粉煤灰混凝土加速溶蝕規(guī)律及粉煤灰最優(yōu)摻量分析

張 朋

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

粉煤灰既能降低混凝土水化反應(yīng)釋放的熱量，還能改進(jìn)完善混凝土抗寒環(huán)境侵損能力，因此是人們最認(rèn)可、最常用的一種礦物摻和料?，F(xiàn)有研究已明確證實(shí)，粉煤灰在混凝土中只有達(dá)到某一臨界值才能將其物理、化學(xué)作用效應(yīng)發(fā)揮到極致，不過(guò)該臨界值很容易發(fā)生變化，只要水膠比、基礎(chǔ)材料等配比參數(shù)發(fā)生改變，臨界值就會(huì)隨之發(fā)生變化。本文基于科學(xué)合理的電化學(xué)加速溶蝕參數(shù)，對(duì)粉煤灰含量和混凝土基材料溶蝕機(jī)能之間的關(guān)系展開(kāi)研究，并提出了優(yōu)化水工混凝土配比的方法。

1 試件成型與維護(hù)保養(yǎng)

配比成型的混凝土，膠凝材料總量水膠比為0.5的小組混凝土加摻10%～50%粉煤灰，水膠比為0.6的小組混凝土則加摻10%～40%粉煤灰。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)粉煤灰含量與混凝土加速溶蝕機(jī)能之間的關(guān)系進(jìn)行研究。水工混凝土復(fù)合料主要成分基本配比見(jiàn)表1。各配合比混凝土成型2個(gè)試件，采用電化學(xué)加速溶蝕機(jī)能的視角進(jìn)行研究，各參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果取均值。

表1 水工混凝土復(fù)合料主要成分基本配比

選用C6F10及C5F20配比成型混凝土，用4.75mm方孔篩對(duì)新拌混凝土漿體進(jìn)行處理，將篩余砂漿集中裝入試模中，用力搗振成型。各配比分別制備兩組規(guī)格為φ100×50mm及φ42.6×50mm的篩余砂漿試件(編號(hào)分別是LRM及SRM)，篩余砂漿試件與混凝土試件的具體情況見(jiàn)表2。

表2 篩余砂漿試件編號(hào)

24h脫模后轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)保養(yǎng)室進(jìn)行不少于28天的維護(hù)，維護(hù)保養(yǎng)結(jié)束后利用專業(yè)設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行真空飽水處理。為證實(shí)粗骨料及砂漿試件規(guī)格對(duì)混凝土基材料溶蝕機(jī)能的影響，在本實(shí)驗(yàn)中專門(mén)設(shè)定了同樣的約束條件。需注意SRM5F20及SRM6F10試件的加速溶蝕裝置內(nèi)放一個(gè)內(nèi)徑不超過(guò)42.6mm的有機(jī)玻璃嵌套，以方便試件安裝。本研究選擇應(yīng)用有機(jī)硅膠柔性填充料，它是典型的防水密封材料，抗腐蝕，而且不會(huì)給溶蝕介質(zhì)及溶蝕效果帶來(lái)負(fù)面影響。

對(duì)真空飽水后每個(gè)試件的電阻率進(jìn)行檢測(cè)，再將試件接入對(duì)應(yīng)的電化學(xué)加速溶蝕裝置，開(kāi)始電化學(xué)加速溶蝕實(shí)驗(yàn)，確定出不同溶蝕周期各試件的溶蝕參數(shù)。根據(jù)同規(guī)格篩余砂漿及混凝土溶蝕參數(shù)差值，可揭示出粗骨料與混凝土基材料抗溶蝕機(jī)能之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同直徑篩余砂漿試件有關(guān)溶蝕參數(shù)進(jìn)行分析，以進(jìn)一步探討試件規(guī)格與混凝土基材料溶蝕行為的內(nèi)在關(guān)系。

2 溶蝕深度測(cè)定方法

一般條件下，溶蝕深度主要反映了混凝土基材料中氫氧化鈣溶解面出現(xiàn)遷移的部位。長(zhǎng)時(shí)間受軟水侵損，氫氧化鈣就會(huì)很快被分解，因此，可將溶蝕深度作為兩種試件電化學(xué)加速溶蝕的損壞程度評(píng)判指標(biāo)。目前，主要通過(guò)光學(xué)顯微鏡法和酚酞溶液噴涂法兩種方法求解溶蝕深度，本文選用酚酞溶液噴涂法。在測(cè)試過(guò)程中，首先獲取混凝土基材料沿溶蝕方向的截面，然后再用1%酚酞酒精溶液規(guī)律地噴灑在截面上，以密切關(guān)注變色情況。

具體操作方法如下：將一根光圓鋼筋分別置于試件成型面下底面中心部位，由于壓面鋪設(shè)了一些砂子，壓力機(jī)就會(huì)受到鋼筋壓力，不可不免地會(huì)出現(xiàn)橫向滑動(dòng)；加固鋼筋與溶蝕試件的部位，在逐漸施加載荷的情況下，試件會(huì)被劈成兩個(gè)截面。按照碳化實(shí)驗(yàn)方法，將濃度1%的酚酞酒精溶液均勻噴灑于劈斷裂面，溶蝕區(qū)變色不顯著，呈淺灰色，未溶蝕區(qū)則為紫紅色，此時(shí)只需確定出混凝土表面與呈色界限的平均距離，就意味著獲得了溶蝕深度。各試件截面選擇8個(gè)測(cè)試部位，用直尺測(cè)定溶灰色部分寬度，測(cè)定結(jié)果的均值為該試件的溶蝕深度。篩余砂漿試件溶蝕深度測(cè)定方法與混凝土相同。

3 粉煤灰混凝土的溶蝕加速規(guī)律分析

3.1 粉煤灰加摻對(duì)混凝土電阻率的影響分析

粉煤灰混凝土電化學(xué)阻抗譜見(jiàn)圖1。由圖1可知，在粉煤灰含量増加的情況下，混凝土點(diǎn)電阻向右轉(zhuǎn)移，由此可見(jiàn)，混凝土的導(dǎo)電機(jī)能較差，通過(guò)電阻率數(shù)據(jù)分析可知，在水膠比同劑量的條件下，粉煤灰含量越大，混凝土試件的電阻率值就越大，表明摻進(jìn)適量粉煤灰可優(yōu)化混凝土的孔構(gòu)造，提高混凝土電阻，降低導(dǎo)電性，因此能合理控制鈣離子的遷移速率，從而使混凝土的抗溶蝕機(jī)能得到大幅改善。摻進(jìn)一定量的粉煤灰，可使混凝土基體電阻率增大，主要有以下兩個(gè)原因：?粉煤灰的火山灰效應(yīng)消耗氫氧化鈣，可使混凝土中Ca2+量減少，也就弱化了導(dǎo)電離子構(gòu)成量，但是卻能使攪拌物的工作性及流動(dòng)性得到明顯優(yōu)化，無(wú)論是下調(diào)黏稠度還是下調(diào)水灰比用量，都會(huì)出現(xiàn)電阻率增大的現(xiàn)象；?粉煤灰-混凝土混合體系中的通道比標(biāo)準(zhǔn)混凝土彎曲?；炷帘烩}溶蝕后，電阻值向左轉(zhuǎn)移，表明混凝土電阻率降低，原因是受黏滯阻力影響鈣離子會(huì)慢慢移至陰極室溶液中，同時(shí)隨著水化反應(yīng)產(chǎn)物的分解出現(xiàn)孔隙，混凝土構(gòu)造不夠密實(shí)，導(dǎo)電能力增強(qiáng)。

3.2 粉煤灰加摻對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響分析

普通水工混凝土在施工時(shí)應(yīng)擁有較好的工作機(jī)能，嚴(yán)寒地區(qū)選用的水工混凝土還要具有抵御凍融循環(huán)的能力，本文將坍落度和含氣量作為攪拌性能評(píng)估指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，C5F0和C6F0的坍落度存在一定落差，是因?yàn)楫?dāng)粉煤灰含量增多時(shí)，混凝土坍落的危險(xiǎn)增大。粉煤灰含量每加增10%，坍落度就會(huì)自動(dòng)下調(diào)10mm，細(xì)小顆粒在混凝土中發(fā)揮了穩(wěn)定的潤(rùn)滑作用，從而能提高混凝土的流動(dòng)性；0.6水膠比的新拌混凝土的坍落度更大一些，另外也能看到水膠比加大時(shí)，混凝土含氣量會(huì)出現(xiàn)小幅下降，各實(shí)驗(yàn)組混凝土的含氣量在4%～5%之間波動(dòng)，變化幅度小，基本不會(huì)影響粉煤灰含量。

基于齡期差異的混凝土試件抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖2。由數(shù)據(jù)結(jié)果分析得知，前期水化反應(yīng)速度較快，在齡期不斷增大時(shí)，強(qiáng)度進(jìn)展速度必然隨之下降，趨向于穩(wěn)定狀態(tài)。水膠比越大，混凝土的抗壓強(qiáng)度越小。隨著維護(hù)保養(yǎng)齡期的增加，水膠對(duì)混凝土力學(xué)機(jī)能產(chǎn)生的影響愈發(fā)顯著。在水膠比不發(fā)生改變的情況下，只要粉煤灰含量加增，混凝土抗壓強(qiáng)度必然會(huì)弱化，粉煤灰含量大于20%會(huì)直接影響抗壓強(qiáng)度值，即抗壓強(qiáng)度會(huì)持續(xù)走低。

3.3 混凝土抗溶蝕的粉煤灰最優(yōu)含量確定分析

在透滲溶蝕過(guò)程中，粉煤灰存在一個(gè)最優(yōu)含量，當(dāng)鈣硅摩爾比趨近1時(shí)，氧化鈣或二氧化硅的溶出量非常低。所謂鈣硅摩爾比，就是氧化鈣與二氧化硅的物質(zhì)量之比，主要與膠凝材料型號(hào)和化學(xué)成分相關(guān)。因此可以借助硅鈣摩爾比方程式，針對(duì)水膠比為0.6的水工混凝土優(yōu)化粉煤灰摻量給予推導(dǎo)計(jì)算。

圖2 基于齡期差異的混凝土試件抗壓強(qiáng)度

在本文研究中，將混凝土、粉煤灰和膠凝材料分別定義為mC、mFA及mB，膠凝材料總量為粉煤灰和混凝土用量之和，也就是mB=mC+mFA。按照膠凝材料總量中粉煤灰質(zhì)量所占百分比計(jì)算粉煤灰優(yōu)化摻量。則水膠比 0.6和摩爾比等于 1 的CaO/SiO2公式為

(1)

其中，粉煤灰含量α=mFA/mB，mC=mB-mFA，代入上式可以獲得

(2)

通過(guò)式(2)可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)粉煤灰含量α只與混凝土、氧化鈣和二氧化硅存在關(guān)聯(lián)，而無(wú)須考慮水膠比和膠凝材料用量。經(jīng)計(jì)算得知，鈣硅摩爾比=1條件獲得實(shí)現(xiàn)時(shí)，粉煤灰含量α=40%，即混凝土最優(yōu)粉煤灰含量應(yīng)占40%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)粉煤灰混凝土加速溶蝕規(guī)律及粉煤灰最優(yōu)含量分析，所得主要收獲和結(jié)論如下：?在水膠比相同的條件下，粉煤灰含量越大，混凝土試件的電阻率越大，表明摻進(jìn)適量粉煤灰能合理控制鈣離子的遷移速率，從而使混凝土的抗溶蝕機(jī)能得到大幅改善；?在水膠比不發(fā)生改變的情況下，只要粉煤灰含量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度必然會(huì)弱化，粉煤灰含量大于20%會(huì)直接影響抗壓強(qiáng)度值，即抗壓強(qiáng)度會(huì)持續(xù)走低；?混凝土抗溶蝕的粉煤灰最優(yōu)含量為40%。