摻合料對混凝土抗氯鹽侵蝕性能研究

王 旭，曾 力，高 浩

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072)

無論現(xiàn)代化建設(shè)如何發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍將是未來最常用的結(jié)構(gòu)形式。普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用過程中普遍存在耐久性能差、使用年限達(dá)不到預(yù)期等問題，直接制約了其在惡劣自然環(huán)境下的使用，尤其是在沿海地區(qū)、鹽湖地區(qū)以及鹽堿地[1]。而在鋼筋混凝土使用過程中，其中鋼筋的銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。氯離子會破壞混凝土中堿環(huán)境下鋼筋的鈍化膜，從而使鋼筋產(chǎn)生銹蝕。因此，氯離子滲透擴散性是反映混凝土抵抗氯離子侵人和鋼筋腐蝕能力的一個重要參數(shù)。為了延緩氯離子對混凝土的侵蝕，許多建筑結(jié)構(gòu)、地下工程等都使用了摻粉煤灰、礦渣等礦物摻合料以提升性能的混凝土，這樣可以充分利用粉煤灰與礦渣的優(yōu)勢，改善混凝土性能，達(dá)到抵抗氯離子侵蝕的效果[2]。

在混凝土中摻入摻合料以提高混凝土抗氯離子侵蝕性能一直是國內(nèi)外研究熱點之一。Parande等[3]通過試驗研究了在混凝土中摻入粉煤灰對混凝土強度和氯離子滲透的影響，發(fā)現(xiàn)在摻入粉煤灰后，混凝土的150 d強度及氯離子的滲透性均得到較好的改善。Arya等[4]對摻粉煤灰的混凝土進(jìn)行氯離子侵蝕研究，發(fā)現(xiàn)混凝土摻入粉煤灰之后，孔隙尺寸減小，過渡區(qū)界面加強，有效加強了混凝土的抗氯離子侵蝕能力。賀鴻珠[5]對摻粉煤灰的混凝土與普通混凝土進(jìn)行對比試驗，發(fā)現(xiàn)粉煤灰混凝土抗?jié)B性和抗氯離子擴散性均優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土，粉煤灰的摻入改善了界面性能，使界面具有更大的結(jié)合力。

本文選取粉煤灰、礦渣、硅粉三種礦物摻合料進(jìn)行設(shè)計，最終設(shè)計11種配合比，進(jìn)行電通量法試驗及快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)試驗，從電通量及氯離子遷移系數(shù)大小的角度，研究摻合料種類及摻量對混凝土28 d齡期抗氯離子性能的影響。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

原材料采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、S95級礦渣粉、高加密硅粉、聚羧酸高效減水劑、引氣劑、細(xì)度模數(shù)為3.0的河砂及粒徑為5～20 mm的碎石。水泥、粉煤灰和硅粉化學(xué)組成見表1(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)，河沙的顆粒級配及細(xì)度模數(shù)見表2。

表1 水泥、粉煤灰和硅灰化學(xué)組成

表2 細(xì)骨料顆粒級配及細(xì)度模數(shù)

1.2 試驗方法

1.2.1 電通量法

試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)中電通量法試驗方法進(jìn)行。將28 d齡期的混凝土試樣，加工成Φ100 mm×50 mm的圓柱體，將待測試件通過真空飽水，然后在試件兩端施加直流電壓，在電場作用下，處于試件負(fù)極一側(cè)的帶負(fù)電的氯離子向正極移動。系統(tǒng)每0.5 h測一次流過試件的電量，通過測得的連續(xù)6 h流過混凝土的電量值，來評價混凝土的滲透性。

1.2.2 快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)

試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)中RCM法試驗方法進(jìn)行。試驗原理是利用外加電場使試件水槽中的氯離子向試件內(nèi)部遷移。試樣同電通量法試樣大小及試驗前期處理方法一致。在試件兩端施加電壓一段時間后，在壓力機上沿軸向?qū)⒃嚰_，在劈開的試件的斷面噴硝酸銀溶液，一段時間后試件斷面會出現(xiàn)穩(wěn)定的白色痕跡，測定白色痕跡的平均高度，以此來表示氯離子滲透的深度，根據(jù)深度以及其他測量的數(shù)據(jù)計算出混凝土中氯離子的遷移系數(shù)。

2 配合比設(shè)計

提高混凝土防腐性能的方法主要有選擇改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和改變水泥水化。本研究主要是在滿足混凝土強度等級設(shè)計要求的前提下，通過外摻不同種類的礦物摻合料(包括單摻、雙摻及三摻)來研究混凝土的抗氯離子腐蝕性能。

試驗共設(shè)計11種C35混凝土配合比，其中不摻摻合料混凝土為基準(zhǔn)配合比。11種混凝土配合比設(shè)計原則為抗壓強度及流動性(坍落度達(dá)到180～220 mm)相同，且抗壓強度均達(dá)到設(shè)計強度等級C35。11種混凝土設(shè)計配合比見表3。

表3 防腐混凝土設(shè)計配合比

注：W為水；B為膠凝材料；F為粉煤灰；S為礦渣；SF為硅粉。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

試驗方法處理數(shù)據(jù)后得到試驗結(jié)果見表4。

表4 混凝土試件實驗結(jié)果

3.2 電通量法試驗分析

混凝土試塊電通量隨粉煤灰及礦渣摻量變化的曲線見圖1。

圖1 混凝土電通量與礦物摻合料摻量及摻入方案的關(guān)系

結(jié)合表4與圖1結(jié)果分析可得以下結(jié)論：

1)粉煤灰及礦渣粉單摻時均可明顯減小混凝土的電通量，表明礦物摻合料的摻加能提升混凝土的抗氯離子侵蝕能力。對比粉煤灰或礦渣粉單摻時的電通量與基準(zhǔn)混凝土的降低率，同一摻量下，摻礦渣粉的降低率比粉煤灰低，表明摻礦渣粉對于減少電通量的效果稍好于粉煤灰。

2)相比于礦渣單摻時，礦渣粉與硅粉雙摻時的電通量要更小，表明礦渣粉與硅粉雙摻時混凝土抗氯離子滲透性能好于單摻時混凝土的性能。在硅粉雙摻試驗中，粉煤灰與礦渣粉相比，兩者的效果并沒有很明顯差別。

3)粉煤灰、礦渣粉、硅粉三摻且摻量為15%時，對應(yīng)電通量與基準(zhǔn)的降低率在50%以下，明顯低于表4雙摻時對應(yīng)的降低率，表明礦物摻合料三摻可進(jìn)一步降低混凝土的電通量，且降低幅度幅度明顯高于摻合料單摻及雙摻，摻合料三摻有助于進(jìn)一步提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

3.3 RCM法試驗分析

混凝土試塊遷移系數(shù)隨粉煤灰及礦渣摻量變化的曲線見圖2。

圖2 混凝土電通量與礦物摻合料摻量及摻入方案的關(guān)系

由圖2及表4可得到以下結(jié)論：

1)摻礦物摻合料混凝土的氯離子遷移系數(shù)相對于不摻礦物摻合料的混凝土均較小，表明摻礦物摻合料混凝土抗氯離子滲透性能優(yōu)于不摻礦物摻合料的混凝土。

2)混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨礦物摻合料摻量的增加而降低，且降低幅度明顯。

3)礦物摻合料雙摻及三摻時混凝土的抗氯離子滲透性能優(yōu)于單摻的混凝土。且粉煤灰、礦渣粉、硅粉三摻時混凝土的抗氯離子滲透性能最優(yōu)。

4 孔隙結(jié)構(gòu)分析

本文采用吸水動力學(xué)法對不同摻量混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，意在探索孔隙結(jié)構(gòu)與混凝土抗環(huán)境水侵蝕能力的內(nèi)在聯(lián)系，最終確定摻合料對混凝土抗氯離子侵蝕的作用機理及效果。吸水動力學(xué)法主要通過測試試樣在經(jīng)過干燥處理后，試樣在水中每浸泡一段時間吸收水量經(jīng)過計算得到混凝土中孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算公式見式(1)。

wt=wmax(1-e-λtα)

(1)

式中：t為試件在水中浸泡時間，h；wt為t小時后試件的重量吸水率，%；wmax為試件飽和重量吸水率，%；α為孔均勻性；λ為平均孔徑。

本文采用吸水動力學(xué)法測試及計算得到的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙率P、孔均勻性α及平均孔徑λ)結(jié)果見表5。

試驗結(jié)果分析：

由表5試驗結(jié)果繪圖3～圖5，其中圖4為混凝土28 d孔隙率隨摻合料類型及摻量的變化，圖5為混凝土28 d平均孔徑隨摻合料類型及摻量的變化。

表5 混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)測試結(jié)果

圖3 混凝土28 d孔隙率隨摻合料類型及摻量的變化

圖4 混凝土28 d孔均勻性隨摻合料類型及摻量的變化

圖5 混凝土28 d平均孔徑隨摻合料類型及摻量的變化

由表5及圖3分析結(jié)果可見：

1)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，摻入摻合料能有效降低混凝土的孔隙率，摻量增加，混凝土的孔隙率越小。

2)復(fù)摻的效果明顯比單摻效果較好。

由表5及圖4分析結(jié)果可見：

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，摻入摻合料后，各種混凝土的孔均勻性沒有明顯差異，總體上處在同一水平，表明混凝土中均存在大小不一的孔隙。

由表5及圖5分析結(jié)果可見：

1)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，摻入摻合料能有效降低混凝土的平均孔徑，摻量增加，混凝土的孔隙率越小。

2)在復(fù)摻條件下，混凝土的平均孔徑較單摻時要低。

5 結(jié) 語

1)在混凝土中無論單摻礦物摻合料、雙摻摻合料還是三摻摻合料都能有效改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高混凝土抗氯離子侵蝕能力，在摻量相同時，摻礦渣的效果要比摻粉煤灰稍好。在單摻和雙摻時，摻量達(dá)到15%可有效降低氯離子的滲透能力。

2)在摻入摻合料的方式中，三摻效果最好，其次雙摻，單摻效果較差，不摻入摻合料效果最差。

3)在混凝土中摻入摻合料之后能有效降低混凝土的孔隙率及平均孔徑，提高混凝土的抗氯離子侵蝕能力。