低摻量偏高嶺土改性混凝土抗氯離子滲透性能

耿海寧，馬 騫

（1.湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430205；2.湖北楚晟科路橋技術(shù)開發(fā)有限公司，武漢 441005）

氯離子侵蝕導(dǎo)致的鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性降低的主要原因，氯離子通過連通孔隙、裂縫、化學(xué)結(jié)合等方式在混凝土中傳輸，當(dāng)鋼筋表面的氯離子累積到一定濃度時(shí)，引起鈍化膜破壞，進(jìn)而產(chǎn)生鋼筋銹蝕。

氯離子在混凝土中的遷移由其吸附和擴(kuò)散過程特性控制。有研究通過48周干濕交替實(shí)驗(yàn)對(duì)摻入粉煤灰，礦渣，硅灰或偏高嶺土的混凝土中氯鹽遷移過程的研究表明，氯離子侵蝕性能與暴露時(shí)間和材料類型有關(guān)，在固定的相當(dāng)于膠凝材料0.2%的氯離子濃度下，氯離子侵蝕深度與時(shí)間的平方根具有線性關(guān)系［1］，其關(guān)系為與膠凝材料類型有關(guān)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)。數(shù)值最低的為摻入礦渣的混凝土，最高的為普硅水泥混凝土。侵蝕實(shí)驗(yàn)使材料的吸水率降低，是繼續(xù)水化和氯離子固化的結(jié)果，導(dǎo)致的孔結(jié)構(gòu)改善和連孔數(shù)量的減少。在氯離子擴(kuò)散速率與吸水率之間沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)系，說明氯離子的主要傳輸途徑不是吸附而是擴(kuò)散。

近年來有研究表明［2－9］，在混凝土中添加偏高嶺土能夠改善混凝土的各項(xiàng)性能，提高強(qiáng)度，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，提高耐久性、抗氯鹽侵蝕性能等。

研究表明［10］，對(duì)于加入了不同含量的偏高嶺土和粉煤灰的三元體系，浸泡在海水中1.5年后的氯鹽侵蝕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，偏高嶺土能極大減少混凝土中氯鹽濃度和侵蝕深度，同時(shí)增加了強(qiáng)度。文獻(xiàn)［11］對(duì)偏高嶺土，粉煤灰，礦渣的氯鹽侵蝕深度進(jìn)行了研究，含有礦渣和偏高嶺土的混凝土的抗侵蝕性能最好，1年侵蝕深度不超過20mm。隨著時(shí)間的進(jìn)行，抗侵蝕性能增加，尤其在含有礦渣及20%偏高嶺土的混凝土中。其原因可能是氯鹽的固化，或者chloro－aluminates的生成，或者兩者的聯(lián)合作用。另有研究發(fā)現(xiàn)在0.32～0.40的水灰比條件下，添加了5%，10%和15%偏高嶺土的混凝土具有接近的抗氯鹽侵蝕性能，28d氯鹽侵蝕深度2～3mm［12］。

該文對(duì)添加了0～6%偏高嶺土的混凝土的抗氯離子滲透性能進(jìn)行了研究，通過電通量法及RCM法綜合分析抗氯離子滲透性能，結(jié)合掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡分析水化產(chǎn)物形貌，探討低摻量偏高領(lǐng)土對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能影響的機(jī)理。

1 材料與實(shí)驗(yàn)方法

材料采用華新P.I.52.5硅酸鹽水泥、廣東茂名高嶺土煅燒制備的偏高嶺土，二者化學(xué)組成及水泥的初終凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等性能如表1所示。掃描電子顯微鏡觀察煅燒制備的偏高嶺土仍保持六方片狀的形貌，顆粒尺寸在10μm以下。偏高嶺土經(jīng)過一定的粉磨和分散處理后，其比表面積為2 800m2/kg左右。高嶺土在煅燒過程中損失大量羥基，最終形成的非晶態(tài)的偏高嶺土具有很高的火山灰活性，其結(jié)構(gòu)處于熱力學(xué)介穩(wěn)狀態(tài)，表面活性較高。

表1 材料化學(xué)組成和物理性能

骨料尺寸服從富勒級(jí)配，其中粗骨料為天然碎石，0～5 mm，5～16.5mm和16.5～26.5mm三種粒徑碎石摻配使用，碎石壓碎值為8%，其級(jí)配如表2所示。細(xì)集料為天然河砂，表觀密度為2 640kg/m3，堆積密度為1 458kg/m3，砂的細(xì)度模數(shù)為2.91，屬中砂。混凝土養(yǎng)護(hù)用水及拌和用水均為實(shí)驗(yàn)室自來水。

表2 粗骨料的級(jí)配

混凝土制備時(shí)，偏高嶺土的摻量分別為0、2%、3%、4%、5%和6%，水灰比為0.45。為消除試樣的離散性，每個(gè)試樣制備樣品不少于3個(gè)，試樣的配合比如表3所示。

表3 混凝土試樣的配合比

根據(jù)表3中混凝土配合比制作混凝土試樣，對(duì)于電通量試驗(yàn)和氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)，每個(gè)試樣成型為Φ100mm×200mm的圓柱體，同一齡期的混凝土試樣不少于3個(gè)。試樣成型24h后拆模，養(yǎng)護(hù)環(huán)境為環(huán)境溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境。28d后切除試樣上下表面各15mm后，制備Φ100mm×（50±2）mm的圓柱體。

采用電通量法和RCM法綜合評(píng)價(jià)低摻量偏高嶺土改性混凝土的抗氯離子滲性能。電通量法開始前，將試件的側(cè)面密封并置于真空飽水機(jī)中飽水，飽水條件為預(yù)真空3h以后注水，真空飽水1h，然后常壓飽水（18±2）h。將飽水后的試件取出，輕拭表面水分并安裝到電通量法試驗(yàn)?zāi)＞呱希＞呓诱龢O方向注入0.3mol/L的NaOH溶液，負(fù)極方向注入3.0%的NaCl溶液，熱電偶放入NaCl溶液中。將模具置入20～25℃恒溫流動(dòng)水浴箱中后施加60V的直流電壓，并記錄通電6h中每隔5min的電流值。試驗(yàn)結(jié)束后繪制時(shí)間－電流曲線，積分計(jì)算通電6h的電荷量。RCM試驗(yàn)所需試樣同電通量法，但將飽水溶液更改為飽和Ca（OH）2溶液，RCM法測(cè)試過程參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2 結(jié)果與分析

混凝土試樣的電通量試驗(yàn)和RCM測(cè)定的氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別如圖1和圖2所示。由圖1可以看出隨著偏高嶺土摻量的增加，混凝土的電通量在同齡期內(nèi)是逐漸下降的，這說明混凝土的抗?jié)B性能相應(yīng)增加；偏高嶺土在摻量為4%、5%、6%時(shí)，電通量在28d后較為穩(wěn)定，說明隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土抗氯離子性能保持穩(wěn)定。對(duì)于摻量為6%的混凝土，28d后電通量與對(duì)比樣相比下降了60%，說明抗氯離子侵蝕性能有很大改善。

由圖2可以看出，相同配合比的混凝土隨著齡期的增長(zhǎng)，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，說明抗氯離子滲透性能逐漸增強(qiáng)。有研究［13］表明添加了8%和12%偏高嶺土的混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降了50%和60%。本研究中添加了5%偏高嶺土的試樣的氯離子擴(kuò)散系數(shù)與對(duì)比樣相比在各齡期都降低了50%～60%，與電通量實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。另有研究發(fā)現(xiàn)［14］，對(duì)摻入8%～12%偏高嶺土的混凝土在1MNaCl溶液中浸泡28d到3年的氯離子擴(kuò)散系數(shù)表明，早期（28d）氯離子擴(kuò)散系數(shù)在較高（0.4）水灰比的對(duì)比樣中較高，在摻入偏高嶺土的混凝土中急劇下降。本研究的結(jié)果與這些發(fā)現(xiàn)一致。以28d的試樣為基礎(chǔ)試樣，分別就不同齡期取絕對(duì)值，繪制氯離子相對(duì)28d絕對(duì)值隨齡期變化圖，如圖所示，就控制氯離子的擴(kuò)散影響而言，C5試樣具有更優(yōu)異的表現(xiàn)，如絕對(duì)值變化圖，見圖3。

為進(jìn)一步驗(yàn)證偏高嶺土對(duì)氯離子擴(kuò)散的影響，分別制備偏高嶺土摻量為0、5%，水灰比為0.45的凈漿，編號(hào)為P0、P5，養(yǎng)護(hù)至指定齡期后用無水乙醇終止水化并進(jìn)行掃描電鏡及透射電鏡測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖中可以看出，主要水化產(chǎn)物為C－S－H凝膠、鈣礬石、氫氧化鈣以及類水滑石。這幾種水化產(chǎn)物相互摻雜共生，其中C－S－H凝膠的形貌為致密的纖維狀，鈣礬石為針棒狀，其結(jié)構(gòu)致密。相對(duì)于空白試樣而言，偏高嶺土的引入使得結(jié)構(gòu)更為緊密，可有效提高體系的抗氯離子滲透性能，與前面電通量法和RCM法的結(jié)果一致。

3 結(jié) 論

a.混凝土試樣的電通量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著偏高嶺土摻量的增加，電通量逐漸下降。添加了5%偏高嶺土的混凝土電通量下降了60%。

b.RCM法測(cè)定的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨齡期變化呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，與電通量法結(jié)果中28d后電通量波動(dòng)規(guī)律一致。添加了5%偏高嶺土的混凝土在各齡期的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為對(duì)比樣的50%～60%。

c.偏高嶺土的引入促進(jìn)了體系的水化，使得結(jié)構(gòu)更為致密，可有效改善體系的抗氯離子滲透性能。

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