摻礦粉與粉煤灰高性能水工混凝土試驗(yàn)研究

于 博

(康平縣自然資源保護(hù)與行政執(zhí)法中心,遼寧 康平 110500)

由于具有相對(duì)耐久性好、功能多樣、造價(jià)低廉、后期維護(hù)費(fèi)低以及制備簡(jiǎn)單等優(yōu)越性,混凝土作為人造材料被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域,這也是支撐社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原材料之一。一般地,水工混凝土既要承受一定的外部荷載,還要遭受極端溫度下劣化因子侵蝕和自然條件下孔隙中結(jié)晶鹽引起的開裂、表層磨損作用,其中抗?jié)B性能是反映混凝土抗氯離子侵蝕及其耐久性能的重要指標(biāo)[1-3]。實(shí)踐表明,混凝土抗氯離子滲透性能主要受摻合料摻量、品種及其養(yǎng)護(hù)齡期的影響,如李斯祺等研究認(rèn)為養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到56d后粉煤灰才逐漸體現(xiàn)出其改善抗氯離子滲透性的效應(yīng);魏宏云等通過(guò)氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)探究了摻合料、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土抗氯離子滲透性的增強(qiáng)作用;劉寶舉等利用電通量試驗(yàn)分析了養(yǎng)護(hù)濕度、養(yǎng)護(hù)齡期及礦物摻合料摻量對(duì)抗氯離子滲透性能的影響;李美利等研究發(fā)現(xiàn)混凝土摻礦物摻合料會(huì)降低其表面溪水速率;程寶娟等研究認(rèn)為混凝土初始吸水速率隨養(yǎng)護(hù)方式的改變較小,但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)明顯增加[4-8]。

綜上分析,有關(guān)研究主要考慮試驗(yàn)室條件分析混凝土的滲透性,因未經(jīng)自然環(huán)境侵蝕且齡期較短而存在一定局限性;另外,受施工養(yǎng)護(hù)工藝及邊界效應(yīng)的影響,表層混凝土易出現(xiàn)抗?jié)B性差、骨料少等問(wèn)題,相關(guān)研究較少考慮內(nèi)部與表層混凝土抗?jié)B性能的差異。因此,為綜合評(píng)價(jià)混凝土抗?jié)B性應(yīng)選用多種測(cè)試方法,文章利用滲透性試驗(yàn),探討了高性能水工混凝土滲透性受礦粉與粉煤灰的影響作用。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥選用宜良紅獅P·O 42.5級(jí)水泥,密度3.03g/m3,標(biāo)稠用水量26.6%,初、終凝時(shí)間190min和380min,3d、28d抗壓強(qiáng)度18.1MPa和47.5MPa;粉煤灰選用鐵嶺市清河金淼粉煤灰精選廠生產(chǎn)的F類Ⅰ級(jí)粉煤灰,比表面積320m2/kg,需水量比95%;礦粉使用大連金橋超細(xì)粉制造廠生產(chǎn)的S95級(jí)礦渣粉,比表面積430m2/kg,流動(dòng)度比110%。粗、細(xì)集料選用莊沙砂石場(chǎng)提供的5～20mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石和細(xì)度模數(shù)2.7的河沙,外加劑選用西卡牌540P型聚羧酸高效減水劑(粉狀)。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為探究粉煤灰、礦粉對(duì)水工混凝土滲透性的影響,依據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》試驗(yàn)確定3組配合比,固定砂率40%,水膠比0.35,減水劑摻量1.0%,試驗(yàn)用基準(zhǔn)J0、單摻30%粉煤灰FA和單摻40%礦粉SK配合比如表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比

1.3 測(cè)試方法

1)電通量試驗(yàn)。將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試件真空飽水24h后沿軸向施加60V直流電壓,配置3%的NaCl溶液和濃度0.3mol/L的NaOH溶液注入正負(fù)極兩側(cè)的電解池內(nèi),然后參照ASTMC1202進(jìn)行電通量測(cè)試,記錄試驗(yàn)開始時(shí)的初始電流,之后每隔5min測(cè)量一次,通電總時(shí)間6h,最后結(jié)合測(cè)試結(jié)果計(jì)算總電量Q。

2)氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)。采用切割機(jī)將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試件制成高50mm×Φ100mm的標(biāo)準(zhǔn)試件,真空飽水24h后裝入橡膠筒內(nèi),并利用兩個(gè)環(huán)箍固定使試件側(cè)面密封。然后向試驗(yàn)槽中安放陽(yáng)極板和帶有試件的橡膠筒,將濃度0.2mol/L的KOH溶液注入橡膠筒內(nèi)使溶液完全能夠完全浸沒(méi)試件表面和陽(yáng)極板,將0.2mol/L的KOH和5%NaCl混合液注入試驗(yàn)槽。打開電源,設(shè)置通電時(shí)間,測(cè)量初始電流,待通電結(jié)束后取出試件劈成兩半,配制0.1mol/L的AgNO3噴涂劈開面上,測(cè)量氯離子滲透深度及其擴(kuò)散系數(shù)。

3)毛細(xì)管吸附試驗(yàn)。將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的試件移入烘箱(溫度60℃)烘干到恒重,記錄烘干質(zhì)量(精度0.01g),測(cè)量試件浸水面寬度與直徑(精度0.01mm)。然后利用石蠟材料密封上下和前后面,預(yù)留兩側(cè)面放入容器內(nèi),并用塑料薄膜覆蓋背水面表面,在溫度(20±2)℃環(huán)境中測(cè)定0h、1h、2h、4h、6h、12h、24h、56h時(shí)試塊的毛細(xì)管吸水量。依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù),采用線性回歸分析法分析s1/2時(shí)間與毛細(xì)管吸附量I的相關(guān)性,并進(jìn)一步計(jì)算混凝土毛細(xì)管吸附率(mm/s1/2)。

4)氣體滲透性試驗(yàn)。將養(yǎng)護(hù)齡期為7d、28d、56d和90d的300mm×150mm×150mm混凝土試件預(yù)干燥處理7d(溫度60℃),然后采用帶內(nèi)外兩個(gè)真空室的Torrent測(cè)試裝置進(jìn)行氣體滲透性的測(cè)試,內(nèi)外室壓力用壓力傳感器進(jìn)行平衡,結(jié)合內(nèi)外室壓力變化情況計(jì)算試件的孔隙率及其透氣性系數(shù)KT。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始電流與電通量

標(biāo)養(yǎng)7d、28d、56d、90d齡期時(shí)摻礦粉與粉煤灰水工混凝土初始電流及電通量測(cè)試數(shù)據(jù)如圖1所示。

(a)初始電流

由圖1可知,隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)各組試件初始電流與電通量均表現(xiàn)出下降趨勢(shì),其中單摻30%粉煤灰組的初始電流與電通量的降幅最明顯。通過(guò)對(duì)比3組初始電流與電通量試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,摻30%粉煤灰組7d、28d電通量4810C和1412C,相較于基準(zhǔn)組的2360C、945C增大了2450C和467C,56d齡期時(shí)摻粉煤灰組與基準(zhǔn)組的電通量相差極小,90d齡期時(shí)摻粉煤灰組明顯低于基準(zhǔn)組的電通量值。粉粉煤灰對(duì)初始電流的影響規(guī)律與電通量基本相似,摻30%粉煤灰會(huì)使得早期初始電流明顯增大,但是能夠減小后期初始電流。因此,粉煤灰的摻入會(huì)降低早期抗?jié)B透性,提高后期抗?jié)B性,即早期發(fā)揮正效應(yīng)而后期發(fā)揮負(fù)效應(yīng)。其它條件不變時(shí),摻入40%礦粉可以顯著降低混凝土7d、28d、56d、90d初始電流及電通量,這是因?yàn)榈V粉相比于粉煤灰具有更高的火山灰活性,對(duì)早期強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)較低;另外,細(xì)度更細(xì)的礦粉具有一定的密實(shí)填充效應(yīng),通過(guò)細(xì)化毛細(xì)孔徑使得結(jié)構(gòu)體更加密實(shí),從而改善混凝土抗?jié)B透性[9]。

2.2 毛細(xì)管吸水率

標(biāo)養(yǎng)7d、28d、56d、90d齡期時(shí)摻礦粉與粉煤灰水工混凝土的毛細(xì)管吸水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 不同齡期的毛細(xì)管吸水率

結(jié)果表明,摻30%粉煤灰組相比于基準(zhǔn)組7d毛細(xì)管吸水率明顯較高,標(biāo)養(yǎng)28d時(shí)摻30%粉煤灰組開始低于同齡期基準(zhǔn)組的毛細(xì)管吸水率;7d、28d、56d和90d齡期時(shí),摻40%礦粉組整體低于同齡期基準(zhǔn)組的毛細(xì)管吸水率。從低到高3組試件90d齡期毛細(xì)管吸水率排序?yàn)閾?0%礦粉組<摻30%粉煤灰組<基準(zhǔn)組。

2.3 空氣滲透系數(shù)

有研究表明,混凝土氣體滲透性受干燥試件的影響較大,為降低干燥時(shí)間差異性,在氣體滲透性能測(cè)試前先對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土進(jìn)行為期7d的預(yù)干燥處理,標(biāo)養(yǎng)7d、28d、56d、90d齡期時(shí)摻礦粉與粉煤灰混凝土的空氣滲透系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同齡期的空氣滲透系數(shù)

結(jié)果表明,摻30%粉煤灰組相比于基準(zhǔn)組的7d、28d齡期氣體滲透系數(shù)較高,而56d、90d齡期時(shí)相比于基準(zhǔn)組同齡期氣體滲透系數(shù)略低。因此,在干燥程度不變的情況下,粉煤灰的摻入會(huì)提高早期氣體滲透系數(shù),但使得后期氣體滲透系數(shù)有所下降[10-12]。礦粉對(duì)氣體滲透系數(shù)的影響作用與粉煤灰相比略有不同,摻40%礦粉組均小于基準(zhǔn)組各齡期的氣體滲透系數(shù),說(shuō)明礦粉的摻入可以有效增強(qiáng)混凝土各時(shí)段的氣體滲透性能。

2.4 氯離子擴(kuò)散系數(shù)

標(biāo)養(yǎng)7d、28d、56d、90d齡期時(shí)摻礦粉與粉煤灰水工混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 不同齡期的氯離子擴(kuò)散系數(shù)

由圖4可知,混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)受養(yǎng)護(hù)齡期的影響非常明顯,并以摻30%粉煤灰組的影響作用最為顯著。通過(guò)對(duì)比3組氯離子擴(kuò)散系數(shù)可知,摻30%粉煤灰組的7d與28d氯離子擴(kuò)散系數(shù)13.15×10-12m2/s、4.61×10-12m2/s相較于基準(zhǔn)組的7.12×10-12m2/s、4.68×10-12m2/s增大84.69%和2.41%,56d與90d氯離子擴(kuò)散系數(shù)3.01×10-12m2/s、0.71×10-12m2/s相較于基準(zhǔn)組的4.05×10-12m2/s、1.27×10-12m2/s減小25.68%和44.09%,說(shuō)明粉煤灰的摻入不利于增強(qiáng)早期抗氯離子滲透性,但能夠改善后期抗氯離子滲透性,且養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)粉煤灰的改善效果越顯著。摻40%礦粉組相較于基準(zhǔn)組7d、28d、56d、90d氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別減小47.61%、62.58%、78.52%和74.80%。

2.5 相關(guān)性分析

通過(guò)對(duì)比上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,粉煤灰對(duì)混凝土早期毛細(xì)管吸附率、電通量、空氣滲透和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng),對(duì)后期毛細(xì)管吸附率、電通量、空氣滲透和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均表現(xiàn)出正效應(yīng),而礦粉對(duì)混凝土各齡期的毛細(xì)管吸附率、電通量、氣體滲透性和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均表現(xiàn)出正效應(yīng)。因此,在研究滲透性能時(shí),毛細(xì)管吸水率、電通量、空氣滲透和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均表現(xiàn)出顯著相關(guān)性[13-15]。

3 結(jié) 論

1)粉煤灰對(duì)混凝土早期毛細(xì)管吸附率、電通量、氣體滲透性和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng),對(duì)后期毛細(xì)管吸附率、電通量、氣體滲透性和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均表現(xiàn)出正效應(yīng),說(shuō)明在后期粉煤灰才開始表現(xiàn)出改善混凝土抗?jié)B性的作用。粉煤灰對(duì)混凝土各齡期的毛細(xì)管吸附率、電通量、氣體滲透性和氯離子擴(kuò)散系數(shù)均表現(xiàn)出正效應(yīng),說(shuō)明在早期礦粉就表現(xiàn)出改善混凝土抗?jié)B性的作用。

2)通過(guò)毛細(xì)管吸水率、電通量、空氣滲透和氯離子擴(kuò)散系數(shù)評(píng)價(jià)摻粉煤灰、礦粉和純水泥混凝土滲透性時(shí),以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。