水工混凝土摻礦物摻合料的抗氯離子滲透性研究

魏龍男

(盤(pán)錦市城鄉(xiāng)建設(shè)事業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 盤(pán)錦 124000)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受氯離子侵蝕、碳化等環(huán)境條件作用表現(xiàn)出非常突出的耐久性問(wèn)題，其主要是鋼筋鈍化膜因氯離子侵蝕發(fā)生破壞而引起的銹蝕，鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能發(fā)生改變，加之銹蝕后鋼筋體積產(chǎn)生膨脹，并進(jìn)一步導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，特別是在沿海地區(qū)這種情況更加嚴(yán)重[1-3]。沿岸和海底鋼筋混凝土管道、跨海大橋、石油平臺(tái)、海港碼頭等大量鋼筋混凝土構(gòu)筑物，大多由于氯離子侵蝕引起鋼筋銹蝕而導(dǎo)致破壞和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-6]。因此，研究水工混凝土侵蝕破壞機(jī)理以及增強(qiáng)其抗氯離子侵蝕性能是極其必要的。鑒于此，本試驗(yàn)利用粉煤灰和石粉兩種摻合料，從抗氯離子侵蝕性能上的角度探討了摻合料的增強(qiáng)作用，旨在為再生利用礦物摻合料提供一定數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)試驗(yàn)研究水工混凝土抗氯離子侵蝕性能，探討了相同荷載作用下不同摻合料混凝土的氯離子侵蝕機(jī)理以及摻合料摻量與抗氯離子侵蝕之間的關(guān)系，并結(jié)合氯離子傳輸機(jī)理確定最優(yōu)配合比，以期為水工結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1.2 原材料準(zhǔn)備

水泥選用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；花崗巖石粉細(xì)度有0-80μm和0-150μm兩種，摻量設(shè)計(jì)10%、20%。、30%三種；粉煤灰選用火電廠生產(chǎn)Ⅱ級(jí)灰，細(xì)度16.1%，摻量設(shè)計(jì)10%、20%。、30%三種；試驗(yàn)用砂為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.5；粗骨料為連續(xù)級(jí)配碎石，粒徑5-25mm；減水劑選用聚羧酸高效減水劑，摻量取礦物摻合料和水泥總量的0.5%。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)砂率為42%、水膠比為0.45的16組配合比，每組配制3個(gè)混凝土試件，其尺寸大小φ100mm×50mm，混凝土配合比設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。其中，J、S、H代表基準(zhǔn)配合比、花崗巖石粉和粉煤灰；S1-80中的1、80分別代表石粉的摻量10%和細(xì)度0-80μm；F1代表粉煤灰的摻量10%；H2-80中的2、80代表粉煤灰與花崗巖石粉的總摻量20%和石粉細(xì)度0-80μm，雙摻質(zhì)量比為1∶1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì) km/m3

1.4 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)利用RCM法測(cè)試氯離子擴(kuò)散系數(shù)，試件外部的氯離子在外加電場(chǎng)作用下加速向內(nèi)部遷移，氯離子侵蝕試驗(yàn)裝置，見(jiàn)圖1。

圖1 氯離子侵蝕試驗(yàn)裝置

1.5 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

通電一段時(shí)間后沿軸向?qū)⒃嚰_(kāi)，然后將硝酸銀溶液噴在新劈開(kāi)的斷面上，硝酸銀與滲入試件內(nèi)部的氯離子反應(yīng)生成白色沉淀，由此可以測(cè)量出滲透深度并確定氯離子擴(kuò)散系數(shù)DRCM(m2/s)，一般以經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定：

(1)

一般地，各組試件的試驗(yàn)測(cè)定值取該組3個(gè)試件的平均值，若中值與任一測(cè)量值的差值>15%則取中值，若中值與任兩個(gè)測(cè)量值的差值>15%則認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)效。

2 結(jié)果與分析

2.1 單摻粉煤灰

單摻粉煤灰氯離子擴(kuò)散系數(shù)，見(jiàn)表2；歸納分析各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成不同摻量下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)圖，單摻粉煤灰氯離子擴(kuò)散系數(shù)，見(jiàn)圖2。

圖2 單摻粉煤灰氯離子擴(kuò)散系數(shù)圖

表2 單摻粉煤灰氯離子擴(kuò)散系數(shù)

結(jié)果表明，單摻10%、20%、30%粉煤灰組的DRCM值均小于基準(zhǔn)組，其中單摻20%粉煤灰的DRCM值最小?；炷涟韬铣跗?，水泥顆粒可以組成相互連接的絮狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部含有部分水分使得拌合物成為非均質(zhì)化合物，并對(duì)混凝土工作性造成一定影響。粉煤灰摻入后會(huì)斷開(kāi)水泥顆粒間的連接，使絮狀物被分散并釋放出更多的水分，具有親水性的粉煤灰顆粒會(huì)吸附釋放出的水分，從而減少泌水量。若泌水量過(guò)大混凝土極易產(chǎn)生分層離析，內(nèi)部產(chǎn)生微觀孔道導(dǎo)致混凝土抗?jié)B性下降，為氯離子侵蝕滲入提供條件[7]。因此，粉煤灰摻入后會(huì)增大水泥漿體的硬化致密性，減少多雨自由水分的移動(dòng)，降低混凝土泌水性以及增強(qiáng)其抗氯離子侵蝕性。

混凝土內(nèi)部孔隙被粉煤灰的微集料效應(yīng)堵塞，從而降低了混凝土孔隙率和密實(shí)度，改善了微觀孔結(jié)構(gòu)，抗氯離子滲透性明顯增強(qiáng)。一定摻量的粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)生成更多額水化鋁酸鈣、硅酸鈣等膠凝物質(zhì)，有效改善了內(nèi)部密實(shí)性，水化鋁酸鈣作為氯離子化學(xué)固化的主要物質(zhì)可以降低了混凝土中游離氯離子含量，使得氯離子滲透混凝土的作用大大減弱[8]。

因此，試驗(yàn)組較基準(zhǔn)組氯離子擴(kuò)散系數(shù)較小的關(guān)鍵原因在于粉煤灰的化學(xué)和物理活性。讓入，質(zhì)量相同條件下粉煤灰體積高于水泥約30%，粉煤灰替代水泥摻量較高時(shí)，降低了水泥漿體的包裹效應(yīng)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部密實(shí)性和抗氯離子侵害性能也下降，氯離子擴(kuò)散系數(shù)增加。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，10%和20%摻量時(shí)，隨粉煤灰摻量增加氯離子擴(kuò)散系數(shù)均逐漸減小，而30%摻量時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)不降反增。單摻花崗巖石粉氯離子擴(kuò)散系數(shù)，見(jiàn)表3。

2.2 單摻花崗巖石粉

混凝土單摻花崗巖石粉的氯離子擴(kuò)散系數(shù)如表3，歸納分析各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成不同摻量的DRCM值變化趨勢(shì)圖，單摻花崗巖石粉氯離子擴(kuò)散系數(shù)圖，見(jiàn)圖3。

圖3 單摻花崗巖石粉氯離子擴(kuò)散系數(shù)圖

表3 單摻花崗巖石粉氯離子擴(kuò)散系數(shù)

結(jié)果表明，單摻石粉試件的DRCM值均隨著摻量的增加而增大；相同摻量情況下，混凝土摻花崗巖石粉細(xì)度越小則其抗氯離子侵蝕性越優(yōu)，如細(xì)度0-80μm組的DRCM值均小于相同摻量下的細(xì)度0-150μm組的測(cè)試值。研究認(rèn)為[9-10]，混凝土中滲入的氯離子存在形式主要有3種：①化學(xué)吸附，外界滲入的氯離子與內(nèi)部的氯酸鹽反應(yīng)生成3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O(單氯水化鋁酸鈣)；②物理吸附，膠凝材料水化產(chǎn)物中未參與化學(xué)反應(yīng)而被吸附進(jìn)去的氯離子，并且處于不可逆吸附；③自由離子，在混凝土中以毛細(xì)作用、滲透、擴(kuò)散等形式遷移。氯離子對(duì)混凝土的物理與化學(xué)吸附稱為固化作用，但內(nèi)部存在的自由遷移的氯離子是混凝土侵蝕破壞的主要原因。

摻量較低情況下，花崗巖石粉對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙發(fā)揮著填充作用，有利于提高混凝土的密實(shí)性、抗?jié)B性以及降低內(nèi)部孔隙率，因此摻量較低時(shí)單摻花崗巖石粉的氯離子擴(kuò)散系數(shù)值低于基準(zhǔn)組。混凝土凝膠材料隨石粉摻量的增加逐漸減少，從而降低了混凝土固化氯離子的作用，石粉摻量越高則固化作用減弱越顯著，在外界侵蝕溶液濃度相同情況下，隨石粉摻量的增加內(nèi)部游離自由氯離子數(shù)增多[11]，石粉摻量為30%時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)較基準(zhǔn)組高。

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用花崗巖石粉替代膠凝材料摻入混凝土中時(shí)，細(xì)度較小(0-80μm)的石粉比細(xì)度較大(0-150μm)石粉的抗氯離子性能更好，但整體相差不明顯。根據(jù)孔徑20-50nm、50-200nm、>200mm依次為少害孔、有害孔、多害孔的等級(jí)劃分原則，花崗巖石粉的細(xì)度越小則對(duì)混凝土內(nèi)部多害孔、有害孔、少害孔的填充效果越優(yōu)，所以混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)在摻0-80μm石粉組整體偏低。

2.3 雙摻粉煤灰與石粉

按質(zhì)量1∶1和摻量20%、30%、40%雙摻粉煤灰與花崗巖石粉替代水泥，雙摻粉煤灰與石粉的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，見(jiàn)表4，歸納分析各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成不同摻量下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)圖，雙摻粉煤灰與石粉的氯離子擴(kuò)散系數(shù)圖，見(jiàn)圖4。

圖4 雙摻粉煤灰與石粉的氯離子擴(kuò)散系數(shù)圖

表4 雙摻粉煤灰與石粉的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

結(jié)果顯示，雙摻0-80μm花崗巖石粉與粉煤灰時(shí)，粉煤灰占主導(dǎo)地位影響試樣抗氯離子侵蝕性；雙摻0-150μm花崗巖石粉與粉煤灰時(shí)，花崗巖石粉占主導(dǎo)地位影響試樣抗氯離子侵蝕性。總體而言，雙摻量不超過(guò)40%情況下均有利于提高抗氯離子侵蝕性能。

花崗巖石粉質(zhì)量相同時(shí)，細(xì)度小的石粉具有更大的比表面積，其與水泥漿體的接觸范圍也更大，有利于促進(jìn)水化產(chǎn)物與粉煤灰的二次反應(yīng)以及水泥的水化反應(yīng)，從而較早地體現(xiàn)粉煤灰影響抗氯離子侵蝕性的效應(yīng)，這是保持其他條件不變而花崗巖石粉細(xì)度不同造成氯離子擴(kuò)散系數(shù)變化的根本原因[12-17]。

3 結(jié) 論

1)單摻粉煤灰或花崗巖石粉以及兩者雙摻的水工混凝土，控制摻量處于一定范圍時(shí)均能夠在不同程度上降低氯離子擴(kuò)散系數(shù)，即增強(qiáng)混凝土的抗氯離子侵蝕性，并表現(xiàn)出規(guī)律性。雙摻粉煤灰和花崗巖石粉具有疊加效應(yīng)，即雙摻較單摻更能改善混凝土抗氯離子侵蝕性，其中雙摻30%時(shí)具有更加顯著的效果。

2)研究表明，水工混凝土中摻入粉煤灰和花崗巖石粉時(shí)，其抗氯離子侵蝕性能夠得到明顯提升，研究成果可為水工混凝土配合比設(shè)計(jì)以及礦物摻合料選用提供一定參考。