基于抗氯离子侵蚀的复合胶凝材料组成设计

基于抗氯离子侵蚀的复合胶凝材料组成设计

孙鹏贵 马俊 刘昌 谷立 余蓄

中国建筑第八工程局有限公司南方分公司 广东省深圳市 518000

摘要：本文旨在探讨基于抗氯离子侵蚀的复合胶凝材料组成设计。首先分析了氯离子侵蚀对混凝土结构的危害机理，包括钢筋锈蚀等问题。随后详细阐述了复合胶凝材料中各组分如水泥、矿物掺合料（粉煤灰、矿渣粉、硅灰等）在抗氯离子侵蚀方面的作用与特性。重点论述了通过合理调整各组分比例来优化复合胶凝材料组成以提高抗氯离子侵蚀性能的方法，结合相关试验研究与实际工程应用案例，展示了不同组成设计对氯离子渗透深度、扩散系数等关键指标的影响，为高性能抗氯离子侵蚀复合胶凝材料在建筑工程中的应用提供了理论依据与实践指导。

关键词：氯离子；混凝土侵蚀；复合胶凝材料；组成设计

中建八局科技研发项目《低碳高抗蚀水泥基海洋工程材料研究与应用》（2023-2-37）

引言：在现代基础设施建设中，众多工程面临着氯离子侵蚀的严峻挑战。无论是海洋工程中的码头、防波堤，沿海地区的建筑物，还是冬季使用除冰盐的道路桥梁，氯离子的存在都对混凝土结构的耐久性构成了重大威胁。氯离子能够轻易地穿透混凝土保护层，引发钢筋锈蚀，进而导致混凝土开裂、剥落等一系列病害，严重缩短结构的使用寿命并危及安全。因此，研发具有卓越抗氯离子侵蚀性能的复合胶凝材料已成为材料科学与工程领域的关键研究课题。

1氯离子侵蚀危害机理

1.1钢筋钝化膜的破坏

混凝土内部的高碱性环境（通常 pH 值在 12.5 - 13.5 之间）促使钢筋表面自然形成一层致密的钝化膜。这层钝化膜作为钢筋的 “防护铠甲”，能够有效阻隔氧气和水分与钢筋的接触，从而抑制钢筋的锈蚀反应。然而，当氯离子从外界环境侵入混凝土并逐渐在钢筋表面累积至一定浓度（即临界氯离子浓度）时，其强大的侵蚀性会破坏钝化膜的完整性。氯离子具有独特的吸附和穿透能力，能够取代钝化膜中的氧原子或羟基离子，使钝化膜的结构发生改变并最终破裂，使得钢筋直接暴露于侵蚀性环境中，失去了原有的防护屏障。

1.2钢筋锈蚀的加速

一旦钢筋钝化膜被氯离子破坏，钢筋便进入活化状态，与周围的氧气和水分发生电化学腐蚀反应。在这个过程中，氯离子扮演着去极化剂的角色，极大地加速了腐蚀反应的速率。钢筋锈蚀产生的产物（主要是铁锈）其体积相较于原始钢筋显著膨胀，可膨胀数倍甚至数十倍。这种体积膨胀会在混凝土内部产生巨大的内应力，当内应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会出现裂缝。而裂缝的产生又为氯离子的进一步侵入提供了更为便捷的通道，使得更多的氯离子能够快速到达钢筋表面，进一步加剧钢筋的锈蚀程度，形成一个恶性循环。随着钢筋锈蚀的不断发展，混凝土结构的承载能力会逐渐降低，最终可能导致结构的破坏甚至垮塌。

2复合胶凝材料组分特性及抗氯离子侵蚀作用

2.1水泥

水泥是复合胶凝材料的主要成分，其水化产物为混凝土提供了基本的强度和结构稳定性。在抗氯离子侵蚀方面，水泥的品种和性能有重要影响。例如，普通硅酸盐水泥水化产物中的氢氧化钙含量相对较高，在一定程度上有利于提高混凝土的碱性环境，对钢筋钝化膜有一定的保护作用，但同时其孔隙结构相对较大，可能会为氯离子的传输提供通道。而一些特种水泥，如抗硫酸盐水泥，其水化产物和微观结构特性使其在抗氯离子侵蚀方面具有更好的性能表现，能够降低氯离子的渗透速率。

2.2粉煤灰

粉煤灰是一种常见的矿物掺合料。它具有火山灰活性，在混凝土中能够与水泥水化产生的氢氧化钙发生二次水化反应，生成额外的水化硅酸钙等产物，填充混凝土内部孔隙，细化孔隙结构，从而降低氯离子的渗透通道。粉煤灰的滚珠效应还可以改善混凝土的工作性，使混凝土更加密实。大量研究表明，适量掺入粉煤灰能够显著提高混凝土的抗氯离子侵蚀能力，一般粉煤灰取代水泥量在 20% - 30% 时，抗氯离子渗透性能有较大提升。

2.3矿渣粉

矿渣粉具有较高的潜在活性，其水化反应能够生成更多的低钙硅比的水化硅酸钙凝胶，这种凝胶结构致密，能够有效阻挡氯离子的迁移。矿渣粉的掺入还可以降低混凝土的水化热，减少温度裂缝的产生，进一步提高混凝土结构的整体性和抗氯离子侵蚀性能。在实际应用中，矿渣粉取代水泥量可达 30% - 50%，与粉煤灰复合使用时效果更佳。

2.4硅灰

硅灰是一种高活性的矿物掺合料，其颗粒极其细小，具有很高的比表面积。硅灰能够填充水泥水化产物之间的微小孔隙，极大地提高混凝土的密实度。同时，硅灰中的活性二氧化硅与水泥水化产物反应生成更多的硅酸钙凝胶，显著增强混凝土的抗氯离子渗透能力。但由于硅灰价格较高，一般掺量在 5% - 10% 左右，常与其他矿物掺合料复合使用以达到经济和性能的平衡。

3复合胶凝材料组成设计优化方法

3.1基于试验研究的优化

通过设计一系列的混凝土配合比试验，改变复合胶凝材料中水泥、粉煤灰、矿渣粉、硅灰等组分的比例，测定不同配合比下混凝土的氯离子渗透深度、扩散系数等关键指标。例如，可以采用快速氯离子迁移试验（如

RCM 试验）来评估混凝土的抗氯离子侵蚀性能。根据试验结果，分析各组分比例变化对性能指标的影响规律，建立数学模型（如响应面模型），通过优化算法确定在满足抗氯离子侵蚀性能要求下的最佳复合胶凝材料组成比例。

3.2微观结构分析辅助优化

利用扫描电子显微镜（SEM）、压汞仪（MIP）等微观测试手段，研究不同复合胶凝材料组成下混凝土的微观结构特征，包括孔隙率、孔径分布、水化产物形态等。观察到随着矿物掺合料的合理掺入，混凝土内部孔隙结构逐渐细化，大孔数量减少，小孔数量增加，水化产物更加致密均匀，从而有效阻碍氯离子的传输。根据微观结构分析结果，进一步调整复合胶凝材料的组成，以实现微观结构的优化和抗氯离子侵蚀性能的提升。

4试验研究与实际工程应用案例分析

4.1试验研究案例

某高校材料实验室开展了一项关于抗氯离子侵蚀复合胶凝材料的实验研究。实验采用了水灰比为 0.4 的混凝土配合比，固定水泥用量为 350kg/m³，分别设置了不同粉煤灰、矿渣粉和硅灰掺量的实验组。其中一组实验中，粉煤灰取代水泥量为 20%，矿渣粉取代水泥量为 30%，硅灰掺量为 5%。通过 RCM 试验测定该组混凝土试件的氯离子扩散系数为 2.5×10⁻¹²m²/s，而对比普通混凝土（未掺加矿物掺合料）的氯离子扩散系数为 8.0×10⁻¹²m²/s，抗氯离子侵蚀性能提升显著。同时，对该组混凝土进行 SEM 微观结构分析，发现其内部孔隙结构明显细化，水化产物相互交织紧密，形成了较为致密的微观结构，这为其良好的抗氯离子侵蚀性能提供了有力的微观结构支撑。

4.2实际工程应用案例

在某沿海城市的地铁工程建设中，部分地下结构处于高氯离子含量的地下水环境中。工程采用了抗氯离子侵蚀复合胶凝材料，其组成设计经过前期大量实验和优化。水泥选用了具有低氯离子扩散特性的特种水泥，粉煤灰、矿渣粉和硅灰按照特定比例复合掺入。在工程建设完成后的长期监测中发现，经过 5 年的运营，混凝土结构中的氯离子含量增长缓慢，钢筋锈蚀情况得到有效控制，混凝土表面仅有轻微的侵蚀痕迹。而在该地区其他未采用抗氯离子侵蚀复合胶凝材料的类似地下工程结构中，已出现较为明显的混凝土劣化现象，如裂缝、剥落等，钢筋锈蚀也较为严重，这充分证明了基于抗氯离子侵蚀的复合胶凝材料组成设计在实际重大工程中的有效性和可靠性，为类似工程提供了宝贵的借鉴经验。

结语：

据上文分析可知，氯离子侵蚀对混凝土结构危害严重，基于抗氯离子侵蚀的复合胶凝材料组成设计研究意义重大。通过深入剖析各组分特性与优化设计方法，并结合试验与实际案例分析，我们为提升混凝土耐久性提供了有效途径。未来，持续探索新型材料与智能监测技术的融合应用，必将推动建筑工程在氯离子侵蚀环境下迈向更安全、持久的新高度。

参考文献：

[1]王明. 氯离子侵蚀对钢筋混凝土结构性能的影响及防治措施[J].混凝土技术，2020，48（4）：89-94.

[2]韩宇栋,郭奕群,李嘉豪,等. 高密实多元复合水泥浆体组成设计与抗侵蚀性能研究[J].材料导报,2023,37(3):154-160.

[3]郭奕群.基于抗氯离子侵蚀性能的复合水泥浆体的组成与结构设计及性能研究[D].广东:华南理工大学,2020.

[4]李嘉豪.全级配混凝土组成结构设计与抗侵蚀性能研究[D].广东:华南理工大学,2023.