不同礦粉摻量對水工混凝土抗滲性影響研究

于 博

(康平縣自然資源保護與行政執法中心,遼寧 康平 110500)

0 引 言

滲透性是決定混凝土耐久性的重要因素之一,這是因為水分的摻入速率與滲透性直接相關,而這些水對混凝土冰凍或受熱凝結過程中的水分移動具有控制作用,同時可能存在多種侵蝕性離子。水滲法可以直觀地反映抗滲性,但水壓力較高時用這種方法測定的滲透系數呈減小趨勢。研究表明,混凝土水膠比(W/C)處于0.30～0.75范圍時,采用傳統的水滲透法和抗氯離子滲透試驗測定的抗滲結果及總孔隙率高度一致[1]。所以,通過抗氯離子滲透試驗測定6d電通量評定混凝土抗滲性具有實際參考意義。

從材料學的層面上,微觀結構的均勻性決定了混凝土的耐久性,一般離析和泌水特別是集料-水泥漿界面區是導致微觀結構不均勻性的主要因素。摻入礦物摻合料能夠減少離析與泌水現象,阻斷混凝土內部水分遷移通道,有效降低水泥基體的滲透性[2-5]。這是因為混凝土固有的多孔性導致其抗滲性較差,對于水泥漿密實包裹骨料顆粒組成的混凝土,其滲透性受水泥漿的影響較大。所以,水泥漿-集料界面區特性以及水泥石的孔結構都會顯著影響混凝土的抗滲性。

礦粉與硅酸鹽水泥的水化硬化特點及化學組成相似,其活性較水泥顆粒略優,細度也更細,摻入礦粉可以改善界面特性和密實性。有學者認為礦渣水泥相比于普通硅酸鹽水泥配制的混凝土抗海水侵蝕性能更優,究其原因是礦渣水泥能夠優化混凝土孔結構,在海水環境下使混凝土表層更加密實[6]。摻礦渣粉、粉煤灰等摻合料可以明顯增強混凝土滲透性,現已被廣泛用于港口、海工、水工等工程領域。因此,文章利用NEL法試驗不同礦粉摻量對水工混凝土抗滲性的影響規律,并進一步揭示礦粉的作用機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

水泥采用冀東水泥廠生產的盾石牌P·O42.5級水泥,主要性能指標如表1所示。礦粉使用S95級鞍鋼磨細礦渣粉,其化學成分如表2所示,物理性能如表3所示。粗細集料為連續級配花崗巖碎石(粒徑5～30mm)和天然河沙(細度模數2.8),各項指標符合《水工混凝土砂石骨料試驗規程》有關要求。外加劑選用上海三瑞聚羧酸高效減水劑,拌和水用當地自來水。

表1 水泥的主要性能指標

表2 礦粉的化學成分

表3 礦粉的物理性能

試驗設計0.32和0.50兩種水膠比,0%、10%、30%、50%四種礦粉摻量,各組配合比及其28d和120d齡期強度如表4所示。結果表明,混凝土早期抗壓強度隨礦粉摻量的增加表現出波動下降趨勢,而后期強度呈逐漸波動上升趨勢。水膠比較高(0.50)時,摻50%礦粉組A3相較于基準對照組28d和120d抗壓強度略有下降,水膠比較低(0.32)時,摻50%礦粉組B3相較于基準組120d抗壓強度有所增大。

表4 試驗配合比及抗壓強度

1.2 抗氯離子滲透試驗

NEL法是一種通過快速測定氯離子擴散系數來評定滲透性能的新方法,現已被廣泛應用于施工、質檢和科研單位,并列入CCES01∶2004標準,作為混凝土滲透性檢測和混凝土結構耐久性設計推薦使用的先進方法[7]。該方法主要是將混凝土視為電解質,帶電粒子的偏電導ei與其擴散系數存在密切聯系,具體關系如下:

D1=RTei/(Zi2F2Ci)

(1)

式中:Di、ei、Ci為粒子i的擴散系數,cm2/s、偏電導,S/cm和濃度,mol/cm3;Zi為化合價數或電荷數;R、F為氣體常數(8.314J/mol·K-1)和Faraday常數(96500C/mol)。

先將攪拌均勻的混凝土制成φ100mm×50mm或50mm×100mm×100mm的標準試件,為了防止浮漿層的影響把表層20mm切除。然后將加工成標準尺寸的試件放入真空干燥箱靜置6h,控制真空度<-0.05MPa,再倒入濃度4mol/L的NaCl溶液使得試件完全浸沒,抽真空2h后繼續浸泡至24h。最后利用NEL型電測儀測定各組試件的氯離子擴散系數,并按照表5中的標準評定混凝土滲透性能。

表5 NEL法評定滲透性標準

混凝土中氯離子擴散系數取偏差<15%的3個試件電測數據平均值,如果平均值與3個測定值之間的偏差>15%則重新檢測[8]。

2 結果與分析

摻0%、10%、30%、50%礦粉對0.32和0.50兩種水膠比混凝土氯離子擴散系數及評價等級如表6所示。

表6 不同齡期氯離子擴散系數及抗滲性評價等級

結果表明,齡期相同情況下,在水工混凝土中摻入礦粉能夠顯著減小其氯離子滲透系數?；炷琉B護齡期越長、強度越高則其氯離子滲透系數越小,其中120d齡期摻50%礦粉組B3試件只有基準對照組B0試件氯離子滲透系數36.95%,滲透性評價等級從Ⅴ級提高到Ⅵ級。對于復雜環境下的水工構筑物,氯離子侵蝕是導致水工結構破壞的主要因素,增強抗氯離子侵蝕性能必然會有效提升復雜環境下水工混凝土使用年限。

不同礦粉摻量與試件氯離子擴散系數之間的關系如圖1所示。

由圖1可知礦粉摻量越高相應的擴散系數越小,隨齡期的延長測定的各齡期擴散系數不斷減小,且水膠比越小這種減小趨勢越明顯。

礦粉摻量從10%增加到30%時,混凝土各齡期氯離子擴散系數變化不明顯,進一步增大至50%時,各齡期氯離子擴散系數呈顯著降低趨勢。水膠比為0.32條件下,摻50%礦粉組B3為基準對照組B0的28d、120d氯離子擴散系數的46.15%和39.95%;水膠比為0.50條件下,摻50%礦粉組A3為基準對照組A0的28d、120d氯離子擴散系數的65.58%和52.47%。因此,水膠比越低則大摻量礦粉混凝土的后期強度和滲透性越好。不同養護齡期與試件氯離子擴散系數之間的關系如圖2所示,結果表明齡期越長則擴散系數越小,相應的強度也越高。

(a)水膠比0.50

由圖2可知,各組試件的抗滲性受齡期影響更加明顯,水膠比為0.32條件下,摻50%礦粉組B3的120d為28d齡期氯離子擴散系數的17.27%。

實際工程中,氯離子的存在形式主要有2種:①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產生銹蝕;②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。混凝土內部孔隙率越低,孔徑越小,則其抑制氯離子的侵蝕作用就越強[9]。隨著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。另外,隨著齡期的延長混凝土的氯離子滲透性能逐漸下降,這是由于齡期影響混凝土孔隙的分布特征、結構組成以及膠凝材料水化進程。齡期越長水化形成的產物就越多,水泥石中的孔隙被更多的產物所填充,連通的毛細孔隙不斷減少或封閉,對氯離子滲入逐漸發揮阻礙作用,并且抗滲透性受摻合料發揮作用的時間影響表現出一定時間效應[10]。因此,可以從以下兩點解釋礦粉對滲透性的作用機理,即阻礙離子滲透以及對離子化學或物理結合能力,這直接決定著自由離子結合以及滲透速率[11]。礦粉的摻入改變了水泥基體的微觀結構和水化產物的化學組成,有試驗表明礦粉可以很好地填充水泥石中的孔隙,從而減少基體內部缺陷,改善混凝土的體積穩定性、抗氯離子滲透性以及耐久性[12-14]。

3 結 論

1)試驗表明,減小水膠比和摻入適量礦粉均可以有效增強混凝土抗氯離子滲透擴散能力,混凝土抗滲性受養護齡期的影響較為顯著,延長齡期和減小水膠比是提高混凝土抗滲性的重要途徑。

2)水膠比相同時,隨礦粉摻量的增加混凝土氯離子擴散系數逐漸減小,并且摻量越高其抗滲透性能越優。礦粉主要通過阻礙氯離子滲透能力和對氯離子化學或物理結合能力改善混凝土抗滲性,摻入礦粉能夠很好地填充水泥石中的孔隙,減少基體內部缺陷,改善其體積穩定性、抗滲透性以及耐久性。