凍融—硫酸鹽干濕循環(huán)作用下復摻水泥砂漿性能研究

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(上海理工大學 環(huán)境與建筑學院,上海 200093)

目前,混凝土多因素破壞的問題逐漸成為世界研究焦點.北方地區(qū)冬季寒冷漫長、鹽堿區(qū)域多,受到凍融循環(huán)及鹽侵干濕循環(huán)破壞.經歷復合鹽浸、凍融、干濕循環(huán)作用的混凝土破壞更為嚴重.復合作用比如硫酸鹽凍融、硫酸鹽干濕循環(huán)、凍融—干濕循環(huán)下混凝土的研究不斷增多[1-7].復合礦物摻合料同樣也引起國內外研究學者的重視,并有不少的研究成果[8-11].粉煤灰和礦渣粉化學組成與結構均具有互補性,兩者復合有“超疊加效應”[8].而且利用礦物摻合料部分替代水泥用量既可實現持續(xù)發(fā)展要求,又降低水泥使用量及生產成本,減少水泥生產過程中產生的環(huán)境污染[12].摻入礦物摻合料的混凝土的結構和部分性能都有一定程度的改善[13-14],將其放于混凝土多因素影響中進行研究,對混凝土耐久性的研究有很大的意義.本文研究了水泥基材料在凍融及硫酸鹽干濕循環(huán)作用下,不同礦物摻合料摻量、不同水膠比情況下的力學性能,探討了礦物摻合料對水泥砂漿性能的影響.

1 試驗

1.1 試驗原材料

試驗用原材料如下:海螺牌PO 42.5級硅酸鹽水泥,相對密度3.12 g/cm3,比表面積321 g/cm3,安定性良好,化學成分含量如表1所示;一級粉煤灰,密度2 600 g/cm3,化學成分含量如表2所示;河南某公司的?；郀t礦渣粉,微粉級別S95,該礦粉主要的化學成分含量如表3所示;上海寶鋼的鋼渣成品粉,檢測樣本的狀態(tài)為干、粉狀、無雜質,檢測溫度19 ℃～21 ℃,濕度60%～68%,檢測參照標準為YB/T140—2009,其檢測結果詳見表4;細骨料為河沙,屬于細砂,表觀密度2 320 g/cm3,級配良好;HSN引氣高效減水劑,含氣量5%,減水率15%.

表1 水泥成分含量Tab.1 Contents of cement composition %

表2 粉煤灰成分含量Tab.2 Contents of fly ash composition %

表3 礦渣成分含量Tab.3 Contents of slag composition %

表4 鋼渣成分含量Tab.4 Contents of steel slag composition %

1.2 水泥砂漿配比設計

選取水泥砂漿試件尺寸為160 mm×40 mm×40 mm.根據《GB/T50081—2002普通混凝土力學性能試驗方法》進行試件的制作.試驗中,按照混凝土試件制作計算配比方法來計算水泥砂漿的試件配比,其中去除粗骨料.水膠比(W/C)分為0.40,0.45兩組;粉煤灰(FA)與礦渣(GS)分別采取1∶3,1∶1,3∶1這3個比例.其中礦物摻合料的摻量為膠凝材料用量的30%;鋼渣摻量為礦物摻合料摻量的10%,即膠凝材料用量的3%;減水劑摻量為膠凝材料用量的0.2%.試塊分組情況如表5所示,C01,C02為未摻入礦物摻合料的試件組,稱對照組;其余為摻入礦物摻合料的試件組,稱試驗組.

表5 水泥砂漿配比及分組情況Tab.5 Mixed proportions and groups of cement mortar

1.3 試驗方法

試驗分為兩大部分:第一部分為單一凍融試驗與單一硫酸鹽干濕循環(huán)試驗;第二部分為凍融—硫酸鹽干濕循環(huán)試驗,此部分的試驗試塊配比從第一部分的試驗結果中篩選.試驗方法均按照《GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行.單一凍融試驗采用快凍法,采用型號為CABR-HDK9A型混凝土快速凍融試驗機,試驗儀器如圖1(a).每次凍融設定4 h一個循環(huán),在冷卻和融化過程中,設定試件中心最低和最高溫度分別控制在-18 ℃和5 ℃.每凍融循環(huán)10次后,立即將試件取出觀察試驗現象并記錄,將試件表面浮渣清洗干凈并擦干表面水分對試件稱重,測量其縱向基頻并記錄,直到測定的相對動彈性模量下降至60%或質量損失率達到5%時,即認為試件達到破壞可終止試驗的進行.單一硫酸鹽干濕循環(huán)試驗采用型號為TR-LSB的硫酸鹽干濕循環(huán)試驗機,試驗儀器如圖1(b).每次干濕循環(huán)24 h,浸泡階段溫度控制在30 ℃左右,浸泡時間為15 h;干燥階段溫度控制在80 ℃左右,干燥時間為6 h,浸泡溶液采用5%的硫酸鈉溶液.每干濕循環(huán)10次后,將試件取出觀察記錄稱重及縱向基頻,直到測定的相對動彈性模量下降至60%或質量損失率達到5%時,即認為試件達到破壞可終止試驗的進行.凍融—硫酸鹽干濕循環(huán)試驗采用兩種單一試驗的結合.一次大循環(huán)周期為7 d:凍融試驗6次循環(huán)(每次循環(huán)4 h,共24 h,即1 d);硫酸鹽干濕循環(huán)試驗6次(每次循環(huán)24 h,共6 d).每次大循環(huán)后立即將試件取出觀察試驗現象并記錄,將試件表面浮渣清洗干凈并擦干表面水分對試件稱重,測量其縱向基頻和抗壓強度并記錄,總共進行5次大循環(huán).

圖1 試驗儀器Fig.1 Test instruments

2 試驗結果與分析

2.1 凍融循環(huán)作用下水泥砂漿的力學特性

隨著凍融次數的增加,試件表面逐漸剝落,棱角逐漸圓滑,其表觀及破壞程度按水膠比劃分:水膠比為0.40的組塊相比0.45的組塊,其表面更完整,且整個過程中表層脫落速度較慢;其次,對照組試件表面較試驗組的完整,脫落速度也較慢.分析可知,凍融破壞是結冰膨脹受損產生裂縫的過程,最初的破壞形式表現在外表面上.內部膨脹產生裂縫至裂縫貫通需要一段時間,而表面的砂漿在一開始結冰膨脹時就會出現明顯的受損,表現為表面脫落.由于水膠比或摻入礦物摻合料的不同又會出現不同快慢程度的表面脫落,觀察得知水膠比小的對照組的試件表面比較完整,脫落相對不明顯,有較強的抗凍能力.

2.1.1質量損失率

對每10次凍融循環(huán)后的試件進行質量測量,數據處理結果如圖2所示.

圖2 質量損失率與凍融循環(huán)次數的關系Fig.2 Relation between the mass loss rate and thenumber of freezing-thawing cycles

由圖2可知,大部分試件的質量損失率為負增長,質量先增加后減少.經過凍融處理后的試件內部孔隙在冰凍過程中膨脹后進入更多的水溶液,導致質量有小幅度上升.凍融后期試件表面脫落越來越明顯,質量減少明顯.水膠比為0.40的試件組受凍融影響波動較小,水膠比為0.45的試件組質量損失率負增長較大且持續(xù)時間較長,可以看出水膠比較大的水泥砂漿的質量損失率受凍融影響較大.水膠比為0.40的試件組中,C2與C3組的曲線與對照組C01的曲線變化趨勢最為接近,在試驗組中C2與C3組試件相對來說是受影響最小的一組.試驗組中由于粉煤灰與礦渣的形態(tài)效應和微集料效應,礦物摻合料填充了漿體孔隙,堵截了毛細孔,使得水泥砂漿密實,從而質量提高.但當礦渣相比粉煤灰較多的時候,即C1,摻入效果適得其反,C1組的質量損失率負增長最多.

2.1.2縱向相對動彈性模量

對每10次凍融循環(huán)后的試件進行縱向振動的基頻振動頻率測量,數據處理結果如圖3所示.

圖3 相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數的關系Fig.3 Relation between the relative dynamic elasticmodulus and the number of freezing-thawing cycles

由圖3中數據變化情況可看出,隨著凍融次數的增加,相對動彈性模量逐漸下降,水膠比為0.45的試件組的相對動彈性模量在凍融過程中下降較快.這與試件外觀表現基本一致,水膠比為0.45的試件表面脫落明顯,在20次凍融時試件的棱角已不明顯.水膠比為0.40的試驗組的相對動彈性模量雖然相比對照組下降相對較多,但與水膠比0.45的組塊來說,曲線變化趨勢較為緩慢.C3組試件相對動彈性模量變化平緩,表現出較好的抗凍能力,C2組試件前期抗凍性能表現良好,但后期急劇下降,C4,C5,C6組試件均呈直線下降,受凍融影響明顯.

在同一水膠比對比中,不同的礦物摻合料比例對試件抗凍能力影響不同,粉煤灰摻量比例多時的抗凍性能較優(yōu),礦渣摻量比例增大時反而降低.但在水膠比較大的情況下,試驗組的抗凍性能劣于對照組的抗凍性能.可見,水膠比對水泥砂漿的抗凍能力的影響較摻入礦物摻合料的影響大.

根據以上測量指標分析得到:水膠比較小的組抗凍性能表現良好;摻入粉煤灰與礦渣比例為3∶1的試驗組與對照組的抗凍性能最接近,此比例被視為摻入礦物摻合料的較優(yōu)配比.

2.2 硫酸鹽干濕循環(huán)作用下水泥砂漿的力學特性

對每10次干濕循環(huán)作用后的試件進行觀察,隨著硫酸鹽干濕循環(huán)次數的增加,試件表面開始出現錯綜布列的微細裂紋,裂紋逐步發(fā)展擴大形成明顯裂縫,主裂縫從棱邊延伸至中部;試件表面發(fā)黃有鹽漬,體積膨脹,放置方式上表面剝落,棱角逐漸圓滑.對照組與試驗組相比,試驗組試件表面破壞比較明顯.水膠比為0.40試件組與0.45試件組相比,0.45試件組表面先于0.40試件組出現裂紋與脫落,10次循環(huán)后試件均出現不同程度的細微裂紋,而30次循環(huán)后C4,C5,C6組的表面首先開始剝落,50次循環(huán)后試件脆化,水膠比為0.45的試驗組脆化最明顯.從表觀特征來看,水膠比較小的試件組表現出較好的抗硫酸鹽干濕循環(huán)能力.

2.2.1質量損失率

對每10次干濕循環(huán)后的試件進行質量測量,數據處理結果如圖4所示.

圖4 質量損失率與干濕循環(huán)次數的關系Fig.4 Relation between the mass loss rate andthe number of wet-dry cycles

根據整理出來的圖表得到:水膠比為0.40的試驗組相比對照組有更多的硫酸鹽溶液的滲透結晶,即摻入礦物摻合料未能改善水泥砂漿在干濕循環(huán)作用下的抗侵蝕性能.水膠比為0.45的試驗組相比對照組表面脫落更為嚴重,從質量損失的變化不能完全判斷出試驗組內部滲透更多的硫酸鹽結晶.

2.2.2縱向相對動彈性模量

對每10次干濕循環(huán)后的試件進行縱向振動的基頻振動頻率測量,數據處理后得到縱向相對動彈性模量變化趨勢,如圖5所示.

圖5 相對動彈性模量與干濕循環(huán)次數的關系Fig.5 Relation between the relative dynamic elasticmodulus and the number of wet-dry cycles

不同水膠比的試件組的變化曲線規(guī)律大體相同,均呈不斷下降趨勢.水膠比為0.40的試件組在試驗前期下降平緩,后期才下降迅速;而水膠比為0.45的試件組在整個過程均處于迅速下降狀態(tài),且先于水膠比為0.40的試件組到達相對動彈性模量60%階段.在試驗前期,礦物摻合料的摻入可以一定量地減緩水泥砂漿在硫酸鹽干濕交替環(huán)境下的破環(huán)速度,但是到了后期礦物摻合料的摻入非但不能改善水泥砂漿的抗侵蝕性能,有可能還會加劇其破壞程度.由圖5觀察得知:水膠比為0.40的試件組中,相同次數里,試驗組C3,C2組的相對動彈性模量均高于對照組C01的相對動彈性模量;在水膠比為0.45的試件組中,試驗組均略低于對照組.水膠比較大的試件組中,摻入礦物摻合物沒有改善水泥砂漿抗鹽干濕循環(huán)能力,但是也沒有明顯降低其能力.水膠比較小的試件組中,有部分試驗組表現出略優(yōu)于對照組的水泥砂漿抗鹽干濕循環(huán)能力,這與礦物摻合料摻入膠凝材料的復摻比例有關.水膠比0.40的試件組中,粉煤灰所占比例越大,其相對動彈性模量越高.這是由于硫酸鈉是粉煤灰的活性激發(fā)劑,能促成生成水化產物填充內部孔隙[15],而礦渣需要一定濃度的堿性環(huán)境才能更好地激發(fā)其活性[16],待足夠多的硫酸鈉溶液滲透進入水泥砂漿內部,礦渣便不能完全發(fā)揮出其潛在膠凝性.水膠比0.45的試件組中,粉煤灰所占比例越高,其相對動彈性模量不一定越高.

綜合各項指標分析可知,摻入粉煤灰與礦渣的比例在1∶1與3∶1之間的試件組的抵抗硫酸鹽干濕性能較好.

2.3 凍融—硫酸鹽干濕循環(huán)作用下水泥砂漿的力學特性

根據第一部分試驗結果,選定水膠比為0.40,粉煤灰與礦渣比例為3∶1的配比進行進一步的復合試驗.其中CF0為對照組,CF為試驗組.

對照組試件在全部過程中表現出良好的抗復合作用能力,表面脫落緩慢,外觀變化很少,出現微裂縫的速度很慢,在第四、第五次大循環(huán)后,才出現相對明顯的表層脫落.試驗組在第二次大循環(huán)后開始表層脫落,脫落速度緩慢,到第五次大循環(huán)后脫落明顯,棱角磨圓.兩組的表觀情況如圖6所示.

圖6 表觀現象Fig.6 Apparent phenomena

2.3.1質量損失率

對每一次大循環(huán)后的試件進行質量測量,數據處理結果如圖7所示.

根據圖7中觀察得知,對照組與試驗組質量損失率變化趨勢相似,曲線先下降再回升保持.前兩次大循環(huán)過程中曲線下降的原因是水泥砂漿在凍融階段受影響明顯,凍融過程中試件內部孔隙可凍水在循環(huán)作用下對試件造成一定損傷.隨著循環(huán)次數增加,硫酸鈉溶液進入水泥砂漿內部更多并發(fā)生物理結晶,且試驗后期試驗組中摻入的礦物摻合物的二次水化生成的水化產物填充水泥砂漿內部孔隙,所以質量曲線出現回升.摻入礦物摻合料后的水泥砂漿與對照組的質量損失率相差不明顯,可以考慮作為減少水泥用量的方案.

圖7 質量損失率與凍融—干濕循環(huán)次數的關系Fig.7 Relation between the mass loss rate and thenumber of freezing-thawing and wet-dry cycles

2.3.2縱向相對動彈性模量

對每一次大循環(huán)后的試塊進行相對動彈性模量測量,數據處理結果如圖8所示.

圖8 相對動彈性模量與凍融—干濕循環(huán)次數的關系Fig.8 Relation between the relative dynamic elastic modulusand the number of freezing-thawing and wet-dry cycles

兩組的相對動彈性模量變化趨勢都是緩慢下降,相對動彈性模量的變化趨勢與質量損失率反映出的變化趨勢相同,試驗組抵抗復合作用的能力沒有明顯低于對照組,礦物摻合料的一定比例取代水泥制作水泥砂漿得到一個較好的效果.在凍融—硫酸鹽干濕循環(huán)過程中,試塊先受到凍融破壞,滲透性下降,在硫酸鹽干濕循環(huán)過程中促使硫酸根離子進入試塊內部.再凍融過程時,硫酸鈉的加入降低內部溶液冰點,提高水泥砂漿的抗凍性,硫酸鈉結冰體與冰相比受擠壓時表現出一定的塑性,起到緩沖作用.凍融循環(huán)在復合作用中起主導作用,硫酸鹽干濕循環(huán)過程促進了硫酸鹽結晶,加快了硫酸鹽和水化產物的反應,加快了物理和化學破壞[16],但是干濕循環(huán)過程是個緩慢的過程,使得曲線變化比較平緩,沒有出現突變的地方.

如圖9所示,兩組分別為水膠比0.40,對照組和粉煤灰與礦渣比值3∶1的試驗組;曲線分別為50次凍融循環(huán)、50次硫酸鹽干濕循環(huán)和5次凍融—硫酸鹽干濕循環(huán)中相對動彈性模量的對比.可以看出,在復合作用下相對動彈性模量是比較穩(wěn)定的.在復合作用中試件受到的破壞應該是相對比較嚴重的,但卻表現出比較穩(wěn)定的曲線變化.原因為:a.復合作用的循環(huán)輪流過程中,水泥砂漿在一種作用情況下產生的損傷有可能在另一種作用情況下產生自愈合的現象,雖然最終會受到更嚴重的破壞,但是過程中會有相對緩和的階段;b.礦物摻合料的摻入在復合作用環(huán)境下充分發(fā)生二次水化,使得水泥砂漿密實度提高,一定程度地提高了抵抗能力.

圖9 3種不同試驗方案相對動彈性模量對比Fig.9 Comparison of the relative dynamic elasticmoduli by three different test schemes

2.3.3抗壓強度損失率

對每一次大循環(huán)后的試件進行抗壓強度測量,數據處理結果如圖10所示.

圖10 抗壓強度損失率與凍融—干濕循環(huán)次數的關系Fig.10 Relation between the compressive strength lossrate and the number of freezing-thawing andwet-dry cycles

從圖10可以看出,在前3次大循環(huán)中,兩組的抗壓強度損失率變化規(guī)律基本一致,3次大循環(huán)之后,試驗組的抗壓強度損失率突增,幾乎呈直線下降,而對照組的抗壓強度損失率保持穩(wěn)定.整個過程中,試驗組在前期變化較為平穩(wěn),后期急劇下降,而對照組全程變化波動不大,后期表現比前期平穩(wěn),后期對照組表現出良好的抵抗復合環(huán)境影響的能力.試驗組在前期的復合作用下粉煤灰與礦渣的作用得到較好的發(fā)揮,抵抗復合作用的能力稍有提高,但是隨著凍融循環(huán)和硫酸鹽干濕循環(huán)交替的次數的逐漸增加,礦物摻合料的摻入加劇了水泥砂漿力學性能的損傷.特別是在干濕循環(huán)環(huán)境中,礦物摻合料的火山灰效應受到影響,沒有足夠的水化產物填充于水泥砂漿內部逐漸增加的孔隙,降低了結構密實性.從而硫酸鹽更易滲透擴散至水泥砂漿內部,加之部分水泥被取代所造成的強度損失,導致摻礦物摻合料混凝土性能的迅速劣化[17].

3 結 論

a. 相對動彈性模量指標比質量損失率更能反映水泥砂漿的受損程度.

b. 凍融循環(huán)或抗硫酸鹽干濕循環(huán)中,水膠比較小的試塊有良好的抵抗能力,水膠比愈大時,試件受到外界因素影響的程度愈明顯.

c. 摻入粉煤灰與礦渣的比例會影響水泥砂漿的抵抗能力.在水膠比較小時,粉煤灰與礦渣的比值范圍在1∶1與3∶1之間,可以一定程度改善水泥砂漿性能.在凍融—硫酸鹽干濕循環(huán)復合作用下,水膠比為0.40,粉煤灰與礦渣比例為3∶1的試件組表現出良好的性能.

d. 復合作用中,兩種作用對水泥砂漿起到的破壞或自愈合作用有待進一步研究.

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