等通过研究得出，复掺膨胀剂和硅灰能明显改善混凝土抗渗性能。硅灰掺量为10％时，混凝土孔隙填充效果明显，混凝土抗渗性能进一步提高。由此可以得出，硅灰最佳掺量在10％左右，对混凝土抗渗性能有增强作用。

3.4　偏高岭土

由于我国硅灰产量较低、价格偏高等原因，偏高岭土常替代硅灰用作掺合料。高岭土加热到大约600℃时，其层状结构破坏，形成偏高岭土。偏高岭土是细粉材料，其粒径较小，并能促进水泥水化，有效填充孔隙，因此偏高岭土能提高混凝土抗渗性能。

Kavitha等通过试验发现，掺量10％偏高岭土制备的混凝土试样具有较好的抗氯离子扩散性和抗水渗性。

刘红彬等通过研究发现，掺加偏高岭土可以显著改善抗氯离子渗透性，偏高岭土掺量为15％时，混凝土抗氯离子渗透性最佳。

赵玉磊认为，偏高岭土可以有效提高混凝土抗渗性能，最佳掺量为9％；复掺3％高温活化膨润土和12％偏高岭土，抗渗效果优于单掺。

Zhang等的研究表明，添加超细偏高岭土或硅灰可以改善混凝土的孔结构，能有效提高混凝土的力学性能及抗氯离子渗透性能，且超细偏高岭土对混凝土工作性能的影响优于硅灰。

4　复掺掺合料

单一掺合料的加入仅能对混凝土的某一方面具有改善作用，不同性能的掺合料掺入混凝土能相互补充，极大发挥掺合料的作用，优化混凝土性能。

4.1　矿物掺合料复掺

对于矿物掺合料复掺对混凝土抗渗性能影响的研究，以粉煤灰和矿渣粉复掺居多。

刘俊龙以总掺量为30％、40％的粉煤灰、矿渣粉取代部分水泥，并设定粉煤灰和矿渣粉的掺入比例分别是1:1、2:3、1:2，通过试验得出，掺入粉煤灰和矿渣粉能提高轻骨料混凝土抗渗性能。粉煤灰和矿渣粉总掺量为30％、掺入比例为2:3时，轻骨料混凝土抗渗性能最好。

周岳等通过研究发现，在粉煤灰掺量20％以内的情况下，矿渣粉的掺量由10％提高到20％，混凝土抗氯离子渗透性开始明显改善。在水灰比为0.4的前提下，当粉煤灰掺量为10％且矿渣粉掺量为10％～20％时，混凝土有较好的抗氯离子渗透性与抗碳化性能。

陈嘉伟研究发现，复掺40％矿渣粉和15％粉煤灰的试件抗氯离子渗透性较好。

朱新华等研究了复掺磨细火山灰和硅粉对混凝土抗渗性能的影响，发现磨细火山灰掺量为17％、硅粉掺量为3％～5％时，可提高混凝土抗渗性能。

4.2　矿物掺合料与纤维复掺

复掺矿物掺合料与纤维的混凝土，其抗渗性能也得到明显改善。

王德志等将矿物细掺料与纤维素纤维复掺，在水压3.5MPa下，水的渗透高度与基准组相比降低了42.2％，混凝土抗渗性能明显提升。

钱红萍等认为，复掺粉煤灰与矿渣粉能有效降低混凝土的渗水高度，通过试验进一步发现，在复掺矿物掺合料的基础上再掺加纤维素纤维、PVA纤维及两者的混杂，可进一步改善混凝土抗渗性能，且混杂纤维与矿物掺合料双掺效果最好。

杨海萍等将0.180％硅粉与0.500％碳纤维、0.022％甲基纤维素掺入改性C40混凝土试件中，试验结果显示，渗透高度最低了2.8cm，相较于普通混凝土，降幅达50.0％。

魏华北研究了掺入偏高岭土和钢纤维对混凝土抗渗性能的影响，当偏高岭土的掺量一定时，混凝土渗水高度随着钢纤维掺量的增加，呈先减小后增大的规律；当钢纤维掺量一定时，混凝土渗水高度随着偏高岭土掺量的增加而逐渐减小。

5　结论与展望

(1)常见的矿物掺合料，可不同程度地提高混凝土抗渗性能。

(2)单一矿物掺合料对混凝土抗渗性能的影响，因试验条件、混凝土基体设计等的不同而不同，但整体是有规律可循的。粉煤灰的最佳掺量介于20％～30％之间，硅灰、偏高岭土最佳掺量在10％左右，此条件下混凝土可以获得良好的抗渗性，而大掺量矿渣粉能有效提高混凝土抗渗性能。

(3)按一定比例复掺掺合料，混凝土可以得到比单掺更好的抗渗性。

(4)目前，矿物掺合料与纤维混掺研究比较少，可以作为以后的研究方向。

(5)试验条件相对比较单一，而建筑结构所处的环境却非常复杂，如何使试验设计更贴近工程环境，是应该考虑的另一个问题。

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