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    熱養(yǎng)護對礦物摻合料混凝土抗氯離子滲透性能及孔結(jié)構(gòu)的影響研究

    2022-08-29 10:08:30柯正雄
    交通科技 2022年4期
    關(guān)鍵詞:電通量值恒溫

    柯正雄 岳 陽,2 李 峰,2

    (1.甘肅五環(huán)公路工程有限公司 蘭州 730050; 2.甘肅省橋梁工程研究中心 蘭州 730050)

    目前對于混凝土材料熱養(yǎng)護的研究較多,如田耀剛等[1-3]研究了熱養(yǎng)護的靜養(yǎng)時間、升溫降溫速率、恒溫溫度等各項熱養(yǎng)參數(shù)對混凝土抗硫酸鹽侵蝕、抗碳化性能以及抗凍性的的影響;賀智敏等[4]分析了熱養(yǎng)工藝和熱養(yǎng)護參數(shù)對混凝土的毛細吸水性的影響,以及熱養(yǎng)護后混凝土的表皮損傷,得出加入礦物摻合料能夠有效降低損傷程度的結(jié)論;劉寶舉等[5-6]通過復(fù)摻礦粉和粉煤灰改善了熱養(yǎng)混凝土的力學(xué)性能,增強了熱養(yǎng)混凝土后期強度,并且研究了超細粉煤灰代替等量的水泥材料后熱養(yǎng)混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、氯離子擴散系數(shù)等耐久性指標。耿建等[7-11]通過壓汞法研究熱養(yǎng)制度對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,得出延長混凝土靜養(yǎng)時間能有效改善熱養(yǎng)混凝土的孔結(jié)構(gòu)的結(jié)論。本文主要對熱養(yǎng)礦物摻合料高性能混凝土的抗氯離子滲透性能、孔結(jié)構(gòu),以及熱養(yǎng)護后補充養(yǎng)護對其抗氯離子滲透性能的影響進行研究,為實際工程中提升熱養(yǎng)高性能混凝土的耐久性提供參考依據(jù)。

    1 試驗

    1.1 試驗材料

    試驗用蘭州祁連山水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥,水泥的各項指標見表1。

    表1 P·O 42.5水泥各項指標

    粉煤灰為蘭州鑫合源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的II級粉煤灰,粉煤灰各項指標見表2。

    表2 II粉煤灰各項指標

    礦粉采用蘭州榆中鴻源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的S95級礦粉,礦粉各項指標見表3。

    表3 S95礦粉各項指標

    減水劑采用上海三瑞聚羧酸系高性能減水劑;細骨料選用甘肅白銀天然河砂,II級砂細度為2.45,表觀密度為2 599 kg/m3,堆積密度為1 515 kg/m3;粗骨料選用5~25 mm連續(xù)級配碎石,緊密度為1 700 kg/m3。

    1.2 試驗方法

    1) 氯離子滲透試驗。將C50混凝土(設(shè)計配配合比見表4)在不同恒溫溫度和恒溫時長熱養(yǎng)護后,轉(zhuǎn)為標準養(yǎng)護的28 d齡期的150 mm×150 mm×150 mm標準試塊切割成長×直徑=50 mm×100 mm試件,以硅膠或樹脂密封其側(cè)面,然后放入VJH真空飽水機中飽水,待真空飽水結(jié)束后,將試件安裝于試驗槽內(nèi),檢查密封性能。在電源負極注入3% NaCl溶液、在電源正極注入0.3 mol NaOH 溶液;保持試驗槽內(nèi)充滿溶液的情況下接通電源,對上述兩正負極施加(60±0.1)V 直流恒電壓,并每5 min記1次電流值,待通電6 h時后結(jié)束試驗,記錄此時機器打印的電通量測量值。

    2) 微觀孔結(jié)構(gòu)試驗。將養(yǎng)護至相應(yīng)齡期的混凝土試塊,放入VJH真空飽水機,在-0.075 MPa條件下無水抽真空3 h,然后保持真空注入蒸餾水,濕抽1 h后轉(zhuǎn)為常壓浸泡,常壓浸泡18 h后取出試塊,用塑料保鮮膜纏繞包裹,放入核磁共振儀線圈,利用Macro MR12-150H-I核磁共振儀,進行孔結(jié)構(gòu)測試。

    3) 補充養(yǎng)護試驗。將50,60,70,80 ℃熱養(yǎng)溫度下熱養(yǎng)9 h的混凝土試塊降至20 ℃后,分別轉(zhuǎn)為(20±1)℃標準養(yǎng)護、(20±1) ℃水養(yǎng)(飽和Ca(OH)2水溶液)、自然養(yǎng)護(出棚灑水養(yǎng)護2 d后覆塑料薄膜),養(yǎng)護至28 d齡期,進行氯離子滲透試驗和孔結(jié)構(gòu)測試。

    表4 混凝土配合比 kg

    2 試驗結(jié)果及分析

    2.1 熱養(yǎng)護對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

    將試塊放入熱養(yǎng)室,以10 ℃/h的升溫速率升至設(shè)定的恒溫溫度,養(yǎng)護至相應(yīng)時長后以10 ℃/h的降溫速率降至室溫,后立即取出測其抗壓強度。50,60,70,80 ℃恒溫溫度下,養(yǎng)護相應(yīng)時長的混凝土抗壓強度見圖1。

    圖1 熱養(yǎng)護條件下混凝土抗壓強度

    由圖1可見,礦物摻合料高性能混凝土在熱養(yǎng)護條件下,隨著熱養(yǎng)時長與熱養(yǎng)溫度的增加,混凝土早期強度也逐漸增長,并且熱養(yǎng)溫度越高,強度增長越快。50 ℃恒溫養(yǎng)護9 h時混凝土抗壓強度基本達到設(shè)計強度的75%以上,80 ℃恒溫養(yǎng)護9 h時抗壓強度達設(shè)計強度的95%以上,24~48 h時50,60,70 ℃恒溫養(yǎng)護下混凝土強度還在繼續(xù)增長,但80 ℃恒溫下的混凝土強度已基本不再增長,恒溫養(yǎng)護48 h之后各溫度下混凝土強度基本達到最大值。這是因為高溫高濕的養(yǎng)護條件加快了礦物摻合料高性能混凝土中水泥的水化速率生成CH,而高溫促使礦物摻合料中的SiO2和Al2O3能快速與CH生成水化CaSiO3和水化Ca(AlO2)2等一系列水化產(chǎn)物,所以在熱養(yǎng)護9 h內(nèi)混凝土強度增長較快,9~24 h時強度增長放緩,24~48 h混凝土強度增長進一步放緩。

    將各恒溫溫度下養(yǎng)護相應(yīng)時長的試塊,降至20 ℃后從熱養(yǎng)室轉(zhuǎn)入標養(yǎng)室,進行恒溫(20±1)℃,濕度95%的標準養(yǎng)護,養(yǎng)護28 d齡期后測其電通量值,并與直接進行標養(yǎng)28 d齡期試塊的電通量值進行對比,其結(jié)果見圖2。

    圖2 28 d氯離子電通量值

    由圖2可見,礦物摻合料高性能混凝土與相關(guān)文獻中普通混凝土所表現(xiàn)的熱養(yǎng)后抗氯離子滲透性能有所不同。隨著熱養(yǎng)溫度和熱養(yǎng)時長的增加,礦物摻合料高性能混凝土氯離子電通量值逐漸減小;熱養(yǎng)溫度越高,恒溫時長越長,電通量值也越?。徊⑶蚁鄬τ谘娱L恒溫時間,提高熱養(yǎng)溫度更能激發(fā)礦物摻合料的活性,降低電通量的值,與50 ℃相比,80 ℃養(yǎng)護3 h的電通量值僅為50 ℃的56.5%。但是過高的熱養(yǎng)溫度和過長的恒溫時長會導(dǎo)致抗氯離子滲透性能變差,當80 ℃養(yǎng)護超過12 h時電通量值不減反增,70 ℃養(yǎng)護超過24 h時電通量開始增長,60 ℃和50 ℃超過48 h時,電通量值開始增加。通過分析發(fā)現(xiàn),雖然熱養(yǎng)護能激發(fā)礦物摻合料活性,使水泥及其摻合料水化速度加快。但是過高的養(yǎng)護溫度和過長的養(yǎng)護時長,使水化產(chǎn)物迅速堆積分布不均,水化產(chǎn)物包裹著未水化的顆粒,水分子向未水化的水泥顆粒及其摻合料顆粒擴散速度減慢,并且由于水化產(chǎn)物迅速堆積而產(chǎn)生了一定的粗晶體,在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多孔隙的同時,也產(chǎn)生了一定的拉應(yīng)力,造成更多有害孔和裂隙的出現(xiàn)。使得混凝土力學(xué)性能和抗氯離子滲透性能變差。

    2.2 熱養(yǎng)護對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

    采用Macro MR12-150H-I核磁共振儀對養(yǎng)護相應(yīng)齡期的混凝土進行孔結(jié)構(gòu)測試,48 h,28 d的T2譜分布和孔喉分布情況見圖3~圖6。

    圖3 48 h T2譜分布

    圖4 48 h孔喉分布

    由圖3可見,4種熱養(yǎng)溫度下T2譜均為3個波峰,從左到右依次稱為第一波峰、第二波峰、第三波峰,3個波峰對應(yīng)有不同的馳豫區(qū)間和信號強度,而馳豫時間和信號強度代表孔徑的大小和相對應(yīng)孔徑孔隙的數(shù)量。通過數(shù)據(jù)可知,隨著熱養(yǎng)溫度升高信號強度逐漸增大,50 ℃下熱養(yǎng)48 h的第一峰信號強度為660.77 h/a,80 ℃的信號強度達到750.4 h/a,這說明混凝土中小孔的比例隨著熱養(yǎng)溫度的升高逐漸增大。圖4中的孔喉分布也證明了這一點,50 ℃時0~0.1 μm孔徑為86%,60 ℃時0~0.1 μm孔徑為87.6%,70 ℃時0~0.1 μm孔徑為88.5%,80 ℃時0~0.1 μm孔徑為90%。而隨著溫度的升高,大孔的比例逐漸減小,當熱養(yǎng)溫度達到80 ℃時,0.1~0.25 μm孔徑增加了3.39%,這說明隨著熱養(yǎng)溫度的升高,大孔慢慢向小孔轉(zhuǎn)化。但是隨著溫度的升高總孔隙率卻不斷增加,50,60,70,80 ℃熱養(yǎng)48 h的總孔隙率分別為5.61%,5.73%,6.0%,6.12%。這主要是因為混凝土中的礦物摻合料在較高的熱養(yǎng)溫度下,水化速度加快,反應(yīng)產(chǎn)生了更多的含有凝膠孔的凝膠,細化了混凝土內(nèi)部的孔徑,同時高溫?zé)狃B(yǎng)增加混凝土內(nèi)部有害孔的數(shù)量,導(dǎo)致總孔隙率的增加。

    圖5 28 d T2譜分布

    圖6 28 d孔喉分布

    通過觀察圖5可知,熱養(yǎng)轉(zhuǎn)標養(yǎng)后T2譜第一峰小于標養(yǎng)28 d的峰值,其縱坐標隨著熱養(yǎng)溫度的升高而減小,橫坐標左移,第三峰的縱坐標與48 h的T2譜相比有所增加,且熱養(yǎng)溫度越高增加的幅度越大,這說明熱養(yǎng)轉(zhuǎn)標養(yǎng)28 d后混凝土內(nèi)部大孔和有害孔的數(shù)量增加導(dǎo)致內(nèi)部小孔的比例降低。

    由圖6可見,50 ℃熱養(yǎng)轉(zhuǎn)標養(yǎng)28 d齡期時0~0.1 μm孔徑為88.02%,比48 h時增加2%,比標準養(yǎng)護小3.34%;0.10~0.25 μm孔徑為0.3%,比48 h時增加0.124%,比標準養(yǎng)護多0.14%。而80 ℃熱養(yǎng)轉(zhuǎn)標養(yǎng)28 d齡期時0~0.1 μm孔徑為85.01%,比48 h時降低了4.01%,比標準養(yǎng)護小6.35%;0.10~0.25 μm孔徑為2.43%,比48 h時減少0.54%,孔徑>0.25 μm比48 h時多4.54%,比標準養(yǎng)護多4.7%。50,60,70,80 ℃熱養(yǎng)48 h后轉(zhuǎn)標養(yǎng)28 d的總孔隙率分別為5.76%,5.95%,6.25%,6.41%,標準養(yǎng)護28 d的總孔隙率為7.42%。

    2.3 補充養(yǎng)護對抗氯離子性能和孔結(jié)構(gòu)的影響

    為探究熱養(yǎng)結(jié)束后補充養(yǎng)護對混凝土抗氯離子滲透性能的影響,將熱養(yǎng)9 h的試塊降至室溫后,分別轉(zhuǎn)為(20±1) ℃,濕度95%標準養(yǎng)護、水養(yǎng)護(飽和Ca(OH)2水溶液)以及自然養(yǎng)護(出棚灑水養(yǎng)護2 d后覆膜養(yǎng)護),養(yǎng)護至28 d齡期后進行氯離子滲透試驗和孔結(jié)構(gòu)測試。電通量結(jié)果見圖7。

    圖7 28 d氯離子電通量值

    由圖7可見,對于礦物摻合料高性能混凝土而言,熱養(yǎng)護后轉(zhuǎn)為飽和Ca(OH)2水溶液進行補充養(yǎng)護至28 d齡期,其氯離子電通量的值小于熱養(yǎng)護后轉(zhuǎn)為標準養(yǎng)護和自然養(yǎng)護的值。與直接進行標準養(yǎng)護相比,80 ℃熱養(yǎng)后轉(zhuǎn)為水養(yǎng)護、標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護電通量值分別降低了61.6%,60.5%,59.8%;70 ℃熱養(yǎng)后轉(zhuǎn)為水養(yǎng)護、標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護,電通量值分別降低了50.9%,49.4%,48.6%。60 ℃熱養(yǎng)后轉(zhuǎn)為水養(yǎng)護、標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護電通量值分別降低了50.9%,49.4%,48.6%。50 ℃熱養(yǎng)后轉(zhuǎn)為水養(yǎng)護、標準養(yǎng)護、自然養(yǎng)護,電通量值分別降低了39.4%,36.4%,31.9%;這說明后期水養(yǎng)護對熱養(yǎng)礦物摻合料高性能混凝土的抗氯離子滲透性能有一定的提高,但是前期熱養(yǎng)溫度越高,補充養(yǎng)護的改善能力越弱。

    圖8為補充養(yǎng)護下T2譜分布。

    圖8 補充養(yǎng)護下T2譜分布

    由圖8中各熱養(yǎng)溫度、不同補充養(yǎng)護條件下T2分布圖分析可知,相對于熱養(yǎng)后采用標準水養(yǎng)護和自然養(yǎng)護,水養(yǎng)護能夠有效增加熱養(yǎng)混凝土中孔徑<0.1 μm的小孔的比例,降低孔徑>10 μm有害孔的數(shù)量。50 ℃蒸轉(zhuǎn)水養(yǎng)護總孔隙率為5.22%,轉(zhuǎn)標準養(yǎng)護總孔隙率為5.61%,轉(zhuǎn)自然養(yǎng)護總孔隙率為5.79%。由此可見,進行水養(yǎng)護后膠凝材料中水泥和礦物摻合料能夠二次水化,促使混凝土內(nèi)部的大孔向小孔轉(zhuǎn)化,細化混凝土內(nèi)部孔隙,降低總孔隙率,使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密穩(wěn)定,提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

    3 結(jié)論

    1) 熱養(yǎng)護能夠提升礦物摻合料高性能混凝土的早期強度。并且熱養(yǎng)溫度愈高,養(yǎng)護時間愈長,混凝土強度增長愈大;除此之外,進行熱養(yǎng)護能夠在一定程度上降低礦物摻合料高性能混凝土的電通量值,但養(yǎng)護溫度不宜太高,恒溫時間不宜太長。

    2) 熱養(yǎng)護能夠促進膠凝體系中礦物摻合料的水化速度激發(fā)火山灰效應(yīng),細化混凝土內(nèi)部孔徑,促使大孔向小孔的轉(zhuǎn)化,但同時也增多了有害孔的數(shù)量,增大了總孔隙率,熱養(yǎng)護后轉(zhuǎn)為標準養(yǎng)護28 d有害孔的孔徑和數(shù)量進一步增大,因此實際施工中應(yīng)注意過度熱養(yǎng)護對混凝土產(chǎn)生的損傷。

    3) 熱養(yǎng)后采取Ca(OH)2水溶液養(yǎng)護的補充養(yǎng)護方式,對混凝土因熱養(yǎng)產(chǎn)生損傷有一定的修復(fù)作用,能夠優(yōu)化內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),降低總孔隙率,提升混凝土的抗氯離子滲透性能,但當熱養(yǎng)溫度過高時,這種修復(fù)作用不大。

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