低摻量偏高嶺土改性混凝土抗氯離子滲透性能

耿海寧，馬 騫

（1.湖北城市建設職業(yè)技術學院，武漢 430205；2.湖北楚晟科路橋技術開發(fā)有限公司，武漢 441005）

氯離子侵蝕導致的鋼筋銹蝕是造成混凝土結構耐久性降低的主要原因，氯離子通過連通孔隙、裂縫、化學結合等方式在混凝土中傳輸，當鋼筋表面的氯離子累積到一定濃度時，引起鈍化膜破壞，進而產生鋼筋銹蝕。

氯離子在混凝土中的遷移由其吸附和擴散過程特性控制。有研究通過48周干濕交替實驗對摻入粉煤灰，礦渣，硅灰或偏高嶺土的混凝土中氯鹽遷移過程的研究表明，氯離子侵蝕性能與暴露時間和材料類型有關，在固定的相當于膠凝材料0.2%的氯離子濃度下，氯離子侵蝕深度與時間的平方根具有線性關系［1］，其關系為與膠凝材料類型有關的氯離子擴散系數。數值最低的為摻入礦渣的混凝土，最高的為普硅水泥混凝土。侵蝕實驗使材料的吸水率降低，是繼續(xù)水化和氯離子固化的結果，導致的孔結構改善和連孔數量的減少。在氯離子擴散速率與吸水率之間沒有發(fā)現關系，說明氯離子的主要傳輸途徑不是吸附而是擴散。

近年來有研究表明［2－9］，在混凝土中添加偏高嶺土能夠改善混凝土的各項性能，提高強度，優(yōu)化孔隙結構，提高耐久性、抗氯鹽侵蝕性能等。

研究表明［10］，對于加入了不同含量的偏高嶺土和粉煤灰的三元體系，浸泡在海水中1.5年后的氯鹽侵蝕實驗發(fā)現，偏高嶺土能極大減少混凝土中氯鹽濃度和侵蝕深度，同時增加了強度。文獻［11］對偏高嶺土，粉煤灰，礦渣的氯鹽侵蝕深度進行了研究，含有礦渣和偏高嶺土的混凝土的抗侵蝕性能最好，1年侵蝕深度不超過20mm。隨著時間的進行，抗侵蝕性能增加，尤其在含有礦渣及20%偏高嶺土的混凝土中。其原因可能是氯鹽的固化，或者chloro－aluminates的生成，或者兩者的聯合作用。另有研究發(fā)現在0.32～0.40的水灰比條件下，添加了5%，10%和15%偏高嶺土的混凝土具有接近的抗氯鹽侵蝕性能，28d氯鹽侵蝕深度2～3mm［12］。

該文對添加了0～6%偏高嶺土的混凝土的抗氯離子滲透性能進行了研究，通過電通量法及RCM法綜合分析抗氯離子滲透性能，結合掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡分析水化產物形貌，探討低摻量偏高領土對混凝土抗氯離子滲透性能影響的機理。

1 材料與實驗方法

材料采用華新P.I.52.5硅酸鹽水泥、廣東茂名高嶺土煅燒制備的偏高嶺土，二者化學組成及水泥的初終凝時間、抗壓強度等性能如表1所示。掃描電子顯微鏡觀察煅燒制備的偏高嶺土仍保持六方片狀的形貌，顆粒尺寸在10μm以下。偏高嶺土經過一定的粉磨和分散處理后，其比表面積為2 800m2/kg左右。高嶺土在煅燒過程中損失大量羥基，最終形成的非晶態(tài)的偏高嶺土具有很高的火山灰活性，其結構處于熱力學介穩(wěn)狀態(tài)，表面活性較高。

表1 材料化學組成和物理性能

骨料尺寸服從富勒級配，其中粗骨料為天然碎石，0～5 mm，5～16.5mm和16.5～26.5mm三種粒徑碎石摻配使用，碎石壓碎值為8%，其級配如表2所示。細集料為天然河砂，表觀密度為2 640kg/m3，堆積密度為1 458kg/m3，砂的細度模數為2.91，屬中砂?；炷琉B(yǎng)護用水及拌和用水均為實驗室自來水。

表2 粗骨料的級配

混凝土制備時，偏高嶺土的摻量分別為0、2%、3%、4%、5%和6%，水灰比為0.45。為消除試樣的離散性，每個試樣制備樣品不少于3個，試樣的配合比如表3所示。

表3 混凝土試樣的配合比

根據表3中混凝土配合比制作混凝土試樣，對于電通量試驗和氯離子擴散系數試驗，每個試樣成型為Φ100mm×200mm的圓柱體，同一齡期的混凝土試樣不少于3個。試樣成型24h后拆模，養(yǎng)護環(huán)境為環(huán)境溫度（20±2）℃、相對濕度95%的標準養(yǎng)護環(huán)境。28d后切除試樣上下表面各15mm后，制備Φ100mm×（50±2）mm的圓柱體。

采用電通量法和RCM法綜合評價低摻量偏高嶺土改性混凝土的抗氯離子滲性能。電通量法開始前，將試件的側面密封并置于真空飽水機中飽水，飽水條件為預真空3h以后注水，真空飽水1h，然后常壓飽水（18±2）h。將飽水后的試件取出，輕拭表面水分并安裝到電通量法試驗模具上，模具接正極方向注入0.3mol/L的NaOH溶液，負極方向注入3.0%的NaCl溶液，熱電偶放入NaCl溶液中。將模具置入20～25℃恒溫流動水浴箱中后施加60V的直流電壓，并記錄通電6h中每隔5min的電流值。試驗結束后繪制時間－電流曲線，積分計算通電6h的電荷量。RCM試驗所需試樣同電通量法，但將飽水溶液更改為飽和Ca（OH）2溶液，RCM法測試過程參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》。

2 結果與分析

混凝土試樣的電通量試驗和RCM測定的氯離子擴散系數分別如圖1和圖2所示。由圖1可以看出隨著偏高嶺土摻量的增加，混凝土的電通量在同齡期內是逐漸下降的，這說明混凝土的抗?jié)B性能相應增加；偏高嶺土在摻量為4%、5%、6%時，電通量在28d后較為穩(wěn)定，說明隨著齡期的增長，混凝土抗氯離子性能保持穩(wěn)定。對于摻量為6%的混凝土，28d后電通量與對比樣相比下降了60%，說明抗氯離子侵蝕性能有很大改善。

由圖2可以看出，相同配合比的混凝土隨著齡期的增長，其氯離子擴散系數呈現先下降后上升的趨勢，說明抗氯離子滲透性能逐漸增強。有研究［13］表明添加了8%和12%偏高嶺土的混凝土的氯離子擴散系數下降了50%和60%。本研究中添加了5%偏高嶺土的試樣的氯離子擴散系數與對比樣相比在各齡期都降低了50%～60%，與電通量實驗結果一致。另有研究發(fā)現［14］，對摻入8%～12%偏高嶺土的混凝土在1MNaCl溶液中浸泡28d到3年的氯離子擴散系數表明，早期（28d）氯離子擴散系數在較高（0.4）水灰比的對比樣中較高，在摻入偏高嶺土的混凝土中急劇下降。本研究的結果與這些發(fā)現一致。以28d的試樣為基礎試樣，分別就不同齡期取絕對值，繪制氯離子相對28d絕對值隨齡期變化圖，如圖所示，就控制氯離子的擴散影響而言，C5試樣具有更優(yōu)異的表現，如絕對值變化圖，見圖3。

為進一步驗證偏高嶺土對氯離子擴散的影響，分別制備偏高嶺土摻量為0、5%，水灰比為0.45的凈漿，編號為P0、P5，養(yǎng)護至指定齡期后用無水乙醇終止水化并進行掃描電鏡及透射電鏡測試，測試結果如圖4、圖5所示。由圖中可以看出，主要水化產物為C－S－H凝膠、鈣礬石、氫氧化鈣以及類水滑石。這幾種水化產物相互摻雜共生，其中C－S－H凝膠的形貌為致密的纖維狀，鈣礬石為針棒狀，其結構致密。相對于空白試樣而言，偏高嶺土的引入使得結構更為緊密，可有效提高體系的抗氯離子滲透性能，與前面電通量法和RCM法的結果一致。

3 結 論

a.混凝土試樣的電通量實驗結果表明，隨著偏高嶺土摻量的增加，電通量逐漸下降。添加了5%偏高嶺土的混凝土電通量下降了60%。

b.RCM法測定的氯離子擴散系數隨齡期變化呈現先下降后上升的趨勢，與電通量法結果中28d后電通量波動規(guī)律一致。添加了5%偏高嶺土的混凝土在各齡期的氯離子擴散系數為對比樣的50%～60%。

c.偏高嶺土的引入促進了體系的水化，使得結構更為致密，可有效改善體系的抗氯離子滲透性能。

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