陶瓷粉再生混凝土氯離子擴(kuò)散性能研究

彭躍輝,黃琳雅,陳夢(mèng)成,袁明勝

(1. 南昌鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江西 南昌330002；2. 華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013)

近年來(lái)，陶瓷行業(yè)的蓬勃發(fā)展往往伴隨著大量陶瓷廢料的處理難題.由于沒(méi)有成熟的回收技術(shù)，目前主要的處理方式還是等同垃圾拋棄填埋.但陶瓷廢料無(wú)法自然降解，且占用大量場(chǎng)地，其中的化學(xué)成分會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染.因此，如何采取科學(xué)的處理方式，從源頭上解決環(huán)境污染問(wèn)題，將廢棄陶瓷變廢為寶，是實(shí)現(xiàn)陶瓷行業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型、再生綠色可持續(xù)發(fā)展的重要途徑.因此，不少科研機(jī)構(gòu)對(duì)陶瓷廢料的回收再利用進(jìn)行大量試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，將適量的陶瓷粉摻入混凝土中能有效改善其內(nèi)部的密實(shí)度，提高混凝土的耐久性.另一方面，廢棄陶瓷地循環(huán)利用，既節(jié)能減排又有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展.因此，將廢棄陶瓷粉作為混凝土摻合料對(duì)于混凝土的耐久性能研究具有重要意義.

同時(shí)，氯離子作為影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，其擴(kuò)散會(huì)使混凝土中鋼筋銹蝕剝落，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞失效[1].氯離子侵入混凝土結(jié)構(gòu)到達(dá)鋼筋表面后[2]，產(chǎn)生一系列電化學(xué)反應(yīng)，氯離子銹蝕鋼筋使其體積膨脹，內(nèi)部應(yīng)力增大，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂甚至剝落，又進(jìn)一步加速了氯離子的腐蝕.如此反復(fù)循環(huán)，結(jié)構(gòu)最終破壞失效，給人類生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)無(wú)法預(yù)計(jì)的災(zāi)難[3].其中跨海大橋、石油鉆井平臺(tái)等海洋工程受到的影響最為嚴(yán)重.因此，研究氯離子在陶瓷粉再生混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律對(duì)于研究陶瓷粉再生混凝土的耐久性具有實(shí)際意義.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)陶瓷粉再生混凝土做了許多研究，主要涉及其材料配合比、抗壓強(qiáng)度等方面.Heidari[4]將不同取代量廢棄陶瓷粉末作為混凝土摻合料摻入其中，顯示當(dāng)取代量為20%的時(shí)候，陶瓷粉混凝土的火山灰活性和抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)最佳.Vejmelková[5]設(shè)計(jì)五種不同取代量的陶瓷粉混凝土，研究發(fā)現(xiàn)研磨的陶瓷粉末具有良好的火山灰活性，且通過(guò)測(cè)量熱導(dǎo)率表明，添加陶瓷粉末能提高混凝土的隔熱能力.師郡[6]發(fā)現(xiàn)同時(shí)摻入陶瓷粉和粉煤灰能提高混凝土各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度.雖然不少學(xué)者對(duì)陶瓷粉再生混凝土進(jìn)行了探索，但目前關(guān)于陶瓷粉混凝土的耐久性能方面的研究開(kāi)展甚少.鑒于此，本文圍繞陶瓷粉混凝土抗氯鹽腐蝕這一耐久性能方面展開(kāi)試驗(yàn)研究.本試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同配合比陶瓷粉混凝土，探究陶瓷粉取代量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的具體影響；并且將陶瓷粉混凝土試塊采用自然浸泡的方式，分別討論陶瓷粉取代量、水膠比(W/B)及浸泡時(shí)間三種因素對(duì)陶瓷粉混凝土中氯離子擴(kuò)散性能影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 水泥

試驗(yàn)采用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，產(chǎn)自江西亞?wèn)|水泥股份有限公司.表1和表2分別為水泥的化學(xué)組成和物理力學(xué)性能，符合行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn).

表1 水泥化學(xué)組成

表2 水泥的物理力學(xué)性能

1.1.2 廢棄陶瓷粉

陶瓷廢料從某景德鎮(zhèn)陶瓷工廠回收，經(jīng)球磨機(jī)碾壓成粉末狀，再過(guò)篩烘干得到陶瓷粉末.圖1為廢棄陶瓷加工處理前后對(duì)比圖；表3和表4分別為陶瓷粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及粒徑級(jí)配表.由表2、3可知，陶瓷粉的比表面積大小與水泥接近，故其取代對(duì)象為水泥.

圖1 廢棄陶瓷加工前后對(duì)比圖Fig.1 Comparison of waste ceramics beforeand after processing

指標(biāo)比表面/(m2·kg-1)28 d活性指數(shù)取代量10%取代量20%取代量30%大小4450.870.850.69

表4 陶瓷粉粒徑級(jí)配

1.1.3 骨料

細(xì)骨料采用贛江中砂，表觀密度為2.65 g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.8，含水量及含泥量都小于1%；粗骨料采用江西南昌石灰?guī)r碎石，表觀密度為2.75 g/cm3，堆積密度為1 400～1 700 kg/m3，粒徑范圍為5～35 mm，含水量及含泥量都小于1%.

1.1.4 拌合水

試驗(yàn)用水采用普通自來(lái)水.

1.2 試件配合比及抗壓強(qiáng)度

根據(jù)JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，試驗(yàn)設(shè)計(jì)C30、C40和C45三種不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土.經(jīng)計(jì)算確定各強(qiáng)度等級(jí)的水膠比依次為0.38、0.43和0.53.試驗(yàn)將四種不同取代量(0%、10%、20%、30%)的陶瓷粉替代水泥摻入其中，組合十二組不同條件的混凝土試塊，并對(duì)各組試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，探究不同取代量的陶瓷粉對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響.具體試驗(yàn)分組混凝土的配合比及抗壓強(qiáng)度如表5所示:

表5 混凝土配合比及28 d抗壓強(qiáng)度

注：本文中C30-10中C30代表混凝土強(qiáng)度等級(jí)，10代表陶瓷粉取代量為10%，其它編號(hào)依次類推

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)規(guī)范制作混凝土試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組配合比條件下各制作5個(gè)試塊，并且按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)：保持室溫20±5 ℃，相對(duì)濕度95%以上.養(yǎng)護(hù)超過(guò)28 d后，將試塊的五個(gè)面用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行涂刷密封，隨即風(fēng)干，保留一個(gè)面進(jìn)行氯離子一維擴(kuò)散.

將刷過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的試塊浸泡在為模擬同等海洋環(huán)境條件配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中，為保證試塊浸泡的溶液中Cl-濃度維持在3.5%，將溶液每7天更換一次.分析不同水膠比和陶瓷粉取代量分別對(duì)陶瓷粉混凝土中氯離子擴(kuò)散的影響規(guī)律.如圖2所示，分別的試塊晾干，從未涂環(huán)氧樹(shù)脂的面均勻選擇8個(gè)點(diǎn)采用沖擊鉆收集粉末樣品，且每隔5 mm深度取樣一次，直至25 mm；然后采用0.63mm孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩篩取樣品，烘干后用密封袋封裝編號(hào)；其后通過(guò)選擇電極法，測(cè)定樣品中水溶的Cl-的含量Cf(相對(duì)于混凝土質(zhì)量百分?jǐn)?shù))，試驗(yàn)采用Cl-含量快速測(cè)定儀(SSX-CLU型)，如圖3.浸泡28 d、56 d和84 d其后將浸泡完成.

圖2 試件浸泡Fig. 2 Soaked specimen

圖3 氯離子含量測(cè)定Fig. 3 Determination of chloride ion content

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同陶瓷粉取代量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)測(cè)量了齡期分別為7 d、28 d及56 d下，不同陶瓷粉摻量對(duì)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度的影響.如圖4所示，每一組混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均滿足目標(biāo)強(qiáng)度，但相同齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度隨陶瓷粉取代量的增加而逐漸下降；并且養(yǎng)護(hù)28 d后，相同條件下?lián)搅看笥?0%的陶瓷粉混凝土的抗壓強(qiáng)度下降速度快于其他組混凝土：圖4(b)中，C40混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，陶瓷粉取代量為10%的損失強(qiáng)度為0.9 MPa；陶瓷粉取代量為20%的損失強(qiáng)度為1.6 MPa；陶瓷粉取代量為30%的損失強(qiáng)度為5.4 MPa.養(yǎng)護(hù)56 d后，陶瓷粉取代量為10%的損失強(qiáng)度為1 MPa；陶瓷粉取代量為20%的損失強(qiáng)度為1.8 MPa；陶瓷粉取代量為30%的損失強(qiáng)度為4.2 MPa.由此說(shuō)明，陶瓷粉的摻入會(huì)使混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，且摻入量越大，抗壓強(qiáng)度下降的越快.由于部分水泥被陶瓷粉替代，混凝土水化過(guò)程中水泥的減少導(dǎo)致水化產(chǎn)物低堿性結(jié)晶CAH(水化鋁酸鈣)及低密度C-S-H(水化硅酸鈣)膠凝也隨之減少，混凝土內(nèi)部粘結(jié)強(qiáng)度降低，其抗壓強(qiáng)度也隨之降低，對(duì)比普通混凝土更低；且隨著陶瓷粉取代量越大，其抗壓強(qiáng)度的降低越明顯.

圖4 不同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度隨陶瓷粉取代量變化規(guī)律Fig.4 Changing law of concrete compressive strengthwith the increase of substitution quantity of ceramic powder at different ages

2.2 自由氯離子濃度分布

圖5的(a)、(b)、(c)是水膠比分別為0.38、043、0.53(對(duì)應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)分別為C45、C40、C30)的普通混凝土隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，測(cè)得各自不同深度處的氯離子濃度變化圖.由圖可知，隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，相同位置處的氯離子濃度也隨之增大；相同浸泡時(shí)間時(shí)，擴(kuò)散深度也隨之增大；相同浸泡時(shí)間及深度處，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，氯離子濃度也越高.圖5的(d)、(e)、(f)是分別摻入10%、20%、30%陶瓷粉的等強(qiáng)度C40混凝土，在不同浸泡時(shí)間及各深度處所測(cè)得的Cl-濃度規(guī)律圖.由圖可知，摻入陶瓷粉的混凝土在自然浸泡環(huán)境下氯離子的擴(kuò)散規(guī)律與普通混凝土呈相同趨勢(shì)，可得出與普通混凝土一致的擴(kuò)散性質(zhì).除此之外，通過(guò)將圖5(b)與圖5(d)、(e)、(f)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相同強(qiáng)度C40混凝土及浸泡時(shí)間條件下，摻陶瓷粉混凝土距表面深度5 mm內(nèi)的氯離子擴(kuò)散濃度比普通混凝土更高，距表面深度12.5 mm往后的氯離子擴(kuò)散濃度比普通混凝土更低，由此說(shuō)明氯離子濃度在摻陶瓷粉混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散速率下降得更快.其主要原因?yàn)樵诮葸^(guò)程中混凝土中的陶瓷粉進(jìn)一步水化，填充了混凝土存在的原始缺陷內(nèi)部孔隙等，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，故自由氯離子在其內(nèi)部的擴(kuò)散速率較普通混凝土下降得更快.氯鹽環(huán)境下，氯離子向混凝土內(nèi)部遷移方式包括：擴(kuò)散作用、滲透作用以及毛細(xì)管吸附作用[7, 8].由圖5總體可得：同一位置測(cè)得的氯離子濃度含量隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，隨著深度的增加混凝土內(nèi)Cl-濃度逐漸降低且趨于穩(wěn)定；得出與摻礦渣、粉煤灰混凝土內(nèi)Cl-的擴(kuò)散表現(xiàn)出一致的規(guī)律[9-11].

圖5 混凝土中不同深度處自由氯離子含量分布Fig.5 Free chloride content distribution at different depths in concrete

2.2.1 水膠比對(duì)混凝土中自由氯離子含量的影響

圖6中(a)、(b)、(c)、(d)為經(jīng)過(guò)84 d浸泡后，不同水膠比混凝土中的自由Cl-濃度分布規(guī)律.混凝土的水膠比為每立方米用水量與其所有膠凝材料總用量的比值，其可作為判斷混凝土耐久性與密實(shí)度的宏觀指標(biāo).從圖6可得，在混凝土相同深度處，自由Cl-濃度均隨著水膠比的變大而增加.故在含有侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境中時(shí)，應(yīng)使用水膠比相對(duì)較小的混凝土種類.除此之外，在陶瓷粉取代量為10%及20%的混凝土中，氯離子往深度方向的擴(kuò)散速率較普通混凝土中的下降速率更加迅速，主要由于混凝土中陶瓷粉具有良好的活性，產(chǎn)生的二次水化反應(yīng)使其內(nèi)部組織更加致密，降低了氯離子侵入內(nèi)部的擴(kuò)散速率.而當(dāng)水膠比為0.53時(shí)，同一深度處，陶瓷粉取代量為30%的混凝土其內(nèi)部氯離子擴(kuò)散濃度對(duì)比普通混凝土更高，由此說(shuō)明混凝土陶瓷粉的摻入量過(guò)多，使其內(nèi)部二次水化不完全，且其水化產(chǎn)物的減少導(dǎo)致混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織稀疏，侵蝕性介質(zhì)更易侵入，故混凝土耐久性降低.因此水膠比是保證混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一，加入適量的陶瓷粉能改善混凝土的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高其密實(shí)度.

圖6 水膠比對(duì)混凝土中氯離子含量的影響Fig.6 Effect of water binder ratio on free chloride in concrete

2.2.2 陶瓷粉取代量對(duì)混凝土中自由Cl-濃度的影響

圖7是具有相同的水膠比0.43，且都經(jīng)過(guò)84 d浸泡后，陶瓷粉取代量分別為0%、10%、20%、30%的混凝土中自由Cl-濃度的分布圖.由圖7可得，在深度小于5 mm時(shí)，陶瓷粉摻量為20%和30%的混凝土中，其自由Cl-含量都高于普通混凝土；但是當(dāng)深度大于5 mm時(shí)，呈現(xiàn)與之前完全相反現(xiàn)象，陶瓷粉混凝土內(nèi)部的自由Cl-含量小于普通混凝土中的自由Cl-含量：這表明當(dāng)深度增加到一定程度時(shí)，自由Cl-的擴(kuò)散速度在陶瓷粉混凝土中隨著深度的增加，降低的速度遠(yuǎn)快于普通的混凝土.其原因主要是混凝土中的陶瓷粉隨著浸泡時(shí)間的增加而進(jìn)一步水化，填充了混凝土內(nèi)部的孔隙，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，使得自由Cl-在其內(nèi)部的擴(kuò)散速率降低.除此之外，同種現(xiàn)象在摻量為10%的陶瓷粉混凝土中的表現(xiàn)卻并不明顯，說(shuō)明陶瓷粉摻量過(guò)少時(shí)對(duì)混凝土耐久性能并無(wú)明顯影響；摻量為20%和30%的陶瓷粉混凝土中，其深層的氯離子濃度 比普通混凝土更小且相接近，說(shuō)明陶瓷粉的摻入在混凝土內(nèi)部發(fā)生了水化反應(yīng)，并填充了混凝土內(nèi)部的孔隙，提高了混凝土的密實(shí)度，氯離子更難以入侵.另一方面表現(xiàn)處摻20%和30%的陶瓷粉對(duì)混凝土氯離子擴(kuò)散的效果是一樣的，這說(shuō)明陶瓷粉摻入限值在20%～30%.

圖7 W/B=0.43的陶瓷粉取代量對(duì)混凝土中自由氯離子含量影響Fig.7 Effect of W/B=0.43 substitution quantity of ceramic powder on chloride content in concrete

3 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

氯離子擴(kuò)散系數(shù)D是評(píng)估混凝土抵抗氯離子侵蝕能力的重要參數(shù)[12-13]，根據(jù)氯離子在混凝土中的存在狀態(tài)，學(xué)者把其劃分成自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Df)和總氯離子擴(kuò)散系數(shù)(Da)，Df、Da是評(píng)估混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和壽命預(yù)測(cè)過(guò)程中的重要參數(shù)[14]，也是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要參數(shù).當(dāng)混凝土擴(kuò)散系數(shù)D越大時(shí)，表明該混凝土對(duì)氯離子阻擋能力就越弱[15].其中擴(kuò)散是氯離子向混凝土中遷移的主要方式.大量研究表明：長(zhǎng)期浸泡鹽溶液中的混凝土，Cl-向混凝土內(nèi)部傳輸方式，主要是以擴(kuò)散為主，并且其擴(kuò)散規(guī)律符合一維Fick第二定律.為了求解氯離子擴(kuò)散系數(shù)，假設(shè)：①混凝土是半無(wú)限均勻介質(zhì)[16]，氯離子擴(kuò)散過(guò)程中不與混凝土結(jié)合[17]；②氯離子擴(kuò)散系數(shù)D是一個(gè)常量.

(1)

考慮邊界條件：C(0,t)=Cs，C(∞,t)=C0，初使條件C(x,0)=C0時(shí)，一維數(shù)學(xué)解析為

(2)

誤差函數(shù)：

(3)

式中：C(x,t)為t時(shí)刻混凝土中x深度處的Cl-含量(Cl-質(zhì)量占混凝土的質(zhì)量百分比，%)；C0為混凝土中初始Cl-含量(Cl-質(zhì)量占混凝土的質(zhì)量百分比，%)；Cs為混凝土表面Cl-含量(Cl-質(zhì)量占混凝土的質(zhì)量百分比，%)；D為Cl-擴(kuò)散系數(shù)(mm2· s-1)；x為距混凝土表面深度(mm)；t為暴露時(shí)間(s).

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得混凝土中不同深度的氯離子含量，按照(1)公式，采用Origin8.5軟件擬合回歸得到各組試件的自由Cl-擴(kuò)散系數(shù)(Df)，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表6.

表6 自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)/(×10-6 mm2 · s-1)

注：論文表格中“—”都代表未設(shè)置該組

3.1 水膠比對(duì)自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響

圖8為沒(méi)有摻入陶瓷粉的混凝土在分別浸泡28 d、56 d和84 d的情況下，不同水膠比與氯離子擴(kuò)散系數(shù)關(guān)系的柱狀圖.根據(jù)圖8顯示，在混凝土不同的浸泡時(shí)間內(nèi)，隨著水膠比的增加，其擴(kuò)散系數(shù)Df也會(huì)隨之增大.如隨著水膠比從0.38增加到0.53，浸泡84 d的擴(kuò)散系數(shù)也從3.16×10-6mm2/s增大到6.18×10-6mm2/s，其揭示隨著水膠比(W/B)的增大，氯離子擴(kuò)散程度越深，擴(kuò)散速度越快，混凝土抗腐蝕能力下降.其原因主要是由于水膠比大的混凝土本身原料中含有大量的水分，這些水分蒸發(fā)后在混凝土中留下許多毛細(xì)孔隙，致使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致密，Cl-在混凝土中的擴(kuò)散更為簡(jiǎn)便，Cl-在混凝土內(nèi)的傳輸速率[18]也更加迅速.因此擴(kuò)散系數(shù)關(guān)于水膠比的影響尤為敏感，故特別在海洋工程中，合理控制水膠比是保障混凝土具有良好的耐久性能力的前提.

從圖8還能得到，Df是會(huì)跟隨時(shí)間變化的，浸泡時(shí)間增加，Df降低可能存在以下兩方面原因：(1)在試驗(yàn)浸泡過(guò)程中，內(nèi)部存在的還沒(méi)有完全水化的部分隨著時(shí)間的增加進(jìn)一步反應(yīng)，將混凝土內(nèi)部本身固有的大量空隙填充起來(lái)，致使其內(nèi)部組織更加致密，故孔隙率降低，Df也隨之減小；(2)在短期內(nèi)，混凝土表面毛細(xì)管迅速吸附大量氯離子，故擴(kuò)散系數(shù)很大，而隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，氯離子主要以擴(kuò)散的方式進(jìn)入混凝土，故此后混凝土的氯離子擴(kuò)散速度下降，Df相應(yīng)減小[19].

圖8 不同水膠比下浸泡時(shí)間與Df的關(guān)系柱狀圖Fig.8 Histogram of relation between water binderratio and Df under different soaking times

3.2 陶瓷粉取代量對(duì)自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響

圖9表示在同等浸泡84 d后，三組不同水膠比下的混凝土其Df與陶瓷粉取代量的關(guān)系.當(dāng)陶瓷粉取代量小等于20%時(shí)， 所有水膠比的混凝土表現(xiàn)出Df隨著陶瓷粉取代量的增加而減小，當(dāng)陶瓷粉取代量為30%時(shí)，水膠比為0.38和0.53的混凝土其Df變大，表現(xiàn)出相反的趨勢(shì).由此可得，加入適量的陶瓷粉能夠改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)組織，使其更加致密，降低擴(kuò)散系數(shù)，提高混凝土耐久性能.但若加入過(guò)量的陶瓷粉時(shí)，易導(dǎo)致混凝土內(nèi)部不易充分水化，形成更多孔隙，反而降低混凝土的耐久性能.

圖9 陶瓷粉取代量和Df關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between the substitution quantity of ceramic rowder and Df

3.3 浸泡時(shí)間對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)影響規(guī)律

圖10為在相同水膠比0.43時(shí)，不同陶瓷粉取代量的混凝土在各個(gè)浸泡時(shí)長(zhǎng)內(nèi)所測(cè)得的氯離子擴(kuò)散系數(shù)的對(duì)比圖.從測(cè)量數(shù)據(jù)總體來(lái)看，隨著浸泡時(shí)間的增加，各組取代量的氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降；浸泡時(shí)間在28 d和56 d時(shí)，摻入陶瓷粉的混凝土的氯離子的Df比未摻陶瓷粉混凝土的更大，而在84 d時(shí)，摻入陶瓷粉的混凝土的氯離子的Df比未摻陶瓷粉混凝土的更小，這說(shuō)明要使混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善，提高其耐久性能，陶瓷粉的摻入必須在混凝土內(nèi)部充分水化，形成凝膠填充混凝土孔隙后才能實(shí)現(xiàn)，故陶瓷粉混凝土應(yīng)在前期得到充分的養(yǎng)護(hù)才能發(fā)揮其耐久性能良好的優(yōu)點(diǎn).

圖10 浸泡時(shí)間和Df的關(guān)系柱狀圖Fig.10 Histogram of relation soaking times and Df

綜合上述分析可得：混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著水膠比的下降而減少，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，摻入適量陶瓷粉的混凝土在充分養(yǎng)護(hù)后其耐久性能比普通混凝土更好.

4 氯離子侵蝕微觀機(jī)理分析

圖11中(a)、(b)分別是經(jīng)過(guò)浸泡84 d后的C40普通混凝土和取代量為10%的C40陶瓷粉混凝土的SEM(電鏡掃描)微觀圖，從圖中可以看出，陶瓷粉混凝土的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)更為平整致密，而普通混凝土的內(nèi)部組織更加粗糙且孔隙更多，這是因?yàn)榇蟛糠旨?xì)小的陶瓷粉顆粒在混凝土內(nèi)部的填充作用，以及陶瓷粉末在混凝土內(nèi)部水化得到的產(chǎn)物中富含水化鋁酸三鈣等礦物成分，能與混凝土中的自由氯離子反應(yīng)生成穩(wěn)定的Friede’s鹽，并且填充混凝土內(nèi)部孔隙，是內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，使外界腐蝕離子等不易侵入，提高混凝土的耐久性能[20].

圖11 普通混凝土與取代量為10%的陶瓷粉混凝土的SEM圖Fig.11 SEM images of ordinary concrete and ceramicpowder concrete with a replacement amount of 10%

圖12是設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40的普通混凝土與取代量為20%陶瓷粉混凝土，經(jīng)過(guò)浸泡84 d后得到的XRD(X射線衍射儀)圖，從圖中可以清晰看到兩幅圖中都存在陶瓷粉水化產(chǎn)物與氯鹽結(jié)合得到的Friede’s鹽衍射峰，且Friede’s鹽衍射峰在陶瓷粉混凝土的XRD圖中明顯多于普通混凝土，且該峰存在于陶瓷粉混凝土中的強(qiáng)度也更大.由此可得，陶瓷粉混凝土相對(duì)于普通混凝土內(nèi)部二次水化能結(jié)合更多氯離子，生成更為致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，修復(fù)原始缺陷，減小氯離子擴(kuò)散系數(shù)，提高混凝土耐久性能.

圖12 普通混凝土和取代量為20%的陶瓷粉混凝土的XRD對(duì)比圖Fig.12 XRD spectrum of ordinary concrete and replacementamount of 20% ceramic powder concrete

綜上所述，通過(guò)結(jié)合分析氯離子濃度分布、氯離子擴(kuò)散系數(shù)規(guī)律以及微觀形貌，隨著陶瓷粉混凝土在溶液中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，其二次水化的產(chǎn)物填充混凝土內(nèi)部氣泡或者水泥硬化的漿體與骨料之間未完全結(jié)合所產(chǎn)生的孔隙，修復(fù)本身固有原始缺陷，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密平實(shí)，能有效抵抗各類侵蝕物質(zhì).

5 結(jié)論

采用自然浸泡法，研究了陶瓷粉取代量、浸泡時(shí)間和水膠比三種因素對(duì)陶瓷粉混凝土中自由氯離子擴(kuò)散性能影響.并通過(guò)結(jié)合分析氯離子濃度分布、氯離子擴(kuò)散系數(shù)規(guī)律以及微觀形貌，得出如下結(jié)論：

(1)陶瓷粉的摻入會(huì)使混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，且摻入量越大，抗壓強(qiáng)度下降的越快.

(2)混凝土中摻入陶瓷粉替代部分水泥能夠提高混凝土的抗氯離子侵蝕性能，保護(hù)鋼筋不易受到腐蝕，有效延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命.并且摻入的陶瓷粉量在20%左右時(shí)能得到最佳效果.

(3)陶瓷粉混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著浸泡時(shí)間的增加而下降，隨著陶瓷粉混凝土在溶液中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，其二次水化的產(chǎn)物填充混凝土內(nèi)部大量孔隙，修復(fù)本身固有原始缺陷，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密平實(shí)，能有效抵抗各類侵蝕物質(zhì)，提高混凝土的耐久性能.

(4)混凝土中自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨著水膠比的增大而增大，侵入混凝土內(nèi)部也越深；工程中應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土水膠比，水膠比過(guò)大會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的耐腐蝕性和耐久性.