不同礦粉摻量對(duì)水工混凝土抗?jié)B性影響研究

于 博

(康平縣自然資源保護(hù)與行政執(zhí)法中心,遼寧 康平 110500)

0 引 言

滲透性是決定混凝土耐久性的重要因素之一,這是因?yàn)樗值膿饺胨俾逝c滲透性直接相關(guān),而這些水對(duì)混凝土冰凍或受熱凝結(jié)過程中的水分移動(dòng)具有控制作用,同時(shí)可能存在多種侵蝕性離子。水滲法可以直觀地反映抗?jié)B性,但水壓力較高時(shí)用這種方法測定的滲透系數(shù)呈減小趨勢(shì)。研究表明,混凝土水膠比(W/C)處于0.30～0.75范圍時(shí),采用傳統(tǒng)的水滲透法和抗氯離子滲透試驗(yàn)測定的抗?jié)B結(jié)果及總孔隙率高度一致[1]。所以,通過抗氯離子滲透試驗(yàn)測定6d電通量評(píng)定混凝土抗?jié)B性具有實(shí)際參考意義。

從材料學(xué)的層面上,微觀結(jié)構(gòu)的均勻性決定了混凝土的耐久性,一般離析和泌水特別是集料-水泥漿界面區(qū)是導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)不均勻性的主要因素。摻入礦物摻合料能夠減少離析與泌水現(xiàn)象,阻斷混凝土內(nèi)部水分遷移通道,有效降低水泥基體的滲透性[2-5]。這是因?yàn)榛炷凉逃械亩嗫仔詫?dǎo)致其抗?jié)B性較差,對(duì)于水泥漿密實(shí)包裹骨料顆粒組成的混凝土,其滲透性受水泥漿的影響較大。所以,水泥漿-集料界面區(qū)特性以及水泥石的孔結(jié)構(gòu)都會(huì)顯著影響混凝土的抗?jié)B性。

礦粉與硅酸鹽水泥的水化硬化特點(diǎn)及化學(xué)組成相似,其活性較水泥顆粒略優(yōu),細(xì)度也更細(xì),摻入礦粉可以改善界面特性和密實(shí)性。有學(xué)者認(rèn)為礦渣水泥相比于普通硅酸鹽水泥配制的混凝土抗海水侵蝕性能更優(yōu),究其原因是礦渣水泥能夠優(yōu)化混凝土孔結(jié)構(gòu),在海水環(huán)境下使混凝土表層更加密實(shí)[6]。摻礦渣粉、粉煤灰等摻合料可以明顯增強(qiáng)混凝土滲透性,現(xiàn)已被廣泛用于港口、海工、水工等工程領(lǐng)域。因此,文章利用NEL法試驗(yàn)不同礦粉摻量對(duì)水工混凝土抗?jié)B性的影響規(guī)律,并進(jìn)一步揭示礦粉的作用機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用冀東水泥廠生產(chǎn)的盾石牌P·O42.5級(jí)水泥,主要性能指標(biāo)如表1所示。礦粉使用S95級(jí)鞍鋼磨細(xì)礦渣粉,其化學(xué)成分如表2所示,物理性能如表3所示。粗細(xì)集料為連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石(粒徑5～30mm)和天然河沙(細(xì)度模數(shù)2.8),各項(xiàng)指標(biāo)符合《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》有關(guān)要求。外加劑選用上海三瑞聚羧酸高效減水劑,拌和水用當(dāng)?shù)刈詠硭?/p>

表1 水泥的主要性能指標(biāo)

表2 礦粉的化學(xué)成分

表3 礦粉的物理性能

試驗(yàn)設(shè)計(jì)0.32和0.50兩種水膠比,0%、10%、30%、50%四種礦粉摻量,各組配合比及其28d和120d齡期強(qiáng)度如表4所示。結(jié)果表明,混凝土早期抗壓強(qiáng)度隨礦粉摻量的增加表現(xiàn)出波動(dòng)下降趨勢(shì),而后期強(qiáng)度呈逐漸波動(dòng)上升趨勢(shì)。水膠比較高(0.50)時(shí),摻50%礦粉組A3相較于基準(zhǔn)對(duì)照組28d和120d抗壓強(qiáng)度略有下降,水膠比較低(0.32)時(shí),摻50%礦粉組B3相較于基準(zhǔn)組120d抗壓強(qiáng)度有所增大。

表4 試驗(yàn)配合比及抗壓強(qiáng)度

1.2 抗氯離子滲透試驗(yàn)

NEL法是一種通過快速測定氯離子擴(kuò)散系數(shù)來評(píng)定滲透性能的新方法,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于施工、質(zhì)檢和科研單位,并列入CCES01∶2004標(biāo)準(zhǔn),作為混凝土滲透性檢測和混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)推薦使用的先進(jìn)方法[7]。該方法主要是將混凝土視為電解質(zhì),帶電粒子的偏電導(dǎo)ei與其擴(kuò)散系數(shù)存在密切聯(lián)系,具體關(guān)系如下:

D1=RTei/(Zi2F2Ci)

(1)

式中:Di、ei、Ci為粒子i的擴(kuò)散系數(shù),cm2/s、偏電導(dǎo),S/cm和濃度,mol/cm3;Zi為化合價(jià)數(shù)或電荷數(shù);R、F為氣體常數(shù)(8.314J/mol·K-1)和Faraday常數(shù)(96500C/mol)。

先將攪拌均勻的混凝土制成φ100mm×50mm或50mm×100mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)試件,為了防止浮漿層的影響把表層20mm切除。然后將加工成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的試件放入真空干燥箱靜置6h,控制真空度<-0.05MPa,再倒入濃度4mol/L的NaCl溶液使得試件完全浸沒,抽真空2h后繼續(xù)浸泡至24h。最后利用NEL型電測儀測定各組試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù),并按照表5中的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定混凝土滲透性能。

表5 NEL法評(píng)定滲透性標(biāo)準(zhǔn)

混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)取偏差<15%的3個(gè)試件電測數(shù)據(jù)平均值,如果平均值與3個(gè)測定值之間的偏差>15%則重新檢測[8]。

2 結(jié)果與分析

摻0%、10%、30%、50%礦粉對(duì)0.32和0.50兩種水膠比混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)及評(píng)價(jià)等級(jí)如表6所示。

表6 不同齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)及抗?jié)B性評(píng)價(jià)等級(jí)

結(jié)果表明,齡期相同情況下,在水工混凝土中摻入礦粉能夠顯著減小其氯離子滲透系數(shù)?；炷琉B(yǎng)護(hù)齡期越長、強(qiáng)度越高則其氯離子滲透系數(shù)越小,其中120d齡期摻50%礦粉組B3試件只有基準(zhǔn)對(duì)照組B0試件氯離子滲透系數(shù)36.95%,滲透性評(píng)價(jià)等級(jí)從Ⅴ級(jí)提高到Ⅵ級(jí)。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的水工構(gòu)筑物,氯離子侵蝕是導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)破壞的主要因素,增強(qiáng)抗氯離子侵蝕性能必然會(huì)有效提升復(fù)雜環(huán)境下水工混凝土使用年限。

不同礦粉摻量與試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知礦粉摻量越高相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)越小,隨齡期的延長測定的各齡期擴(kuò)散系數(shù)不斷減小,且水膠比越小這種減小趨勢(shì)越明顯。

礦粉摻量從10%增加到30%時(shí),混凝土各齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化不明顯,進(jìn)一步增大至50%時(shí),各齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈顯著降低趨勢(shì)。水膠比為0.32條件下,摻50%礦粉組B3為基準(zhǔn)對(duì)照組B0的28d、120d氯離子擴(kuò)散系數(shù)的46.15%和39.95%;水膠比為0.50條件下,摻50%礦粉組A3為基準(zhǔn)對(duì)照組A0的28d、120d氯離子擴(kuò)散系數(shù)的65.58%和52.47%。因此,水膠比越低則大摻量礦粉混凝土的后期強(qiáng)度和滲透性越好。不同養(yǎng)護(hù)齡期與試件氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示,結(jié)果表明齡期越長則擴(kuò)散系數(shù)越小,相應(yīng)的強(qiáng)度也越高。

(a)水膠比0.50

由圖2可知,各組試件的抗?jié)B性受齡期影響更加明顯,水膠比為0.32條件下,摻50%礦粉組B3的120d為28d齡期氯離子擴(kuò)散系數(shù)的17.27%。

實(shí)際工程中,氯離子的存在形式主要有2種:①溶解于孔隙溶液中的游離態(tài)氯離子,隨溶液流動(dòng)與鋼筋表面接觸產(chǎn)生銹蝕;②侵入的氯離子被水泥水化凝膠吸附或與水化氯酸鈣產(chǎn)生低溶性的Friede鹽?；炷羶?nèi)部孔隙率越低,孔徑越小,則其抑制氯離子的侵蝕作用就越強(qiáng)[9]。隨著水膠比的減小混凝土抗氯離子滲透性能逐漸增強(qiáng),使用低水膠比的高性能混凝土是防止氯離子滲入導(dǎo)致鋼筋銹蝕最有效的方法。另外,隨著齡期的延長混凝土的氯離子滲透性能逐漸下降,這是由于齡期影響混凝土孔隙的分布特征、結(jié)構(gòu)組成以及膠凝材料水化進(jìn)程。齡期越長水化形成的產(chǎn)物就越多,水泥石中的孔隙被更多的產(chǎn)物所填充,連通的毛細(xì)孔隙不斷減少或封閉,對(duì)氯離子滲入逐漸發(fā)揮阻礙作用,并且抗?jié)B透性受摻合料發(fā)揮作用的時(shí)間影響表現(xiàn)出一定時(shí)間效應(yīng)[10]。因此,可以從以下兩點(diǎn)解釋礦粉對(duì)滲透性的作用機(jī)理,即阻礙離子滲透以及對(duì)離子化學(xué)或物理結(jié)合能力,這直接決定著自由離子結(jié)合以及滲透速率[11]。礦粉的摻入改變了水泥基體的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的化學(xué)組成,有試驗(yàn)表明礦粉可以很好地填充水泥石中的孔隙,從而減少基體內(nèi)部缺陷,改善混凝土的體積穩(wěn)定性、抗氯離子滲透性以及耐久性[12-14]。

3 結(jié) 論

1)試驗(yàn)表明,減小水膠比和摻入適量礦粉均可以有效增強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透擴(kuò)散能力,混凝土抗?jié)B性受養(yǎng)護(hù)齡期的影響較為顯著,延長齡期和減小水膠比是提高混凝土抗?jié)B性的重要途徑。

2)水膠比相同時(shí),隨礦粉摻量的增加混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸減小,并且摻量越高其抗?jié)B透性能越優(yōu)。礦粉主要通過阻礙氯離子滲透能力和對(duì)氯離子化學(xué)或物理結(jié)合能力改善混凝土抗?jié)B性,摻入礦粉能夠很好地填充水泥石中的孔隙,減少基體內(nèi)部缺陷,改善其體積穩(wěn)定性、抗?jié)B透性以及耐久性。