集料預(yù)處理對砂漿抗氯離子性能的提升

陳 健

(煙臺工程職業(yè)技術(shù)學院，山東 煙臺 264006)

海洋環(huán)境下的港口工程混凝土處于氯鹽侵蝕環(huán)境，氯離子侵蝕使得鋼筋鈍化膜破壞，導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹，混凝土開裂剝落，最終造成港口混凝土結(jié)構(gòu)失效。許多大型港口混凝土結(jié)構(gòu)每年要付出大量的維修加固費用，目的是保證其耐久性。同時港口混凝土常處于不同的荷載下，為提高其耐久性，需要對港口混凝土處于不同荷載水平下的抗氯離子滲透性能予以評估。

混凝土骨料表面存在界面過渡區(qū)(ITZ)，ITZ的平均孔徑和孔隙率高于水泥基體，使得ITZ 成為混凝土力學性能的薄弱環(huán)節(jié)和物質(zhì)傳輸?shù)目焖偻ǖ繹1-3]。高麗燕等[4]研究發(fā)現(xiàn)，對同一種混凝土，受壓區(qū)的氯離子擴散系數(shù)存在隨荷載水平先減小再增加的趨勢，當荷載水平為60%時，受拉區(qū)的氯離子擴散系數(shù)幾乎是未加載時的2 倍；黎鵬平等[5]通過試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)的氯離子滲透深度隨應(yīng)力水平的增加而增大；付傳清等[6]開展了荷載和環(huán)境共同作用下混凝土中氯離子傳輸?shù)脑囼炑芯浚J為混凝土局部應(yīng)變與氯離子擴散系數(shù)的相關(guān)性較好，能夠反映荷載作用對氯鹽傳輸?shù)挠绊懀粎莿P等[7-8]研究改變集料體積和粒徑使得ITZ體積含量改變，可改善水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)和氯離子的滲透性能。

為研究集料預(yù)處理與瞬時荷載共同作用下港口工程混凝土的抗氯離子滲透性能，采用礦粉和硅灰對集料進行包覆處理，只涉及到細集料配制的砂漿，并施加瞬時荷載，加載至對照試樣極限荷載的60%和80%水平，保持10 min 后卸載，然后進行非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)試驗，研究集料表面預(yù)處理與瞬時荷載對砂漿抗氯離子滲透性能的共同作用。

1 試驗

1.1 原材料

1)水泥。試驗所用的膠凝材料為小野田P·Ⅱ型52.5 硅酸鹽水泥，其化學組成、礦物組成和物理性質(zhì)如表1～2 所示。

表1 原材料的化學組成

表2 硅酸鹽水泥礦物組成及物理性質(zhì)

2)集料。試驗采用普通集料和鋼渣集料，表觀密度分別為2.633 和3.495 t∕m3，其物理形貌見圖1，集料篩分數(shù)據(jù)見表3。所用鋼渣為灰黑色顆粒，其化學組成見表1。相對于普通集料，鋼渣集料表面有較多的棱角，較為粗糙。鋼渣集料經(jīng)過篩分后重新調(diào)整級配，使2 種集料粒徑分布曲線高度吻合。集料粒徑分布曲線見圖2。

圖1 集料物理形貌

表3 集料篩分數(shù)據(jù)

圖2 集料粒徑累計分布

3)包覆材料。①礦粉:為白色粉末，表觀密度為2.652 t∕m3，比表面積為0.45 m2∕g，粒徑分布見圖3；②硅灰:為灰色超細無定型粉末，表觀密度為2.253 t∕m3，比表面積為22 m2∕g，粒徑分布見圖3。

圖3 包覆材料和水泥粒徑分布

4)其他試劑。試驗所用酒精、NaOH、Ca(OH)2、NaCl、AgNO3等藥品均由國藥提供，級別為分析純。

1.2 試驗配合比

在固定集料體積摻量(總體積分數(shù)為45%)下研究集料表面處理及不同集料對砂漿抗氯離子滲透能力的影響。試驗水灰比為0.35，編號中NA代表普通集料，SS 代表鋼渣集料，S 代表礦粉，SF 代表硅灰，漿體包覆厚度為15 μm。普通集料砂漿配合比見表4。

表4 普通集料與鋼渣集料砂漿配合比

1.3 試驗方法

1.3.1 集料預(yù)處理

預(yù)處理單位質(zhì)量普通集料和鋼渣集料包覆材料用量配比見表5。首先，將稱量好的摻合料加入盛有酒精的燒杯中，用玻璃棒初步攪拌均勻后形成摻合料包覆漿體，再用保鮮膜封閉燒杯口，放入超聲儀中超聲1 h。然后，將摻合料漿體與稱量好的集料一同加入砂漿攪拌機中慢攪60 s、快攪90 s，使摻合料漿體均勻分布在集料表面。最后，將表面包覆有摻合料漿體的集料在陰涼處晾干。包覆層為15 μm 的礦粉和硅灰顆粒如圖4所示。

表5 單位質(zhì)量集料包覆材料用量

圖4 包覆后的集料

1.3.2 樣品制備與養(yǎng)護

按照表4 中砂漿的設(shè)計配合比，準確稱取水泥、水和(包覆的)集料的質(zhì)量，采用機械攪拌將試樣各組分均勻混合。然后把新拌砂漿裝入φ100 mm×50 mm(直徑×高度)的試模中，通過振動臺振搗成型試件。帶模試樣在(20±2)℃、相對濕度(95±5)%養(yǎng)護室中放置24 h 后拆模，繼續(xù)養(yǎng)護到指定齡期進行相關(guān)試驗。

1.3.3 氯離子滲透性能測試

采用非穩(wěn)態(tài)遷移法(RCM 法)研究氯離子在水泥基材料中的傳輸過程。利用外加電場的作用使試件外部的氯離子向試件內(nèi)部遷移，設(shè)備示意見圖5，氯離子入侵深度測量過程如圖6 所示。

圖5 設(shè)備示意

圖6 快速氯離子遷移試驗(單位:mm)

試驗所用試塊的齡期為56 d，測試前所有試塊浸泡在飽和Ca(OH)2溶液中。測試時通過外加直流電壓加速氯離子從10%NaCl 溶液中遷移進入試塊。通電結(jié)束后，將試塊沿徑向劈開并在斷面均勻噴涂0.1 mol∕L AgNO3溶液，并測量氯離子入侵深度。

氯離子擴散系數(shù)可以采用經(jīng)驗公式[9]計算:

式中:DRCM為RCM 法測定的混凝土氯離子擴散系數(shù)(m2∕s)；T為陽極溶液的初始溫度和最終溫度的平均值(K)；h為試件厚度(m)；xd為氯離子滲透深度的平均值，精確到0.1 mm；t為試驗持續(xù)時間(h)；a為輔助變量。

正常情況下取每組3 個試件的算術(shù)平均值作為該組試件的氯離子遷移系數(shù)測定值。若任一個測量值與中值差值超過15%，則取中值；若有2 個測量值與中值差值超過15%，則該組試驗無效。

1.3.4 瞬時荷載下氯離子滲透性能測試

根據(jù)混凝土力學性能及抗氯離子滲透性能試驗結(jié)果，選取若干組56 d 齡期試樣，試件為φ100 mm×50 mm 圓柱試樣，加載強度為對照試樣NA-45 破壞強度的60%和80%(NA-45 的56 d 極限荷載為69 MPa)。分散裂紋制備時，將試件置于壓力機上，受壓面為φ100 mm 圓形上下表面，壓力機緩慢分別加載至41.4 MPa(60%) 和55.2 MPa(80%)，并在該荷載值下保持10 min 后卸載。將未加載試樣、加載至41.4 MPa 和55.2 MPa 的試樣分別進行非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 集料預(yù)處理對氯離子抗?jié)B透性能的影響

從圖7 可以發(fā)現(xiàn)，對集料進行摻合料漿體包覆后，與未包覆相比，氯離子擴散系數(shù)明顯降低。普通集料經(jīng)礦粉和硅灰處理后，氯離子擴散系數(shù)分別下降了57.2%和97.1%；鋼渣集料經(jīng)礦粉和硅灰處理后，氯離子擴散系數(shù)分別下降了53.4%和96.9%。

圖7 集料包覆處理對氯離子滲透性能的影響

礦粉和硅灰對集料包覆后，氯離子滲透能力明顯下降，表明礦粉和硅灰在集料表面包覆后，改善了集料的粗糙度，摻合料可以填充在集料表面附近水泥顆粒間的空隙，改善集料表面區(qū)域顆粒的堆積狀態(tài)，降低邊壁效應(yīng)對混凝土ITZ 形成中顆粒初始堆積狀態(tài)的不利影響。

集料預(yù)處理可降低集料表面的有效水膠比，礦粉和硅灰具有二次水化效應(yīng)，利用集料表面水膜的水分，生成水化產(chǎn)物C-S-H 填補了原ITZ 的部分孔隙，使ITZ 變得致密，因而整體氯離子擴散系數(shù)下降。與礦粉相比，硅灰粒徑更小，對空隙的填充效果更優(yōu)，并且較小的粒徑使得硅灰的比表面積更大，能與水分充分接觸反應(yīng)，硅灰也使得ITZ 的厚度減小[10]，兩種效果相疊加使硅灰改善效果更優(yōu)。

2.2 瞬時荷載下砂漿的抗氯離子滲透性能

瞬時荷載對砂漿氯離子遷移系數(shù)的影響見圖8。從圖8 可以看出，加41.4 和55.2 MPa 荷載的普通集料砂漿比未加載試樣氯離子遷移系數(shù)均有一定程度的增大，且隨著荷載的增大，氯離子遷移系數(shù)逐漸變大。鋼渣集料也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

圖8 瞬時荷載對氯離子遷移系數(shù)的影響

在荷載作用下，集料和水泥基體由于彈性模量不同，造成變形不一致，ITZ 成為應(yīng)力集中區(qū)域，微裂紋在ITZ 率先產(chǎn)生，再逐步擴展到基體中。在受到較大荷載作用時，微裂紋逐漸增多并開始擴展，甚至逐漸相互貫通。80%荷載水平下試樣的裂紋多于60%荷載水平，貫通的裂紋為氯離子傳輸提供了快速通道，使混凝土在受到較大荷載作用后抗氯離子滲透性能隨荷載增大而逐漸下降。

2.3 集料預(yù)處理與荷載作用后氯離子傳輸行為分析

瞬時荷載作用對不同包覆材料砂漿氯離子遷移系數(shù)的影響見圖9。從圖9a)可以發(fā)現(xiàn)，加60%和80%極限荷載的普通集料砂漿均表現(xiàn)為硅灰包覆集料配制的砂漿氯離子遷移系數(shù)最小，礦粉包覆集料配制砂漿的氯離子遷移系數(shù)次之，未處理集料的氯離子遷移系數(shù)最大，鋼渣集料砂漿也表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

圖9 包覆材料與瞬時荷載作用對氯離子遷移系數(shù)的影響

瞬時荷載下氯離子遷移系數(shù)變化如圖10 所示，即使硅灰處理的砂漿(NA-SF15、SS-SF15)在荷載作用后氯離子的遷移系數(shù)仍保持最低，但因荷載水平導(dǎo)致氯離子遷移系數(shù)的增幅卻最為明顯。在80%極限荷載下，NA-SF15 和SS-SF15 的氯離子遷移系數(shù)是未加荷載下的362%和395%；在60%極限荷載下，NA-SF15 和SS-SF15 的遷移系數(shù)是未加荷載下的120%和128%。礦粉處理試樣對應(yīng)為NA-S15 和SS-S15，NA-S15 在60%、80%極限荷載下氯離子遷移系數(shù)上升為17.6%和46.0%，SS-S15 在60%、80%極限荷載下氯離子遷移系數(shù)上升為20.9%和55.1%。未處理普通集料試樣的氯離子遷移系數(shù)增幅分別為10.8%和28.1%，鋼渣集料為12.9%和31.4%。

圖10 瞬時荷載作用對氯離子遷移系數(shù)的影響

試樣在承受荷載后，氯離子擴散系數(shù)上升。從圖9 可以看出，每組集料對應(yīng)的氯離子擴散系數(shù)是大致平行且均勻上升的，每組集料的氯離子擴散系數(shù)增幅相近，說明荷載對砂漿試樣孔隙結(jié)構(gòu)的破壞大致相當；只是硅灰試樣的氯離子遷移系數(shù)初始值較低，差值相同時硅灰組的增幅較大。所以在同等荷載水平下，硅灰預(yù)處理的集料砂漿具有最優(yōu)的抗氯離子滲透性能。

3 結(jié)論

1)對集料進行包覆預(yù)處理可以降低氯離子遷移系數(shù)，硅灰對抗氯離子滲透性能的提升作用較礦粉明顯，并且進行包覆處理可以消除普通集料和鋼渣集料對應(yīng)砂漿氯離子遷移系數(shù)的差異。

2)在收到較大荷載作用后，砂漿抗氯離子性能會降低，下降幅度隨荷載的增大逐漸變大；鋼渣集料砂漿抗氯離子性能降幅小于普通集料砂漿。

2)在受到較大荷載作用后，砂漿抗氯離子滲透性能降低，下降幅度隨荷載的增大逐漸變大；鋼渣集料砂漿抗氯離子滲透性能降低幅度小于普通集料砂漿。

3)在受到較大荷載作用后，預(yù)處理集料配制砂漿抗氯離子滲透性能優(yōu)于未處理集料砂漿，且硅灰包覆效果優(yōu)于礦粉；但硅灰處理試樣經(jīng)荷載作用后抗氯離子滲透性能的降幅最大，礦粉包覆集料次之，未處理集料的降幅最小；無論有無施加荷載，選用硅灰對集料進行預(yù)處理可以使抗氯離子滲透性能顯著提升。