摻合料對(duì)混凝土抗氯鹽侵蝕性能研究

王 旭，曾 力，高 浩

(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072)

無(wú)論現(xiàn)代化建設(shè)如何發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)仍將是未來最常用的結(jié)構(gòu)形式。普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用過程中普遍存在耐久性能差、使用年限達(dá)不到預(yù)期等問題，直接制約了其在惡劣自然環(huán)境下的使用，尤其是在沿海地區(qū)、鹽湖地區(qū)以及鹽堿地[1]。而在鋼筋混凝土使用過程中，其中鋼筋的銹蝕是引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。氯離子會(huì)破壞混凝土中堿環(huán)境下鋼筋的鈍化膜，從而使鋼筋產(chǎn)生銹蝕。因此，氯離子滲透擴(kuò)散性是反映混凝土抵抗氯離子侵人和鋼筋腐蝕能力的一個(gè)重要參數(shù)。為了延緩氯離子對(duì)混凝土的侵蝕，許多建筑結(jié)構(gòu)、地下工程等都使用了摻粉煤灰、礦渣等礦物摻合料以提升性能的混凝土，這樣可以充分利用粉煤灰與礦渣的優(yōu)勢(shì)，改善混凝土性能，達(dá)到抵抗氯離子侵蝕的效果[2]。

在混凝土中摻入摻合料以提高混凝土抗氯離子侵蝕性能一直是國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。Parande等[3]通過試驗(yàn)研究了在混凝土中摻入粉煤灰對(duì)混凝土強(qiáng)度和氯離子滲透的影響，發(fā)現(xiàn)在摻入粉煤灰后，混凝土的150 d強(qiáng)度及氯離子的滲透性均得到較好的改善。Arya等[4]對(duì)摻粉煤灰的混凝土進(jìn)行氯離子侵蝕研究，發(fā)現(xiàn)混凝土摻入粉煤灰之后，孔隙尺寸減小，過渡區(qū)界面加強(qiáng)，有效加強(qiáng)了混凝土的抗氯離子侵蝕能力。賀鴻珠[5]對(duì)摻粉煤灰的混凝土與普通混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉煤灰混凝土抗?jié)B性和抗氯離子擴(kuò)散性均優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土，粉煤灰的摻入改善了界面性能，使界面具有更大的結(jié)合力。

本文選取粉煤灰、礦渣、硅粉三種礦物摻合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)11種配合比，進(jìn)行電通量法試驗(yàn)及快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)試驗(yàn)，從電通量及氯離子遷移系數(shù)大小的角度，研究摻合料種類及摻量對(duì)混凝土28 d齡期抗氯離子性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

原材料采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、S95級(jí)礦渣粉、高加密硅粉、聚羧酸高效減水劑、引氣劑、細(xì)度模數(shù)為3.0的河砂及粒徑為5～20 mm的碎石。水泥、粉煤灰和硅粉化學(xué)組成見表1(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))，河沙的顆粒級(jí)配及細(xì)度模數(shù)見表2。

表1 水泥、粉煤灰和硅灰化學(xué)組成

表2 細(xì)骨料顆粒級(jí)配及細(xì)度模數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 電通量法

試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)中電通量法試驗(yàn)方法進(jìn)行。將28 d齡期的混凝土試樣，加工成Φ100 mm×50 mm的圓柱體，將待測(cè)試件通過真空飽水，然后在試件兩端施加直流電壓，在電場(chǎng)作用下，處于試件負(fù)極一側(cè)的帶負(fù)電的氯離子向正極移動(dòng)。系統(tǒng)每0.5 h測(cè)一次流過試件的電量，通過測(cè)得的連續(xù)6 h流過混凝土的電量值，來評(píng)價(jià)混凝土的滲透性。

1.2.2 快速氯離子遷移系數(shù)法(RCM法)

試驗(yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50082-2009)中RCM法試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)原理是利用外加電場(chǎng)使試件水槽中的氯離子向試件內(nèi)部遷移。試樣同電通量法試樣大小及試驗(yàn)前期處理方法一致。在試件兩端施加電壓一段時(shí)間后，在壓力機(jī)上沿軸向?qū)⒃嚰_，在劈開的試件的斷面噴硝酸銀溶液，一段時(shí)間后試件斷面會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定的白色痕跡，測(cè)定白色痕跡的平均高度，以此來表示氯離子滲透的深度，根據(jù)深度以及其他測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算出混凝土中氯離子的遷移系數(shù)。

2 配合比設(shè)計(jì)

提高混凝土防腐性能的方法主要有選擇改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)和改變水泥水化。本研究主要是在滿足混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)要求的前提下，通過外摻不同種類的礦物摻合料(包括單摻、雙摻及三摻)來研究混凝土的抗氯離子腐蝕性能。

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)11種C35混凝土配合比，其中不摻摻合料混凝土為基準(zhǔn)配合比。11種混凝土配合比設(shè)計(jì)原則為抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)性(坍落度達(dá)到180～220 mm)相同，且抗壓強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C35。11種混凝土設(shè)計(jì)配合比見表3。

表3 防腐混凝土設(shè)計(jì)配合比

注：W為水；B為膠凝材料；F為粉煤灰；S為礦渣；SF為硅粉。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方法處理數(shù)據(jù)后得到試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 混凝土試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 電通量法試驗(yàn)分析

混凝土試塊電通量隨粉煤灰及礦渣摻量變化的曲線見圖1。

圖1 混凝土電通量與礦物摻合料摻量及摻入方案的關(guān)系

結(jié)合表4與圖1結(jié)果分析可得以下結(jié)論：

1)粉煤灰及礦渣粉單摻時(shí)均可明顯減小混凝土的電通量，表明礦物摻合料的摻加能提升混凝土的抗氯離子侵蝕能力。對(duì)比粉煤灰或礦渣粉單摻時(shí)的電通量與基準(zhǔn)混凝土的降低率，同一摻量下，摻礦渣粉的降低率比粉煤灰低，表明摻礦渣粉對(duì)于減少電通量的效果稍好于粉煤灰。

2)相比于礦渣單摻時(shí)，礦渣粉與硅粉雙摻時(shí)的電通量要更小，表明礦渣粉與硅粉雙摻時(shí)混凝土抗氯離子滲透性能好于單摻時(shí)混凝土的性能。在硅粉雙摻試驗(yàn)中，粉煤灰與礦渣粉相比，兩者的效果并沒有很明顯差別。

3)粉煤灰、礦渣粉、硅粉三摻且摻量為15%時(shí)，對(duì)應(yīng)電通量與基準(zhǔn)的降低率在50%以下，明顯低于表4雙摻時(shí)對(duì)應(yīng)的降低率，表明礦物摻合料三摻可進(jìn)一步降低混凝土的電通量，且降低幅度幅度明顯高于摻合料單摻及雙摻，摻合料三摻有助于進(jìn)一步提高混凝土的抗氯離子滲透性能。

3.3 RCM法試驗(yàn)分析

混凝土試塊遷移系數(shù)隨粉煤灰及礦渣摻量變化的曲線見圖2。

圖2 混凝土電通量與礦物摻合料摻量及摻入方案的關(guān)系

由圖2及表4可得到以下結(jié)論：

1)摻礦物摻合料混凝土的氯離子遷移系數(shù)相對(duì)于不摻礦物摻合料的混凝土均較小，表明摻礦物摻合料混凝土抗氯離子滲透性能優(yōu)于不摻礦物摻合料的混凝土。

2)混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨礦物摻合料摻量的增加而降低，且降低幅度明顯。

3)礦物摻合料雙摻及三摻時(shí)混凝土的抗氯離子滲透性能優(yōu)于單摻的混凝土。且粉煤灰、礦渣粉、硅粉三摻時(shí)混凝土的抗氯離子滲透性能最優(yōu)。

4 孔隙結(jié)構(gòu)分析

本文采用吸水動(dòng)力學(xué)法對(duì)不同摻量混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，意在探索孔隙結(jié)構(gòu)與混凝土抗環(huán)境水侵蝕能力的內(nèi)在聯(lián)系，最終確定摻合料對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕的作用機(jī)理及效果。吸水動(dòng)力學(xué)法主要通過測(cè)試試樣在經(jīng)過干燥處理后，試樣在水中每浸泡一段時(shí)間吸收水量經(jīng)過計(jì)算得到混凝土中孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算公式見式(1)。

wt=wmax(1-e-λtα)

(1)

式中：t為試件在水中浸泡時(shí)間，h；wt為t小時(shí)后試件的重量吸水率，%；wmax為試件飽和重量吸水率，%；α為孔均勻性；λ為平均孔徑。

本文采用吸水動(dòng)力學(xué)法測(cè)試及計(jì)算得到的混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)(孔隙率P、孔均勻性α及平均孔徑λ)結(jié)果見表5。

試驗(yàn)結(jié)果分析：

由表5試驗(yàn)結(jié)果繪圖3～圖5，其中圖4為混凝土28 d孔隙率隨摻合料類型及摻量的變化，圖5為混凝土28 d平均孔徑隨摻合料類型及摻量的變化。

表5 混凝土孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖3 混凝土28 d孔隙率隨摻合料類型及摻量的變化

圖4 混凝土28 d孔均勻性隨摻合料類型及摻量的變化

圖5 混凝土28 d平均孔徑隨摻合料類型及摻量的變化

由表5及圖3分析結(jié)果可見：

1)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，摻入摻合料能有效降低混凝土的孔隙率，摻量增加，混凝土的孔隙率越小。

2)復(fù)摻的效果明顯比單摻效果較好。

由表5及圖4分析結(jié)果可見：

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，摻入摻合料后，各種混凝土的孔均勻性沒有明顯差異，總體上處在同一水平，表明混凝土中均存在大小不一的孔隙。

由表5及圖5分析結(jié)果可見：

1)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，摻入摻合料能有效降低混凝土的平均孔徑，摻量增加，混凝土的孔隙率越小。

2)在復(fù)摻條件下，混凝土的平均孔徑較單摻時(shí)要低。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)在混凝土中無(wú)論單摻礦物摻合料、雙摻摻合料還是三摻摻合料都能有效改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)而提高混凝土抗氯離子侵蝕能力，在摻量相同時(shí)，摻礦渣的效果要比摻粉煤灰稍好。在單摻和雙摻時(shí)，摻量達(dá)到15%可有效降低氯離子的滲透能力。

2)在摻入摻合料的方式中，三摻效果最好，其次雙摻，單摻效果較差，不摻入摻合料效果最差。

3)在混凝土中摻入摻合料之后能有效降低混凝土的孔隙率及平均孔徑，提高混凝土的抗氯離子侵蝕能力。