玻璃粉對(duì)摻礦粉和摻粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性的影響

金 霞

(武漢城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010)

氯離子可經(jīng)多途徑侵入混凝土造成鋼筋銹蝕，例如在橋梁混凝土中運(yùn)用冰鹽，極有可能造成鋼筋鈍化膜受損與保護(hù)層混凝土裂縫情況，在各港口、海工等工程項(xiàng)目中，經(jīng)擴(kuò)散、滲透過(guò)程氯離子會(huì)進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)中，造成上述問(wèn)題。所以如何提高混凝土抗氯離子滲透性，始終作為工程領(lǐng)域重視的熱門話題，礦粉(GGBS)與粉煤灰(FA)作為常見混凝土摻合料，目前研究界已經(jīng)對(duì)此材料的抗氧離子滲透性展開大量研究，因?yàn)榕c粉煤灰相比之下，礦粉有著更大活性，所以摻礦粉混凝土在早期抗氯離子滲透性就要優(yōu)于摻粉煤灰混凝土。從反應(yīng)機(jī)理層面，不管是摻礦粉還是摻粉煤灰，這種活性摻合料均經(jīng)混凝土內(nèi)堿性成分和摻和料活性成分發(fā)生二次水化所起的作用。所以混凝土內(nèi)氫氧化鈣與堿金屬離子構(gòu)成堿性環(huán)境，會(huì)影響水化反應(yīng)形成的產(chǎn)物與微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)混凝土的抗?jié)B透性能造成影響。玻璃粉作為無(wú)定型硅酸鹽物質(zhì)，近年來(lái)用于混凝土中得到大量研究，現(xiàn)有文獻(xiàn)表示玻璃粉可以經(jīng)二次水化發(fā)揮與常規(guī)摻合料相似的作用。其中氧化鈉高達(dá)13%，二次水化改變了混凝土孔溶液的組成，所以有希望能夠發(fā)揮堿激發(fā)作用，對(duì)混凝土性能產(chǎn)生特殊作用。目前這方面研究較少，玻璃粉對(duì)不同摻合料混凝土體系影響的研究也較少，所以本文將展開玻璃粉對(duì)摻礦粉與摻粉煤灰混凝土的抗氯離子滲透性影響研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

(1)本實(shí)驗(yàn)所用玻璃粉原材料包括石英砂、長(zhǎng)石、石灰石、純堿，經(jīng)高溫1 550～1 600 ℃熔融、成型、冷卻、固化所形成的微觀無(wú)規(guī)則結(jié)果，作為非靜態(tài)固體，主要化學(xué)成分為SiO、AlO、CaO、FeO、NaO，含有少量KO、MgO、SO、TiO；

(2)本實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰的物理性能，細(xì)度13%、流動(dòng)度140 mm、堆積密度912 kg/m，將粉煤灰摻入混凝土中能夠有效節(jié)約水泥用量，減少用水量和水化熱，進(jìn)而改善混凝土和易性；所以粉煤灰作為優(yōu)質(zhì)水泥混合材料，主要化學(xué)組成：SiO、AlO、FeO、CaO、KO、TiO；

(3)本實(shí)驗(yàn)所用摻礦粉能夠起到活性效應(yīng)，對(duì)混凝土早期強(qiáng)度有一定貢獻(xiàn)，主要化學(xué)組成：CaO、AlO、SiO、MgO、FeO、TiO、KO、SO、NaO；

(4)本實(shí)驗(yàn)所用水泥為某牌普通硅酸鹽水泥，細(xì)度為380 m/kg；初凝時(shí)間為115 min，終凝時(shí)間為155 min；3、28 d抗壓強(qiáng)度分別為34.0、59.6 MPa；3、28 d抗折強(qiáng)度分別為6.3、9.2 MPa；

(5)本實(shí)驗(yàn)所用碎石均為5～25 mm連續(xù)粒級(jí)，26.5 mm為最大粒徑，級(jí)配與標(biāo)準(zhǔn)要求相符，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定作為低堿活性集料；

(6)本實(shí)驗(yàn)所用減水劑符合高性能減水劑標(biāo)準(zhǔn)型指標(biāo)，減水率31%、泌水率11%、含氣量4.8%；初凝時(shí)間差20 min，終凝時(shí)間差35 min；28 d收縮率101%、氯離子含量0.015%，pH值5.81。

1.2 實(shí)驗(yàn)混凝土配合比

本次實(shí)驗(yàn)選用C60強(qiáng)度混凝土展開RCPT、RCM試驗(yàn)，制備150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，制樣24 h后將混凝土試塊脫模后，在20 ℃室溫、相對(duì)濕度大于95%養(yǎng)護(hù)室環(huán)境中養(yǎng)護(hù)成型，直至指定齡期可以運(yùn)用混凝土取芯機(jī)進(jìn)行取芯，獲得直徑100 mm的圓柱體；運(yùn)用切割切除混凝土圓柱體浮漿層、沉積層，可以獲得直徑100 mm、高度50 mm的2個(gè)樣品試塊。制備用于抗壓強(qiáng)度、孔隙率測(cè)試的100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方體試塊，進(jìn)行與上面所述等同的脫模、養(yǎng)護(hù)操作。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

(1)配置3種：0.39、0.49、0.66水膠比混凝土，對(duì)比分析試驗(yàn)不同水膠比條件下，所加入摻合料不同取代率對(duì)混凝土抗氯離子滲透性、孔隙結(jié)構(gòu)的影響；

(2)在2種水膠比0.39、0.66試驗(yàn)條件下，設(shè)計(jì)10%、20%、30%取代率，設(shè)計(jì)對(duì)比組；在0.49水膠比時(shí)，設(shè)計(jì)40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%取代率。為了對(duì)不同取代率梯度條件下，所加入不同摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能和抗氯離子滲透性、孔隙結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析，找出可行的摻合料最佳取代率與優(yōu)化取代范圍；

(3)在100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方體試塊進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，共62組，每組3塊。并運(yùn)用NEL法對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，保證與NEL測(cè)試儀的應(yīng)用規(guī)格相符，共58組，每組3塊；

(4)設(shè)計(jì)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)比60 d養(yǎng)護(hù)，研究不同齡期下的實(shí)驗(yàn)變化。本次實(shí)驗(yàn)中W表示玻璃粉；M表示煤矸石粉；F表示粉煤灰；K表示礦粉；D表示齡期。

1.4 計(jì)算方法

(1)本次計(jì)算抗氯離子滲透性的計(jì)算公式：

(1)

式中：混凝土非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)用表示；施加電壓絕對(duì)值用表示；陽(yáng)極溶液初始溫度和終止溫度均值用表示；試塊厚度用表示；氯離子滲透深度計(jì)算均值用表示；實(shí)驗(yàn)用時(shí)用表示。

(2)本次實(shí)驗(yàn)計(jì)算總孔隙率公式：

(2)

式中：總孔隙率用表示；飽水之后試塊質(zhì)量用表示；烘干之后試塊質(zhì)量用表示。

2 結(jié)果及討論

2.1 不同取代率玻璃粉試驗(yàn)結(jié)果

不同取代率玻璃粉試驗(yàn)結(jié)果，具體如表1所示。

由表1可以看出，本設(shè)計(jì)在其他條件不變?nèi)〈矢淖儠r(shí)，對(duì)比對(duì)照組和玻璃分壓泵試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)玻璃粉會(huì)對(duì)同齡期混凝土的孔結(jié)構(gòu)造成差異化影響，玻璃粉的等質(zhì)量水泥取代率和混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)各指標(biāo)之間呈正相關(guān)，隨之增加而增加且明顯大于對(duì)照組結(jié)果。雖然玻璃粉的摻入量不斷增加，但在30%摻量條件下，摻玻璃粉混凝土的上述試驗(yàn)指標(biāo)均小于對(duì)照組，證明孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與微小孔的含量均高于水泥對(duì)照組。

表1 不同取代率玻璃粉試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Test results of glass powder with different substitution rates

2.2 不同齡期玻璃粉試驗(yàn)結(jié)果

不同齡期玻璃粉試驗(yàn)結(jié)果，具體如表2所示。

由表2可以看出，在水膠比為0.49條件下，摻玻璃粉在28、60 d對(duì)比水泥對(duì)照組，發(fā)現(xiàn)玻璃粉混凝土的各指標(biāo)與齡期密切相關(guān)，與水泥對(duì)照組相較明顯更大；隨著齡期逐漸延長(zhǎng)，摻玻璃粉混凝土孔徑明顯細(xì)化，有害孔數(shù)量減少，無(wú)害孔數(shù)量增加，混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。

表2 不同齡期摻玻璃粉試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Test results of mixing glass powder at different ages

2.3 不同礦物摻合料試驗(yàn)結(jié)果

不同礦物摻合料試驗(yàn)結(jié)果，具體如表3所示。

表3 不同礦物摻合料試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Test results of different mineral admixtures

由表3可以看出，摻玻璃粉和摻礦粉各指標(biāo)與水泥對(duì)照組相較明顯要?。粨椒勖夯液蛽降V粉與水泥對(duì)照組相較略大。所以對(duì)比證明摻玻璃粉、摻礦粉這2類混凝土，可以有效改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，細(xì)化混凝土的內(nèi)部孔隙，減少混凝土內(nèi)有害孔對(duì)整體性能造成的影響，相比之下?lián)讲ＡХ刍炷恋男阅芨纳菩Ч顬轱@著。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，摻玻璃粉混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，與水泥對(duì)照組和摻煤矸石粉、摻粉煤灰、摻礦粉混凝土相較結(jié)構(gòu)更加密集，基本接近于水泥對(duì)照組。這證明了摻玻璃粉能夠有效改變混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度，減少有害孔，增加微小無(wú)害孔。發(fā)生這類反應(yīng)的原因在于，經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)，摻玻璃粉特征峰值，較水泥對(duì)照組混凝土更高。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的逐漸增加，經(jīng)60 d養(yǎng)護(hù)，摻玻璃粉的特征衍射峰值則低于水泥對(duì)照組，這是因?yàn)閾讲ＡЩ炷涟l(fā)生玻璃粉水化反應(yīng)需要不斷消耗，隨著時(shí)間的增加，水化產(chǎn)物隨之增多，所以摻玻璃粉混凝土在早期強(qiáng)度較低；但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)后期強(qiáng)度則會(huì)不斷增加。在延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期過(guò)程中，更徹底地反應(yīng)摻玻璃粉活性與二次水化反應(yīng)，填充水分蒸發(fā)孔和不完全水化反應(yīng)后留下的孔，從而增加結(jié)構(gòu)密實(shí)度，提高混凝土的抗氯離子滲透性。

2.4 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖1、圖2可以看出，在高水膠比0.66混凝土抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律中，30%摻粉煤灰取代率，28 d與60 d強(qiáng)度和摻煤矸石粉等質(zhì)量取代10%水泥情況下，28 d混凝土強(qiáng)度較水泥對(duì)照組明顯大；剩余摻合料的取代率相應(yīng)強(qiáng)度，與水泥對(duì)照組相較明顯小。水泥對(duì)照組在60 d混凝土強(qiáng)度與28 d相較達(dá)到12.4%增長(zhǎng)率；摻玻璃粉等質(zhì)量水泥取代率在10%、20%、30%時(shí)，60 d混凝土強(qiáng)度與28 d相較達(dá)到20.3%、23.8%、19.7%，摻煤矸石粉等質(zhì)量水泥取代率在20%、30%條件下，60 d混凝土強(qiáng)度與28 d混凝土強(qiáng)度達(dá)到23.6%、16%增長(zhǎng)率，與水泥對(duì)照組相較明顯更大。摻粉煤灰、摻礦粉等質(zhì)量取代水泥取代率為10%、20%、30%情況下，60 d對(duì)28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)率較水泥基準(zhǔn)組明顯較小，所以與基準(zhǔn)水泥組相較，摻玻璃粉的混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率，明顯高于摻粉煤灰和摻礦粉。

圖1 水膠比0.66時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度值Fig.1 28 d compressive strength at water-binder ratio 0.66

圖2 水膠比0.66時(shí)60 d抗壓強(qiáng)度值Fig.2 60 d compressive strength at water-binder ratio 0.66

2.5 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

在混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，當(dāng)水膠比為0.66時(shí)，發(fā)現(xiàn)在28 d摻煤矸石粉10%水泥取代率條件下，能夠達(dá)到最高的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，與水泥對(duì)照組相較明顯超出；在60 d煤矸石粉為10%、20%水泥取代率條件下，劈裂抗拉強(qiáng)度與水泥對(duì)照組相較明顯高，在強(qiáng)度增長(zhǎng)率方面，摻玻璃粉的表現(xiàn)更為突出，摻玻璃粉設(shè)計(jì)10%、20%、30%不同取代率，摻煤矸石粉為30%取代率，摻礦粉10%、30%取代率下，與水泥對(duì)照組相較均超出。

在水膠比為0.49條件下，對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在30%水泥取代率條件下，劈裂抗拉強(qiáng)度較礦渣粉取代率明顯大；20%、10%長(zhǎng)粉煤灰劈裂抗拉強(qiáng)度，較水泥基準(zhǔn)組抗拉強(qiáng)度明顯更大；在60 d礦渣粉10%取代率條件下，劈裂抗拉強(qiáng)度較20%摻粉煤灰取代率明顯更大；30%礦渣粉取代率和水泥基準(zhǔn)組劈裂抗拉強(qiáng)度值更大。

在水膠比為0.39條件下，發(fā)現(xiàn)60 d養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)摻玻璃粉的取代率劈裂抗拉強(qiáng)度較摻煤矸石粉明顯更大，呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)；在40%以內(nèi)摻量下，劈裂抗拉強(qiáng)度值呈平穩(wěn)變化，與基準(zhǔn)劈裂抗拉強(qiáng)度值基本接近。在超出40%摻量后，開始呈現(xiàn)迅速降低抗拉強(qiáng)度的情況；而在100%取代率情況下抗拉強(qiáng)度已經(jīng)基本為0。結(jié)果表明，無(wú)論是摻玻璃粉、摻礦粉、摻粉煤灰的水泥取代率均要在40%以內(nèi)，才能夠有效改善混凝土力學(xué)性能，提高抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能，展開玻璃粉、礦粉、粉煤灰對(duì)比試驗(yàn)，獲得混凝土抗氯離子擴(kuò)散系數(shù)，根據(jù)總孔隙率、比孔容、最可幾孔徑有關(guān)參數(shù)，研究抗氯離子滲透性。

(1)玻璃粉、粉煤灰、礦渣粉、煤矸石粉，均有良好火山灰活性，摻入這些優(yōu)質(zhì)礦物摻合料，能夠有效降低混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)增強(qiáng)滲透性；

(2)在30%取代率時(shí)，抗氯離子滲透性最優(yōu)；取代率在40%以內(nèi)，這幾類礦物摻合料等質(zhì)量取代水泥混凝土，所得抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度與水膠比密切相關(guān)；表明其具有可行性，能夠優(yōu)化混凝土力學(xué)性能。