段運,王起才,張戎令,張少華,徐瑞鵬
(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
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低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下不同水灰比混凝土細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)及抗氯離子滲透性試驗研究
段運,王起才,張戎令,張少華,徐瑞鵬
(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
摘要:為研究低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件和水灰比對混凝土抗氯離子滲透性和細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及程度,采用氣孔分析法和直流電量法對低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的不同水灰比混凝土28 d細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)和電通量進行測試。試驗結(jié)果表明:低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件對不同水灰比混凝土孔徑分布有顯著影響,使其孔徑粗化嚴(yán)重,大孔含量增多,小孔含量減少;氣孔間距系數(shù)和平均孔徑都明顯大于對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的混凝土,且都隨著水灰比增大而增大,低溫(3 ℃)對低水灰比混凝土平均孔徑影響程度大,對高水灰比混凝土平均孔徑影響程度??;不同水灰比混凝土28d電通量值也明顯大于其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的混凝土,且隨著水灰比增大,電通量值逐漸增大,抗氯離子滲透性逐漸減弱;低溫對不同水灰比混凝土孔結(jié)構(gòu)和抗氯離子滲透性都產(chǎn)生不利影響,使混凝土細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)劣化,抗氯離子滲透性降低,且對低水灰比混凝土的影響程度大。
關(guān)鍵詞:低溫養(yǎng)護條件;水灰比;混凝土;孔結(jié)構(gòu);滲透性
混凝土是由水泥、骨料和水共同組成的復(fù)雜多相聚集體,內(nèi)部是一個非常復(fù)雜的多孔體系。我國鹽漬土面積大部分分布在西北地區(qū),主要以氯鹽和硫酸鹽為主[1]。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)物處于鹽漬土中,環(huán)境中的氯離子就會滲透到混凝土中,而氯離子是造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的主要原因之一,氯離子會破壞高堿性混凝土環(huán)境中鋼筋的鈍化膜,致使鋼筋銹蝕。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物在強鹽漬土環(huán)境中,2~5 a之內(nèi)會發(fā)生鋼筋銹蝕[2],混凝土是鋼筋最基本、直接的保護物,氯離子只有滲入到混凝土中,才能使鋼筋發(fā)生銹蝕[3],引起混凝土產(chǎn)生順筋脹裂、層裂和剝落破壞,進而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)物使用功能及使用壽命[4],因此提高混凝土抗氯離子滲透性是防止鋼筋銹蝕最基本、最經(jīng)濟合理、最有效的措施。Abbas明確指出,混凝土滲透性高低主要取決于其內(nèi)部連通孔的數(shù)量和滲透路徑的曲折性[5];劉軍等[6]研究了混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)對滲透性能的影響;楊明飛等[7]研究了復(fù)合外加劑對低溫高性能混凝土抗?jié)B性的影響;陳立軍等[8]研究了混凝土孔徑尺寸對其抗?jié)B性的影響;Mehta等[9]認(rèn)為,混凝土的滲透性不僅與孔隙率有關(guān),孔徑的分布和連通性更是其決定性因素,以上學(xué)者分別從不同的角度研究并推動混凝土抗?jié)B性發(fā)展,但大部分研究都基于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的混凝土,對低溫養(yǎng)護條件下的混凝土目前研究較少。我國北方地區(qū)進入冬期時間早,且持續(xù)時間長,日平均溫度低于5 ℃時,進入冬期施工階段,此時施工的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性等問題都異于正常施工條件下。因此研究低溫下混凝土的抗氯離子滲透性和細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)有很大意義。本文以北方冬季施工為研究背景,對低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下不同水灰比混凝土28 d抗氯離子滲透性和細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)進行研究,分析低溫養(yǎng)護條件和水灰比對混凝土的抗氯離子滲透性和細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律及程度,進而為我國北方地區(qū)冬期施工的工程提供理論依據(jù)。
1試 驗
1.1試驗方法
1.1.1抗氯離子滲透試驗方法
電通量法試件在混凝土養(yǎng)護至28 d時鉆芯取樣,采用Φ100 mm×50 mm的圓柱體試件。試驗前進行真空飽水,將試件放入真空容器中,5 min內(nèi)將真空容器中的氣壓減少至(1~5)kPa,并保持該真空度3 h,然后在真空仍泵運作的情況下,注入足夠的蒸餾水,液面高度將試件淹沒,在試件浸沒1 h后恢復(fù)常壓,并繼續(xù)浸泡(18±2)h。真空飽水結(jié)束后,分別將質(zhì)量濃度為3%的NaCl溶液和摩爾濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液注入試件兩側(cè)的試驗槽中,且分別與電源的負(fù)、正極相連。試驗時在試件軸向施加(60±0.1)V直流電壓,記錄電流初始讀數(shù)I0,之后每30 min記錄一次電流值,直至6 h結(jié)束。
1.1.2孔結(jié)構(gòu)測試方法
本試驗選用氣孔分析(RapidAir型)對孔結(jié)構(gòu)進行測試。按照ASTMC457規(guī)范,對養(yǎng)護28 d的混凝土試塊切割成厚度為1~2 cm的試件,經(jīng)打磨、拋光、利用寬頭黑色記號筆涂黑試樣表面,然后用粒徑小于10 μm的白色碳酸鈣或者硫酸鋇粉末填充氣泡,再用刀片除去表面多余粉末,待干燥后放入試驗臺進行試驗。
1.2試驗儀器和原材料
本試驗儀器包括:環(huán)境模擬箱、標(biāo)養(yǎng)室、氯離子多功能測定儀和RapidAir型氣孔分析儀等。環(huán)境模擬箱有效尺寸長×寬×高為6 m×3.5 m×2.2 m。溫度范圍:-20~80 ℃,升/降溫速率最大≥1 ℃/min,溫度變化可實現(xiàn)溫度荷載編程,溫度波動度≤±0.5 ℃;溫度均勻度≤2 ℃。濕度范圍:10%~90%RH;濕度偏差±5%RH(≤75%RH)。
試驗中水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,由蘭州甘草水泥集團生產(chǎn)。水泥各項性能指標(biāo)實測值見表1。
表1 P.O.42.5級硅酸鹽水泥性能指標(biāo)
粗骨料:碎石,連續(xù)級配,粒徑范圍5~26.5 mm,表觀密度分別為2 810 kg/m3,壓碎指標(biāo)8.1%。
細(xì)骨料:河砂,細(xì)度模數(shù)為2.7,屬于中砂,表觀密度2 650 kg/m3,松散堆積密度1 690 kg/m3,緊密堆積密度1 860 kg/m3,含泥量2.3%。
減水劑:聚羧酸高性能減水劑。
試驗所用的混凝土配合比見表2。
表2 混凝土配合比
1.3試驗步驟
將原材料的各項指標(biāo)測定完之后,依據(jù)混凝土配合比進行稱料,之后通過攪拌、測量、入模等步驟,最終放置在2種養(yǎng)護條件下進行養(yǎng)護。混凝土攪拌時試驗室溫度為18 ℃,濕度為94%。不同水灰比下的混凝土由專用混凝土攪拌機一次攪拌完成。試塊尺寸大小為150 mm×150 mm×150 mm,試模水平放置后灌入混凝土,經(jīng)振動臺振搗60 s后抹平表面。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下的混凝土試塊先在室內(nèi)(1 d內(nèi)平均氣溫為18 ℃)帶模保水養(yǎng)護1 d,然后脫模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室進行養(yǎng)護;低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下的試塊帶模放入環(huán)境模擬箱中養(yǎng)護,養(yǎng)護過程采取保水措施,防止混凝土內(nèi)大部分水分散失到空氣中?;炷猎噳K在2種養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至所需齡期時,依據(jù)GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》和ASTMC457規(guī)范對28 d的抗氯離子滲透系數(shù)和孔結(jié)構(gòu)進行測試。
2試驗結(jié)果與分析
2.1細(xì)觀孔結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果與分析
2.1.1孔徑分布
圖1~2分別為2種養(yǎng)護條件下不同水灰比混凝土孔徑分布圖。
由圖1可以看出,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下,3種不同水灰比混凝土大部分孔徑分布在0~140 μm范圍內(nèi),水灰比為0.24,0.31和0.38混凝土的氣孔直徑在此范圍內(nèi)的孔分別占總孔體積的85.92%,81.17%和79.46%。3種不同水灰比混凝土中氣孔直徑大于200 μm的孔含量較小,其中水灰比為0.24的混凝土在此孔徑范圍內(nèi)占總孔體積的4.94%;水灰比為0.31的混凝土在此孔徑范圍內(nèi)占總孔體積的9.37%。水灰比為0.38的混凝土在此孔徑范圍內(nèi)占總孔體積的13.59%。說明標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下,隨著水灰比的增大,出現(xiàn)頻率最多孔向大孔徑移動,小孔徑孔含量減小,大孔徑孔含量增加。這是由于水灰比的增大,致使混凝土中自由水的含量增多,相應(yīng)的由于自由水遷移、泌出所造成的氣孔含量相應(yīng)的增多,相應(yīng)孔徑的孔含量增多,部分小孔連通合并成較大的孔,致使大孔數(shù)量增多。因此,隨著水灰比的增大,混凝土變的更加不密實,大孔數(shù)量增多,氣孔分布更不均勻。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下孔徑分布圖Fig.1 Distribution of the pore of concrete at standard curing conditions
圖2 3 ℃養(yǎng)護條件下孔徑分布圖Fig.2 Distribution of the pore of concrete at 3 ℃ curing conditions
低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下,由圖2可以得到,3種不同水灰比混凝土大部分孔徑分布在0~180 μm范圍內(nèi),較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護孔徑范圍擴大,孔徑粗化明顯。3種不同水灰比(0.24,0.31和0.38)混凝土中氣孔直徑大于200 μm的孔含量分別為10.91%,15.65%和19.57%,且為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件的2.21,1.67和1.44倍,相比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下氣孔含量都增大,但隨著水灰比增大,大于200 μm的孔含量相對于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下增大倍數(shù)的程度卻逐漸減小。說明低溫養(yǎng)護條件對3種不同水灰比混凝土的孔徑分布有顯著的影響,使混凝土中大孔徑孔含量增多,小孔徑孔含量減少,且低溫養(yǎng)護條件對水灰比小的混凝土內(nèi)部孔徑分布影響程度大,對水灰比大的混凝土影響程度小。這是由于低溫養(yǎng)護條件下,混凝土早期水化反應(yīng)速率相比標(biāo)養(yǎng)下要慢很多,致使混凝土內(nèi)部存在較多的未參與水化的自由水,當(dāng)混凝土達到一定強度以后,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本形成,這部分水分在混凝土結(jié)構(gòu)中自然要占據(jù)一部分體積,相比較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件,此時未參與水化反應(yīng)的自由水在混凝土內(nèi)所占的體積較大,隨著齡期增大,這部分自由水一部分繼續(xù)參與水化反應(yīng),另一部分會遷移、泌出和蒸發(fā),從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)相應(yīng)孔徑的氣孔含量增加,并且部分孔會連通,使大孔含量增多。水灰比小的混凝土中,單位水泥顆粒周圍的水含量少,早期水化反應(yīng)慢,并且低溫還會降低水化反應(yīng)速率,使水化反應(yīng)更慢,混凝土中未參加水化反應(yīng)的自由水含量相對更多,從而導(dǎo)致混凝土大孔含量增大的程度最大,水灰比大的混凝土中,單位水泥顆粒周圍的水含量多,早期水化反應(yīng)快,水化放熱量多,混凝土內(nèi)溫度升高,進一步加速水化反應(yīng),混凝土中未參加水化反應(yīng)的自由水含量很少,因此混凝土大孔含量增大的程度最小。
2.1.2氣孔間距系數(shù)與平均孔徑
圖3和圖4分別為混凝土氣孔間距系數(shù)和混凝土氣孔平均直徑。
圖3 混凝土氣孔間距系數(shù)Fig.3 Bubbles spacing factor of concrete
圖4 混凝土氣孔平均直徑Fig.4 Average pore size
由圖3可以看出,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下,水灰比由0.24增大到0.31時,混凝土的氣孔間距系數(shù)由0.129 mm增大到0.134 mm,增大約3.9%;水灰比由0.31增大到0.38時,混凝土的氣孔間距系數(shù)由0.134 mm增大到0.143 mm,增大約6.7%,表明在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下,隨著水灰比的增大,氣孔間距系數(shù)逐漸增大,這也是由于混凝土中大孔數(shù)量增多,氣孔分布更不均勻?qū)е隆5蜏?3 ℃)養(yǎng)護條件下,0.24,0.31和0.38水灰比混凝土的氣孔間距系數(shù)分別為0.135,0.139和0.150mm,是對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的1.05,1.04和1.05倍,也就是說低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下混凝土的氣孔間距系數(shù)是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的1.05倍左右。說明低溫養(yǎng)護條件下,3種不同水灰比混凝土氣孔間距系數(shù)都要比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下大,且隨著水灰比的增大,氣孔間距系數(shù)逐漸增大。
由圖4可以得到,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下,水灰比為0.24, 0.31和0.38的混凝土其平均孔徑分別為101,154和181 μm,隨著水灰比的增大,平均孔徑呈增大的趨勢,這是因為對于較小孔級的孔徑范圍內(nèi),低水灰比的孔體積較高水灰比的孔體積要大,而較大孔級的孔徑范圍內(nèi),低水灰比的孔體積較高水灰比的孔體積小。低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下,水灰比為0.24,0.31和0.38的混凝土平均孔徑分別為126,165和192 μm,分別為標(biāo)養(yǎng)下的1.25,1.07和1.06倍,說明低溫養(yǎng)護條件下,3種不同水灰比混凝土平均孔徑都要比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下大,且隨著水灰比的增大,平均孔徑逐漸增大,且低溫對水灰比小的混凝土平均孔徑影響最大,其原因與低溫下孔徑分布變化的原因一致。
2.2電通量試驗結(jié)果與分析
2.2.1水灰比對氯離子滲透性的影響
圖5為混凝土電通量。
圖5 混凝土電通量Fig.5 Electric flux of concrete
由圖5可以看出,在低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下,水灰比由0.24增大到0.31時,電通量由1 787 C增大到1 973 C,增大約10%;水灰比由0.31增大到0.38時,電通量由1 973 C增大到2 450 C,增大約24%。表明低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下,隨著水灰比的升高,電通量逐漸提高,混凝土抗氯離子滲透性下降。這是因為低溫養(yǎng)護條件下水灰比較大時,水化反應(yīng)速率相對較快,過快的水化會使核心混凝土水化熱較大,內(nèi)外溫差會引起混凝土內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力,而低溫下早期混凝土強度又很低,當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土強度時,容易在混凝土內(nèi)部形成一些微裂紋,并且由于溫度較高,水的蒸發(fā)量和消耗量也會較大[10],水灰比大的混凝土內(nèi)自由水含量較大,散失和消耗的水就更多,水散失后在混凝土內(nèi)留下孔隙,導(dǎo)致混凝土中各種孔徑的孔數(shù)量都相應(yīng)增多,連通孔隙也變多,平均孔徑增加,混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得不密實,導(dǎo)致混凝土抗氯離子滲透性下降[11]。并且由圖4可以看出,隨著水灰比的增大,混凝土的平均孔徑呈現(xiàn)出增大的趨勢,孔徑分布逐漸向較大的孔徑變化,大孔增多,都影響混凝土抗氯離子滲透性降低。由此可知,低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下,低水灰比混凝土不僅有利于提高混凝土強度而且有利于提高混凝土抗氯離子滲透性,并且水灰比越大混凝土的抗氯離子性能下降越快。
2.2.2養(yǎng)護溫度對氯離子滲透性的影響
在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下,水灰比由0.24增大到0.31時,電通量由1 136 C增大到1 276 C,增大約12%;水灰比由0.31增大到0.38時,電通量由1 276 C增大到1 629 C,增大約28%,相對于低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下其電通量的增長量都大,說明低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下,隨著水灰比的增加,電通量的增長量較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的小,混凝土的抗氯離子性能隨水灰比增大而下降的程度變緩,在一定程度上有提高混凝土抗氯離子性能的作用,但不是主導(dǎo)作用,因為低溫養(yǎng)護條件下3種水灰比混凝土電通量都比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下大。
在低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下,A1,A2和A3混凝土電通量分別為1 787,1 973和2 450 C,是對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的1.57,1.54和1.50倍,也就是說低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下混凝土的電通量是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的1.5~1.57倍,說明養(yǎng)護溫度對混凝土的電通量影響顯著,低溫(3 ℃)使混凝土的抗氯離子滲透性變差。由于低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下,混凝土內(nèi)部水的黏滯性增大,水分子運動能力減弱,與水泥顆粒之間的碰撞減弱,水泥水化速率變緩,水化程度降低,致使混凝土強度降低,內(nèi)部大孔數(shù)量增多,孔結(jié)構(gòu)變得粗化和劣化,內(nèi)部結(jié)構(gòu)不密實,進而導(dǎo)致混凝土抗氯離子滲透性下降。
3結(jié)論
1)低溫養(yǎng)護條件對不同水灰比混凝土的孔徑分布影響顯著,使混凝土孔徑明顯粗化,大孔徑孔含量增多,小孔徑孔含量減少,且對水灰比小的混凝土孔徑分布影響程度大,對水灰比大的混凝土影響程度小。
2)低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件下不同水灰比混凝土氣孔間距系數(shù)和平均孔徑都比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下大,分別為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的1.04~1.05倍及1.06~1.25倍;隨著水灰比的增大,氣孔間距系數(shù)和平均孔徑都逐漸增大,與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下規(guī)律一致;低溫(3 ℃)養(yǎng)護條件對水灰比小的混凝土平均孔徑影響大,對水灰比大的混凝土平均孔徑影響小。
3)低溫養(yǎng)護條件下,不同水灰比混凝土28 d的電通量比其標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下明顯增大,為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的1.5~1.57倍,且隨水灰比的減小,電通量逐漸減小,這與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下的規(guī)律相同;低水灰比混凝土有利于提高混凝土抗氯離子滲透性,且水灰比越大混凝土的抗氯離子性能下降越快。
4)養(yǎng)護條件及水灰比對混凝土的孔結(jié)構(gòu)和抗氯離子滲透性均有顯著影響,低溫養(yǎng)護條件對混凝土孔結(jié)構(gòu)和抗氯離子滲透性都產(chǎn)生不利影響,且對低水灰比混凝土的孔結(jié)構(gòu)影響較大。
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Research on theeffect low temperature (3 ℃) curing condition and various water-cement ratio have on theresistance to chloride ions penetration and mesoscopic structure of concrete DUAN Yun,WANG Qicai,ZHANG Rongling,ZHANG Shaohua,XU Ruipeng
(College of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)
Abstract:In order to study the influence rule and degree of the chloride penetration resistance and mesoscopic structure of concrete, stomatal analysis method and DC power law are adopted in this research. These two methods are used to measure the mesostructure and DC value of the concrete with different water-cement ratio cured 28 days under low temperature (3 ℃) and standard curing condition. The result shows that: the effect on concrete pore size distribution is obvious with low temperature (3 ℃) curing condition on the different water-cement ratio of concrete. When the aperture is seriously coarsened, the coarse pore increases apparently, and the number of mesoscopic pore decreased. Pore spacing factor and average pore diameter were significantly greater than the corresponding concrete standard curing conditions, and it goes larger with a higher water-cement ratio. But under the condition of low temperature (3 ℃), it behaves a relatively higher effect on the average pore diameter of concrete with a lower water-cement ratio and lower effect on it with a relatively higher water-cement ratio. The DC value is higher on concrete with different water-cement ratio cured 28d than it is cured under standard curing conditions. Besides, the DC value goes higher as the increase of water-cement ratio, and the chloride penetration resistance decreases at the same time. Low temperature has negative effect both on concrete pore structure with different water-cement ratio and the chloride penetration resistance. It leads to the degradation of concrete mesoscopic structure and the decrease of permeability.The effect of low temperature on concrete with lower water-cement ratio is also higher.
Key words:low temperature curing condition; water-cement ratio; concrete; pore structure; penetrability
中圖分類號:TU528
文獻標(biāo)志碼:A
文章編號:1672-7029(2016)04-0648-06
通訊作者:王起才(1962—),男,河北晉州人,教授,博士,從事工程新材料、混凝土結(jié)構(gòu)以及耐久性方面的研究;E-mail:13909486262@139.com
基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51268032);長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目(IRT1139);西北干寒地區(qū)材料與結(jié)構(gòu)耐久性研究基金項目
收稿日期:2015-07-22