粉煤灰和礦粉對水工混凝土抗氯離子滲透性及抗壓強度的影響分析

陳嘉偉

(朝陽市閻王鼻子水庫工程建設管理局,遼寧 朝陽 122000)

一般條件下,由于水化生成的Ca(OH)2或其它形式的堿使得混凝土內部保持高堿環境,鋼筋表面逐漸形成鈍化膜(成分γ-Fe2O3),對防止鋼筋銹蝕起到保護作用,而存在氯離子或混凝土碳化使得pH值下降時這層保護性的鈍化膜會被破壞,有水分和氧氣的條件下鋼筋就會發生電化學銹蝕[1-2]。其中,導致鋼筋銹蝕最主要的原因是混凝土內部有氯離子的滲入,該過程主要與內部孔結構及其組成物吸附氯離子的特征有關[3-5]。內部孔徑越小,孔隙率越低,則混凝土抑制氯離子的侵蝕作用就越強。氯離子的存在形式主要有兩種:其一,侵入的氯離子被水泥水化凝膠吸附或與水化氯酸鈣產生低溶性的Friede鹽;其二,溶解于孔隙溶液中的游離態氯離子,隨溶液流動與鋼筋表面接觸引起銹蝕[6-8]。隨水膠比的減小混凝土抗氯離子滲透性能逐漸增強,使用低水膠比的高性能混凝土是防止氯離子滲入導致鋼筋銹蝕最有效的方法[9]。因此,文章通過單摻和復摻兩種方式將粉煤灰與礦粉摻入低水膠比(0.32)水工混凝土中,采用ASTM-1202法探究不同摻合料類型和摻入方式對混凝土抗氯離子滲透性及抗壓強度的影響作用。

1 試驗方案

1.1 原材料

水泥:朝陽市振東水泥廠生產的P·O42.5級水泥,比表面積350m2/kg,密度3.15g/cm2,細度2.1%,標稠需水量27.2%,3d、28d抗壓強度27.5MPa和50.1MPa,其主要化學成分如表1所示。

表1 水泥及礦物摻合料化學成分 %

1)粉煤灰:大連恒翔粉煤灰廠生產的F類Ⅱ級粉煤灰,需水量比98%,細度20.2%,密度2.26g/cm3,28d活性指數76%,堿含量1.2%,含水率0.1%,主要化學成分,見表1。

2)礦粉:試驗選用S95級粒化高爐礦渣粉,比表面積520m2/kg,流動度比105%,燒失量1.0%,28d活性指數82%,主要化學成分如表1。

3)集料:試驗選用大連某建材廠提供的細度模數2.6天然中砂和5～25mm級配的石灰巖碎石,壓碎值6.7%,其主要性能指標符合《水工混凝土砂石骨料試驗規程》中的有關要求。

4)外加劑:試驗用蘇博特PCA?-Ⅷ系列聚羧酸高性能減水劑,減水率>26%,固含量24%,拌合水用實驗室自來水。

1.2 試驗配合比

根據《水工混凝土配合比設計規程》確定試驗用配合比如表2所示,通過試驗探討不同摻入方式及摻量對抗氯離子滲透性及抗壓強度的影響。

表2 試驗配合比

1.3 試驗過程

試驗參照《水工混凝土試驗規程》中的相關方法進行混凝土的拌合、振搗、成型、養護、抗氯離子滲透性以及抗壓強度的測試,測定3d、7d、28d、60d和90d不同齡期各組試件強度,以及28d、56d和84d不同齡期各組試件的氯離子擴散系數。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度試驗

單摻粉煤灰或礦粉水工混凝土抗壓強度試驗數據如圖1所示。

(a)單摻粉煤灰

從圖1(a)可以看出,摻粉煤灰組相較于基準對照組的強度有所減小,隨粉煤灰摻量提高試件各齡期強度均逐漸減小,但摻粉煤灰組與基準對照組之間的強度差異隨著齡期的延長不斷減小;摻量越高混凝土早齡期抗壓強度增長越慢,后期強度增長越快,摻10%粉煤灰組的3d、28d、90d強度依次達到基準對照組的80.6%、95.7%和98.4%,而摻50%粉煤灰組的3d、28d、60d、90d強度依次達到基準對照組的36.3%、68.5%、78.2%和81.0%,除摻50%粉煤灰組外其它各組的60d、90d齡期抗壓強度域基準對照組基本相當。從圖1(b)可以看出,摻礦粉組相較于基準對照組的抗壓強度有所降低,隨著礦粉摻量的增加混凝土3d、7d、28d和90d齡期抗壓強度均逐漸減小,其抗壓強度發展規律與摻粉煤灰混凝土具有較好一致性,試件早齡期抗壓強度隨礦粉摻量的增加明顯下降,尤其是3d、7d強度降幅較大,但摻礦粉組與基準對照組之間的強度差異隨著齡期的延長逐漸減小。

雙摻粉煤灰與礦粉水工混凝土抗壓強度試驗數據如圖2。

(a)不同總摻量(礦粉:粉煤灰=1∶1)

從圖2(a)可以看出,礦粉:粉煤灰=1∶1條件下,隨礦粉與粉煤灰總摻量的增加混凝土3d、7d、28d和60d抗壓強度均逐漸減小,總摻量達到50%時混凝土60d、90d強度為基準對照組的86.0%、92.7%,其它摻量條件下混凝土60d齡期強度基本接近,90d齡期強度較基準對照組有所提高。從圖2(b)可以看出,礦粉與粉煤灰總摻量達到30%時,改變礦粉與粉煤灰的摻配比例,試件3d、7d、28d和60d強度也隨著粉煤灰相對摻量的提高不斷下降,而90d強度則呈現出上升趨勢,表明復摻條件下礦粉與粉煤灰能夠促進混凝土早期及后期強度的提升。

2.2 氯離子滲透性試驗

單摻粉煤灰或礦粉水工混凝土的氯離子擴散系數試驗數據如圖3所示。

(a)單摻粉煤灰

從圖3(a)可以看出,粉煤灰可以在一定程度上改善抗滲能力,齡期對混凝土的影響更加顯著。另外,隨著齡期的延長粉煤灰逐漸發揮火山灰效應,使混凝土內部密實度逐漸提高,相應的抗氯離子侵蝕性也不斷增強。摻30%粉煤灰混凝土84d齡期氯離子滲透系數(1.14×10-12m2/s)只有基準對照組(2.02×10-12m2/s)的56.4%,摻50%礦粉混凝土84d齡期氯離子擴散系數(1.10×10-12m2/s)只有基準對照組(2.02×10-12m2/s)的55.5%。從圖3(b)可以看出,水工混凝土摻礦粉能夠明顯改善其抗氯離子滲透性能,摻30%礦粉混凝土84d齡期氯離子擴散系數(1.28×10-12m2/s)只有基準對照組(2.02×10-12m2/s)的63.4%,摻50%礦粉混凝土84d齡期氯離子擴散系數(1.02×10-12m2/s)只有基準對照組(2.02×10-12m2/s)的50.5%,降幅達到50%;另外,水工混凝土抗氯離子滲透性隨著養護齡期的延長呈明顯增強趨勢。經對比分析發現,摻量≤30%時,摻粉煤灰組相較于摻礦粉組的抗氯離子侵蝕性能較優;摻量達到50%時,摻礦粉組相較于摻粉煤灰組的抗氯離子侵蝕性能較優。

雙摻粉煤灰與礦粉水工混凝土氯離子擴散系數試驗數據如圖4所示。

(a)不同總摻量(礦粉:粉煤灰=1∶1)

從圖4(a)可以看出,礦粉:粉煤灰=1∶1條件下,隨總摻量的增加試件抗氯離子滲透性逐漸增強,并且氯離子擴散系數隨著齡期的延長呈不斷下降趨勢。從圖4(b)可以看出,總摻量達到30%時,改變摻配比例,試件抗氯離子滲透性能隨著粉煤灰相對摻量的增加逐漸降低,并且氯離子擴散系數隨著齡期的延長呈明顯下降趨勢。

深入分析作用機理:粉煤灰等量替代水泥相當于減少了膠凝體系中的水泥用量和參與早期水化的水泥熟料,故提供早期強度水化產物不足。另外隨著時間的推移粉煤灰開始發揮“火山灰”效應,即粉煤灰中的Al2O3及活性SiO2能夠與水化反應生成的Ca(OH)2反應生成大量水硬性物質,從而使得后期抗壓強度提高。將礦粉摻入混凝土中具有微集料、火山灰效應和潛在水硬性,礦粉與能夠改善漿體的孔結構,增大水泥石與骨料界面間的黏結強度提高,在低水膠比情況下摻入減水劑能夠配制出強度和抗侵蝕性較好的混凝土。

3 結 論

1)單摻條件下,摻粉煤灰組相較于基準對照組的抗壓強度有所降低,但摻粉煤灰組與基準對照組之間的強度差異隨著齡期的延長不斷減小,摻量越高混凝土早齡期抗壓強度增長越慢,后期強度增長越快;摻礦粉組與基準對照組相比其強度有所降低,且強度發展規律與摻粉煤灰組具有較好一致性。復摻條件下,隨總摻量的提高試件抗壓強度均逐漸減小,改變摻配比例,試件抗壓強度也隨著粉煤灰相對摻量的提高不斷下降,而90d強度則呈現出上升趨勢,礦粉與粉煤灰復摻能夠促進混凝土早期及后期強度的提升。

2)單摻條件下,水工混凝土摻粉煤灰或礦粉均可以在一定程度上改善其抗氯離子滲透性能,且齡期的影響更加顯著。隨著齡期的延長粉煤灰逐漸發揮火山灰效應,使混凝土內部密實度逐漸提高,相應的抗氯離子侵蝕性也不斷增強。經對比分析發現,摻量<30%時,摻粉煤灰組相較于摻礦粉組的抗侵蝕性能較優;摻量達到50%時,摻礦粉組相較于摻粉煤灰組的抗氯離子侵蝕性能較優。復摻條件下,隨總摻量的增加試件抗滲透性逐漸增強,并且氯離子擴散系數隨著齡期的延長呈減小趨勢。改變摻配比例,試件抗氯離子滲透性能隨著粉煤灰相對摻量的增加逐漸降低。