粗骨料對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響研究

王 祥,范 宏,楊海川,萬小梅,王洪全,牛寶樂

(青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,青島 266525)

氯離子對(duì)混凝土侵蝕的研究大多數(shù)忽略了粗骨料的影響,并且只采用一種試驗(yàn)方法,這就導(dǎo)致試驗(yàn)方法本身的缺點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響。工程中常用的混凝土粗骨料體積分?jǐn)?shù)為20%～70%,最大粒徑為20～40 mm,改變粗骨料體積分?jǐn)?shù)或最大粒徑必會(huì)引起混凝土孔隙率及孔隙分布變化,從而引起混凝土抗氯離子滲透性變化[1]。目前,國內(nèi)外常用的氯離子滲透性測(cè)試方法有很多,其中發(fā)展最快的是電化學(xué)測(cè)試方法,其代表性的方法有電通量法、RCM法、交流電測(cè)量法等[2-6]。電通量法具有速度快、方便等優(yōu)點(diǎn),但在長(zhǎng)期電流的作用下容易發(fā)生極化反應(yīng)和溶液升溫,測(cè)試數(shù)據(jù)容易受到干擾;RCM法能真實(shí)反映混凝土中氯離子的遷移過程,但與其他電測(cè)方法相比,測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng),忽略了對(duì)流的影響,測(cè)試結(jié)果容易受到人為干擾[7-8];交流電測(cè)量法的最大優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)了ASTM C1202方法,解決了在長(zhǎng)期直流電流作用下容易發(fā)生極化反應(yīng)和溶液溫升,使測(cè)試數(shù)據(jù)受到干擾的問題[9],但在具體使用電阻率測(cè)量裝置的過程中,試驗(yàn)槽的密封效果、導(dǎo)體、試驗(yàn)結(jié)構(gòu)之間的連接等裝置細(xì)節(jié)對(duì)測(cè)試結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性具有潛在影響。為了既可以有效地對(duì)氯離子的滲透性做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià),又可以減少測(cè)試時(shí)間、極化反應(yīng)、裝置細(xì)節(jié)等因素的影響,本文以交流電測(cè)量法(采用優(yōu)化的試驗(yàn)裝置)為主,以國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的RCM法、電通量法為輔,研究不同粗骨料體積分?jǐn)?shù)及粗骨料最大粒徑對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料和試件的制備

1.1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥;細(xì)骨料采用最大粒徑為5 mm的河砂;粗骨料選用表觀密度為2610 kg/m3的花崗巖;試驗(yàn)用水為普通自來水。

1.1.2 試件配合比

為研究粗骨料體積分?jǐn)?shù)和粗骨料最大粒徑對(duì)混凝土滲透性的影響,本試驗(yàn)參照規(guī)范[10]采用連續(xù)級(jí)配粗骨料,由于骨料形狀對(duì)氯離子擴(kuò)散影響很小[11-12],形狀可隨機(jī)選取。試驗(yàn)配置了粗骨料體積分?jǐn)?shù)分別為0,10%,20%,30%,40%,50%,60%(編號(hào)為0—6)的7種混凝土。在相同的粗骨料體積分?jǐn)?shù)(50%)下,配置了最大粗骨料粒徑分別為16,20,25和31.5 mm(編號(hào)為A5,B5,C5和D5)4種混凝土,詳細(xì)配比見表1。

表1 混凝土配合比

1.1.3 試件的制備與養(yǎng)護(hù)

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),每個(gè)編號(hào)混凝土制作2種不同規(guī)格的試件,分別為φ100 mm×50 mm的圓柱體試件和邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試件。試件制備完成后,放置在室內(nèi)(溫度(20±5) ℃,相對(duì)濕度>50%)靜置1 d,然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.2 試驗(yàn)方法

本文以交流電測(cè)量法為主,以國家現(xiàn)行的RCM法和電通量法為輔,確保試驗(yàn)的可靠性。

1.2.1 交流電測(cè)量法

試驗(yàn)方法按照規(guī)范[13]相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,采用青島理工大學(xué)自主研發(fā)優(yōu)化的混凝土電阻率測(cè)試儀和試驗(yàn)槽(圖1),該電阻率測(cè)試裝置的優(yōu)化包括:①采用一種新的導(dǎo)線連接方式,即導(dǎo)線與測(cè)試儀端的連接方式不變,與銅板連接端的接頭采用純銅材質(zhì)的鱷魚夾直接夾在銅板上,不再使用接線柱;②試驗(yàn)槽上部中間增加了一個(gè)用于排氣的開孔;③密封方式采用雙面膠密封;④采用新型夾持固定裝置。

圖1 交流電測(cè)量法試驗(yàn)裝置的主體結(jié)構(gòu)原理示意1—混凝土電阻率測(cè)試儀(1000 Hz,1 V);2—導(dǎo)線;3—試驗(yàn)槽;4—銅網(wǎng)片;5—混凝土試件;6—3.0%NaCl溶液;7—注液孔

試件經(jīng)真空飽水處理后,測(cè)量其高度與直徑,結(jié)果精確到0.1 mm。然后以硅膠密封材料涂刷試件圓柱側(cè)面,試驗(yàn)前采用強(qiáng)力雙面膠帶密封試塊,用新型夾持固定裝置固定后,按上述規(guī)范進(jìn)行測(cè)試。

1.2.2 RCM試驗(yàn)

試驗(yàn)方法按照規(guī)范[14]中7.1節(jié)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

1.2.3 電通量試驗(yàn)

試驗(yàn)方法按照規(guī)范[14]中7.2節(jié)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2 粗骨料對(duì)抗氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果的影響

2.1 粗骨料體積分?jǐn)?shù)對(duì)抗氯離子滲透性的影響

對(duì)齡期為28 d的試件進(jìn)行測(cè)試,得到不同粗骨料體積分?jǐn)?shù)試件的電阻率(圖2)、氯離子擴(kuò)散系數(shù)(圖3)、電通量(圖4)。

從上述3種試驗(yàn)結(jié)果(圖2—4)均可看出,當(dāng)粗骨料體積分?jǐn)?shù)從0逐漸增加到60%時(shí),混凝土的抗氯離子滲透能力增強(qiáng),與其他學(xué)者的研究規(guī)律[15-16]相吻合。從粗骨料對(duì)氯離子在混凝土中擴(kuò)散的影響來看,一方面粗骨料本身具有很大的密度,會(huì)極大地阻礙氯離子在其內(nèi)部的傳遞,因此可以認(rèn)為氯離子不會(huì)在粗骨料內(nèi)部擴(kuò)散[17];另一方面氯離子傳輸主要依賴于水泥砂漿,隨著粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增加,混凝土中水泥砂漿的相對(duì)含量會(huì)降低,氯離子的傳輸距離增加,從而混凝土的抗?jié)B透阻力增加。

2.2 粗骨料最大粒徑對(duì)抗氯離子滲透性的影響

對(duì)齡期為28 d的試塊進(jìn)行測(cè)試,得到不同粗骨料最大粒徑試件的電阻率(圖5)、氯離子擴(kuò)散系數(shù)(圖6)、電通量(圖7)。

從理論上講,骨料粒徑的增大會(huì)減少界面過渡區(qū)的數(shù)量,限制氯離子在混凝土中的遷移,使抗氯離子滲透性提高。但由上述3種試驗(yàn)結(jié)果(圖5—7)可以看出,隨著骨料粒徑的增大,試件的氯離子滲透阻力先增大,當(dāng)最大骨料粒徑超過25 mm后再減小。出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的原因可能為:試件高度為50 mm,而骨料最大粒徑為31.5 mm,此時(shí)的邊壁效應(yīng)愈加明顯,因?yàn)樵谠嚰駬v過程中,大粒徑骨料受重力影響快速沉到試件底部,且大粒徑骨料對(duì)其他小粒徑骨料的流動(dòng)有阻礙作用,使得試件內(nèi)骨料分布不均勻;同時(shí),大粒徑骨料占比的增加,導(dǎo)致骨料數(shù)量減少,相鄰骨料的間距增大,而氯離子是通過砂漿傳遞的,因此試件的氯離子滲透性增加。并且根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)[14]第7.1.4條的要求,RCM法和電通量法對(duì)粗骨料最大粒徑的要求也適用于交流電測(cè)量法。

2.3 不同測(cè)試方法的相關(guān)性分析

為了便于建立交流電測(cè)量法與RCM法和電通量法試驗(yàn)結(jié)果的線性關(guān)系,將測(cè)得的電阻率轉(zhuǎn)化為電導(dǎo)率后與氯離子擴(kuò)散系數(shù)和電通量匯總成表2,線性擬合采用最小二乘法,得到氯離子擴(kuò)散系數(shù)與電通量隨電導(dǎo)率變化的線性模型(圖8)。

表2 3種試驗(yàn)結(jié)果匯總

由圖8可以看出,交流電測(cè)量法與RCM法和電通量法有很好的相關(guān)性,R2分別為0.8392,0.93427。因此,RCM法和電通量法對(duì)最大骨料粒徑的要求也適用于交流電測(cè)量法。交流電測(cè)量法的滲透性評(píng)價(jià)中有20%比電通量法的高,80%相一致。因此交流電測(cè)量法(采用優(yōu)化的裝置)的滲透性評(píng)價(jià)較電通量法更加嚴(yán)格,并且在測(cè)試過程中更加簡(jiǎn)單高效。

2.4 粗骨料最大粒徑對(duì)邊界效應(yīng)的影響

由前文可知,在粗骨料最大粒徑為25 mm時(shí),混凝土抗氯離子滲透性出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折,原因還可能為骨料對(duì)邊界效應(yīng)層厚度產(chǎn)生影響,因?yàn)榛炷翝仓尚秃笠欢〞?huì)存在混凝土-模板等兩相界面,界面處骨料分布不均導(dǎo)致邊界效應(yīng)層結(jié)構(gòu)不均,主要體現(xiàn)在該層的漿體變多[17],而氯離子主要通過砂漿傳輸,邊界效應(yīng)層的厚度對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響不容忽視[16],為方便研究,采用100 mm×100 mm×100 mm的試塊,具體為通過測(cè)量不同粗骨料最大粒徑下的混凝土截面骨料分布情況來研究最大粒徑的邊界效應(yīng)的影響。利用打磨機(jī)對(duì)試塊以1 mm的間距從待測(cè)面進(jìn)行逐層打磨并拍照,利用MATLAB軟件對(duì)圖片進(jìn)行處理,獲得二值圖像,然后統(tǒng)計(jì)分析區(qū)域內(nèi)骨料面積分?jǐn)?shù)(不能將試塊的整體截面作為分析區(qū)域),具體分析區(qū)域如圖9陰影部分,陰影區(qū)域距離各邊25 mm[18-19]。

圖9 分析區(qū)域

試驗(yàn)得出的不同最大粒徑的骨料體積分?jǐn)?shù)與平均骨料體積分?jǐn)?shù),如圖10—11所示,其中Dmax為骨料最大粒徑。從圖中可以看出,不同最大粒徑骨料的體積分?jǐn)?shù)趨勢(shì)大致相同,距表面0～15,16～30 mm的不同最大粗骨料平均骨料體積分?jǐn)?shù)相差不大,因此,骨料的最大粒徑對(duì)試塊的邊界效應(yīng)影響較小。

3 結(jié)論

本文使用我校自主研發(fā)并優(yōu)化的裝置,以交流電測(cè)量法為主,RCM法和電通量法為輔,共同研究粗骨料體積分?jǐn)?shù)和最大粒徑對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響,結(jié)果如下:

1) 水膠比相同的情況下,3種測(cè)試方法均表明隨著粗骨料體積分?jǐn)?shù)的增加混凝土試件的抗氯離子滲透性也增加。

2) 試驗(yàn)表明單一增加粗骨料最大粒徑,試樣的抗氯離子滲透性不再單調(diào)增加,而是在骨料最大粒徑為25 mm時(shí)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),其主要原因?yàn)檫吔缧?yīng)增強(qiáng)導(dǎo)致粗骨料分布不均。骨料最大粒徑對(duì)邊界效應(yīng)層的厚度影響較小。

3) 3種測(cè)試方法得到的測(cè)試結(jié)果之間的相關(guān)性良好,RCM法和電通量法對(duì)最大骨料粒徑的要求也適用于交流電測(cè)量法。相比其他兩種方法,交流電測(cè)量法(使用優(yōu)化后的裝置)在使用上更加簡(jiǎn)單、高效,試驗(yàn)結(jié)果更加嚴(yán)格。