膨潤(rùn)土摻量和水膠比對(duì)水工混凝土抗?jié)B透性能的影響研究

李秀陽(yáng)

（朝陽(yáng)市喀左縣平房子水利服務(wù)站，遼寧 朝陽(yáng) 122300）

由于特殊的運(yùn)行環(huán)境，水工混凝土普遍面臨著一定程度的滲透性問(wèn)題，大大影響著基礎(chǔ)設(shè)施和工程結(jié)構(gòu)的耐久性能，長(zhǎng)期以往導(dǎo)致水庫(kù)大壩等服役年限縮短，維修費(fèi)用明顯提高[1]。目前，水工混凝土的滲透性問(wèn)題越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注，有學(xué)者提出增強(qiáng)混凝土氯離子滲透阻力的有效方法是摻入適量的礦物摻合料，而降低氯離子滲透深度的有效途徑是適當(dāng)減小水膠比；也有學(xué)者在混凝土中加入膨潤(rùn)土，有利于降低水滲透系數(shù)并增強(qiáng)其黏聚力，摻入膨潤(rùn)土能夠堵塞混凝土的內(nèi)部孔隙，從而增強(qiáng)其抗?jié)B性[2-3]。因此，增強(qiáng)混凝土抗氯離子滲透性的有效措施是摻加礦物摻合料和減小水膠比，而增強(qiáng)其抗水滲透性的主要方法是摻加膨潤(rùn)土。然而，現(xiàn)有研究較少考慮低水膠比水工混凝土中摻膨潤(rùn)土的抗氣體滲透性，并且Cl-、CO2等有害離子和氣體的滲透是造成內(nèi)部鋼筋銹蝕的關(guān)鍵原因，增強(qiáng)抗氣體滲透性可以有效預(yù)防鋼筋銹蝕，延長(zhǎng)水工結(jié)構(gòu)服役年限，故研究低水膠比水工混凝土中摻膨潤(rùn)土的抗氣體滲透性具有重要意義[4-5]。

目前，比較常見(jiàn)的試驗(yàn)方法有氯離子、氣體和水滲透試驗(yàn)，水滲透法具有時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、測(cè)試精度低等缺陷，而氯離子滲透和氣體滲透法能夠有效規(guī)避這些問(wèn)題[6-8]。此外，由于試驗(yàn)條件不同這幾種滲透性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果之間不能相互比較，有必要進(jìn)一步探討其抗氯離子滲透性與抗氣體滲透性指標(biāo)之間的相關(guān)性。鑒于此，本文研究了水工混凝土抗氯離子滲透性、抗氣體滲透性受水膠比和膨潤(rùn)土摻量的影響，并分析了摻膨潤(rùn)土混凝土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)以及兩種抗?jié)B透性能相關(guān)性，以期為低水膠比水工混凝土中膨潤(rùn)土的應(yīng)用提供一定數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料準(zhǔn)備

水泥：大連天瑞水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)水泥；粉煤灰：綏中電廠(chǎng)生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰；礦粉：本溪萬(wàn)泉S95級(jí)礦粉，比表面積為460m2/kg；膨潤(rùn)土：建平縣中毅有限公司生產(chǎn)的鈣基膨潤(rùn)土，主要性能指標(biāo)如表1所示；粗細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.5的天然河砂和5～20mm連續(xù)級(jí)配人工碎石；外加劑選用蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸減水劑，減水率28%，含固量40%。

表1 膨潤(rùn)土的主要性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)配合比

依據(jù)《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》中的規(guī)定合理設(shè)計(jì)水工混凝土配合比，如表2所示。采用膨潤(rùn)土等量替代基準(zhǔn)配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，對(duì)0%、3%膨潤(rùn)土摻量且水膠比0.36基準(zhǔn)組，通過(guò)適當(dāng)增大或減小用水量把水膠比調(diào)整成0.30、0.40，通過(guò)控制減水劑摻量將拌合物坍落度調(diào)整到180～220mm范圍內(nèi)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì) kg/m3

表3 拌合物擴(kuò)展度與坍落度

水膠比 減水劑/% 膨潤(rùn)土/% 擴(kuò)展度/mm 坍落度/mm 0.40 1.2 3 405 190

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1氣體滲透試驗(yàn)

本試驗(yàn)利用氣體滲透法配制300mm×150mm×150mm試件，試驗(yàn)選用透氣性測(cè)試儀(TORRENT Permeability Tester)對(duì)標(biāo)養(yǎng)28d后的水工混凝土試樣進(jìn)行測(cè)試，采用滲透深度L和滲透系數(shù)KT評(píng)定抗氣體滲透性。

1.3.2 抗氯離子滲透試驗(yàn)

試驗(yàn)配制φ100mm×50mm試件，利用規(guī)范推薦的電通量法對(duì)標(biāo)養(yǎng)28d后的水工混凝土試樣進(jìn)行測(cè)試，以6h內(nèi)通過(guò)的電流值和總電通量評(píng)定抗氯離子滲透性。

1.3.3 掃描電鏡(SEM)微觀(guān)試驗(yàn)

水工混凝土微觀(guān)結(jié)構(gòu)擬利用S4800型掃描電鏡(SEM)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，試驗(yàn)過(guò)程中嚴(yán)格按掃描電鏡操作手冊(cè)執(zhí)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗氣體滲透性能

1） 膨脹劑摻量的影響。采用膨潤(rùn)土等量替代基準(zhǔn)配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，控制拌合物坍落度處于180～220mm范圍內(nèi)，標(biāo)養(yǎng)28d后測(cè)試各組試樣的抗氣滲透系數(shù)以及滲透深度，水工混凝土抗氣體滲透性能受膨潤(rùn)土摻量的影響如圖1所示。

圖1 不同膨潤(rùn)土摻量的抗氣體滲透性

從圖1可以看出，在不改變拌合物和易性的情況下，水工混凝土的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均隨著膨潤(rùn)土摻量的增大表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，較基準(zhǔn)組的氣體滲透系數(shù)摻1%、3%、5%膨潤(rùn)土組依次減小了28.6%、57.1%、31.0%，滲透深度依次減小了12.6%、30.2%、19.9%。水工混凝土中摻3%膨潤(rùn)土?xí)r，其氣體滲透深度和深度系數(shù)減小幅度最大，摻7%的膨潤(rùn)土組大于基準(zhǔn)組氣體滲透深度和滲透系數(shù)。

對(duì)于未摻膨潤(rùn)土的水工混凝土，加入的復(fù)合礦物摻合料在一定程度上降低了其內(nèi)部相互連通的孔隙數(shù)量，有效改善了水泥石的結(jié)構(gòu)和整體抗氣體滲透性。此外，膨潤(rùn)土的加入能夠發(fā)揮一定的膨脹性，對(duì)填充混凝土內(nèi)部孔隙以及抑制外部氣體的滲透發(fā)揮著積極作用。因此，水工混凝土中摻入適量的膨潤(rùn)土能夠有效增強(qiáng)其抗氣體滲透性。然而，摻量過(guò)高時(shí)膨潤(rùn)土?xí)赵S多的水分，其自身釋放的水分無(wú)法維持水泥的進(jìn)一步水化，對(duì)水泥水化造成不利影響，致使內(nèi)部孔隙增多，抗氣體滲透性有所下降[9]。

2）水膠比的影響。對(duì)0%、3%膨潤(rùn)土摻量且水膠比0.36基準(zhǔn)組，通過(guò)適當(dāng)增大或減小用水量把水膠比調(diào)整成0.30、0.40，控制拌合物坍落度處于180～220mm范圍內(nèi)，標(biāo)養(yǎng)28d后測(cè)試各組試樣的抗氣滲透系數(shù)以及滲透深度，水工混凝土抗氣體滲透性能受水膠比的影響如圖2。

圖2 不同水膠比的抗氣體滲透性

從圖2可以看出，在不改變拌合物和易性的情況下，水工混凝土的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均隨著水膠比的增大而增大。膨潤(rùn)土摻量0%時(shí)，較水膠比0.4的氣體滲透深度和滲透系數(shù)水膠比0.30、0.36組依次減小了35.0%、12.8%和73.6%、47.3%；膨潤(rùn)土摻量3%時(shí)，較水膠比0.4的氣體滲透深度和滲透系數(shù)水膠比0.30、0.36組依次減小了52.5%、33.6%和72.5%、55.0%，并且基準(zhǔn)組的氣體滲透深度和深度系數(shù)均高于摻3%膨潤(rùn)土的各水膠比組。水膠比為0.30時(shí)，膨潤(rùn)土摻量為3%組的氣體滲透深度和滲透系數(shù)達(dá)到最小。

水工混凝土內(nèi)部的游離水隨著水膠比的增大而增多，游離水的蒸發(fā)損失使得混凝土硬化過(guò)程中形成許多孔隙[10]。混凝土中大孔徑的孔含量也會(huì)隨著水膠比的增加而增多，內(nèi)部貫通孔數(shù)量也隨之升高，這些孔隙使得抗氣體滲透性能明顯下降。

2.2 抗氯離子滲透性能

1） 膨脹劑摻量的影響。采用膨潤(rùn)土等量替代基準(zhǔn)配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，控制拌合物坍落度處于180～220mm范圍內(nèi)，標(biāo)養(yǎng)28d后測(cè)試各組試樣的電通量和電流值，抗氯離子滲透性受膨潤(rùn)土摻量的影響如圖3所示。

圖3 不同膨潤(rùn)土摻量的抗氯離子滲透性

從圖3(a)可以看出，在不改變拌合物和易性的情況下，水工混凝土的電通量隨著膨潤(rùn)土摻量的增加表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，電通量在3%膨潤(rùn)土摻量時(shí)達(dá)到最小。從圖3(b)可以看出，在相同膨潤(rùn)土摻量的條件下，通過(guò)水工混凝土的電流值隨通電時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定并小幅減小。未摻膨潤(rùn)土組的電流值始終保持最高，變化幅度也最大，膨潤(rùn)土的摻入有效降低了電流值，并且隨膨潤(rùn)土摻量的升高通過(guò)混凝土的電流值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，3%膨潤(rùn)土組的電流值降幅最高。

在摻礦粉和粉煤灰的情況下再加入膨潤(rùn)土，摻加的復(fù)合礦物摻合料有利于減小試樣內(nèi)部孔隙率，再加入膨潤(rùn)土可以減小內(nèi)部較大孔徑的孔隙，進(jìn)一步降低了混凝土孔隙率。同時(shí)，膨潤(rùn)土有利于促進(jìn)離子交換，Mg2+離子可以取代膨潤(rùn)土結(jié)構(gòu)中的Al3+，促使復(fù)層間形成負(fù)電荷并對(duì)Cl-產(chǎn)生斥力，滲透阻力明顯增大，有效降低滲透速率[11]。但是內(nèi)部的孔隙數(shù)量有限，膨潤(rùn)土摻量繼續(xù)增加使得孔隙被填充飽和，而未參與反應(yīng)的多余膨潤(rùn)土?xí)蛎浻绊懰嗨?，從而增大了?nèi)部孔隙率，水工混凝土抗氯離子滲透性有所下降。

2）水膠比的影響。對(duì)0%、3%膨潤(rùn)土摻量且水膠比0.36基準(zhǔn)組，通過(guò)適當(dāng)增大或減小用水量把水膠比調(diào)整成0.30、0.40，控制拌合物坍落度處于180～220mm范圍內(nèi)，標(biāo)養(yǎng)28d后測(cè)試各組試樣的電通量和電流值，水工混凝土抗氯離子滲透性能受水膠比的影響如圖4所示。

圖4 不同水膠比的抗氯離子滲透性

從圖4(a)可以看出，在不改變拌合物和易性的情況下，水工混凝土的電通量隨著水膠比的減小而下降，基準(zhǔn)組的電通量均高于摻3%膨潤(rùn)土個(gè)水膠比組，電通量在水膠比0.30時(shí)達(dá)到最小。從圖4(b)可以看出，在相同水膠比的條件下，通過(guò)水工混凝土的電流值隨通電時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定并小幅減小。水膠比為0.4組的電流值始終保持最高，通過(guò)試樣的電流值隨水膠比的減小明顯下降，并且隨著水膠比和電流值的減小，基準(zhǔn)組的最終電流值均高于摻3%膨潤(rùn)土各水膠比組，摻3%膨潤(rùn)土水膠比0.30組的電流值最小。

水工混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)受水膠比的影響顯著，水膠比越小則水化越徹底，內(nèi)部孔隙越小，水工混凝土密實(shí)度就越高。減小水膠比有利于堵塞結(jié)構(gòu)內(nèi)部通道，抑制氯離子的傳輸，從而增強(qiáng)抗氯離子滲透阻力；增大水膠比，在硬化過(guò)程中會(huì)增加內(nèi)部的大孔數(shù)量，加速氯離子的擴(kuò)散，從而使得抗氯離子滲透性有所下降[12]。

2.3 氣體滲透與氯離子滲透的相關(guān)性

水工混凝土抗氯離子滲透性和抗氣體滲透性之間的相關(guān)性，如圖5所示。由圖5可知，電通量與氣體滲透系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)R2為0.9615，電通量與氣體滲透深度之間的相關(guān)系數(shù)R2為0.7825，且電通量與氣體滲透系數(shù)的相關(guān)性大于與氣體滲透系數(shù)。根據(jù)R2＞0.90呈顯著相關(guān)，0.50＜R2≤0.90呈中度相關(guān)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電通量與氣體滲透系數(shù)呈顯著正相關(guān)，電通量與滲透深度呈中度正相關(guān)。氯離子滲透和氣體滲透之間的相關(guān)性良好，電通量隨滲透深度和滲透系數(shù)的減小呈下降趨勢(shì)。水工混凝土的內(nèi)部孔隙越少，結(jié)構(gòu)越密實(shí)，則滲透到內(nèi)部的氯離子和氣體就越少，相應(yīng)的電通量和氣體滲透系數(shù)也就越小。膨潤(rùn)土摻量為7%，基準(zhǔn)組的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均低于試驗(yàn)組，而基準(zhǔn)組的電通量高于試驗(yàn)組，究其原因是礦物摻合料的加入具有吸附氯離子的能力，從而降低了游離氯離子量，但電通量與氣體滲透系數(shù)呈顯著相關(guān)性且氯離子滲透和氣體滲透趨勢(shì)大致相同[13]。

圖5 抗氯離子滲透與抗氣體滲透的相關(guān)性

2.4 微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析

采用膨潤(rùn)土等量替代基準(zhǔn)配合比中1%、3%、5%、7%的水泥，經(jīng)水化28d后利用掃描電鏡觀(guān)察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，未摻膨潤(rùn)土組存在大量相互搭接的纖維狀水化硅酸鈣凝膠，內(nèi)部孔隙較多；摻3%膨潤(rùn)土?xí)r，內(nèi)部孔隙明顯減少，這是由于膨潤(rùn)土吸水膨脹后堵塞內(nèi)部孔隙，混凝土孔隙率明顯下降；摻7%膨潤(rùn)土?xí)r，部分纖維狀結(jié)晶相互分散且被包裹，這是因?yàn)檫^(guò)多的膨潤(rùn)土吸附了大量水分，阻礙了水泥水化，使得內(nèi)部C-S-H凝膠量減少，結(jié)構(gòu)密實(shí)度以及C-S-H的搭接程度下降，水工混凝土抗氯離子滲透性和抗氣體滲透性變差。由于膨潤(rùn)土的離子交換性能及其對(duì)水化產(chǎn)物的包裹作用可以有效地延緩氯離子擴(kuò)散，相較于抗氣體滲透性其抗氯離子滲透性更優(yōu)。

3 結(jié) 論

1）水工混凝土的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均隨著膨潤(rùn)土摻量的增加表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，氣體滲透深度和滲透系數(shù)最低組是摻3%膨潤(rùn)土組。水工混凝土的氣體滲透深度和滲透系數(shù)均隨著水膠比的減小而下降。

2）基準(zhǔn)組的電流值和電通量高于摻膨潤(rùn)土試驗(yàn)組，其中摻3%膨潤(rùn)土組的電流值和電通量最低，適當(dāng)減小水膠比有利于增強(qiáng)抗氯離子滲透性。

3）水工混凝土的電通量與氣體滲透系數(shù)呈顯著正相關(guān)性，摻入適量的膨潤(rùn)土可在一定程度上降低水工混凝土孔隙。