不同水灰比和養護齡期下高爐礦渣摻量對混凝土毛細孔結構的影響

張樹俊,黃冬輝,楊 兵,鄭一夫

(1.南京市市政設計研究院有限責任公司,江蘇 南京 210098;2.金陵科技學院建筑工程學院,江蘇 南京 211169)

根據現有研究,氯化物引起的鋼筋腐蝕是影響鋼筋混凝土(RC)構件耐久性的重要因素之一[1-2]。隨著工業化進程的不斷推進,氯化物引起的鋼筋腐蝕導致RC基礎設施的耐久性情況進一步惡化,進而使其實際壽命難以達到設計使用壽命,這一現象在工業化國家更為顯著[3]。因此,為了改善RC結構的抗氯化能力,在混凝土混合料中使用粉煤灰、高爐礦渣等多種礦物替代材料,以提高混凝土的抗氯離子滲透性能,進而提高 RC 結構的耐久性。

高爐礦渣(BFS)是高爐鍛造生鐵的一種副產品,具有類似水泥的水硬特性[4]。高爐礦渣的潛在水化活性于1862在德國被首次發現,1865年被首次應用在BFS混合水泥的商業生產中。自此,高爐礦渣被大規模應用于各類水泥基材料的制造中。高爐礦渣的化學組成受所用鐵礦石的影響而產生一定的變化,其主要的化學組成為二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO),這些組分能占到95%左右。高爐礦渣的主要化學組成和普通水泥的化學組成非常相似。在實際應用中,高爐礦渣會預先經過研磨以細化其顆粒,從而提高其水化活性。經過研磨后的高爐礦渣具有和普通水泥顆粒非常接近的細度和比表面積[5]。

高爐礦渣能夠改善混凝土的孔結構，提高水泥水化產物對氯離子的吸附能力,從而有效減緩氯離子在混凝土中的傳輸速度[6-8]。目前許多學者研究高爐礦渣對混凝土孔結構的改善作用。如Divsholi等發現當混凝土中分別摻入10%、30%和50%的高爐礦渣時,混凝土的平均孔徑能夠降低15%、30%和47%[9]。Luo等發現大摻量高爐礦渣混凝土的大孔含量比普通混凝土低很多[10]。此外,許多研究試圖將混凝土孔結構的特征參數與其抗氯離子滲透性能聯系起來。如Kropp等認為BFS混合混凝土孔隙結構的改變是其抗氯離子滲透性能提高的主要因素[11]。Hewlett認為只有在特定范圍內BFS混合混凝土的毛細孔才能影響抗氯離子滲透性能[12]。因此,有必要對BFS混合混凝土的毛細孔結構特征進行分析研究,進而分析其對抗氯離子滲透性能的影響。

為了研究BFS用量、水灰比(W/C)和養護時間對RC構件毛細孔結構及其抗氯離子滲透性能的影響，本文試圖將快速氯離子遷移(RCM)系數與毛細孔隙率、最可幾孔徑和有害毛細孔占比等毛細孔結構特征聯系起來。采用兩種不同W/C比(0.45、0.35)和兩種不同養護時間(28 d、90 d)的混凝土試件,通過壓汞孔隙率法(MIP)測試RC試件毛細孔結構,采用快速氯離子遷移(RCM)測試RC試件抗氯離子滲透性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

混凝土試件的材料為波特蘭水泥、粗骨料、細骨料和高爐礦渣。其中水泥是符合ASTM C150標準的Ⅰ型波特蘭水泥混凝土,抗壓強度為52.5 N·mm-2;采用碎石灰石作粗骨料，河砂作細骨料;高爐礦渣為符合國家標準GB/T 203的S95型。

混凝土試件采用0.45和0.35兩種W/C比，每組試件采用4種不同比例的高爐礦渣,4種比例分別為0、20%、30%和40%，兩組試件的詳細信息見表1。其中,所有混凝土試件均為直徑100 mm、高200 mm的圓柱體,同時分別養護至28 d和90 d齡期。

表1 混凝土配合比

本文采用快速氯離子遷移(RCM)測試混凝土的抗氯離子滲透性能,同時采用壓汞孔隙率法(MIP)測量混凝土的毛細孔結構。因此,在測試試件抗氯離子滲透性能和毛細孔結構之前,需要對試件進行一定的處理,即將圓柱體試件分割為50 mm厚的圓柱體試樣,并將分割后的試樣放入Ca(OH)2溶液中飽和浸泡18 h;進行MIP測試之前,需要將圓柱體試樣壓為大約1 cm3的小碎塊。

1.2 試驗方法

1.2.1 快速氯離子遷移(RCM)測試

采用符合NT Build 492[13]混凝土氯離子擴散系數的快速測定方法進行RCM測試。具體過程為:首先通過電流加速使得氯離子進入試件中;然后通過噴灑AgNO3溶液來測量氯離子的最終滲透深度;最后將測量出的氯離子最終滲透深度代入給定的公式,并計算出RCM系數。

1.2.2 壓汞孔隙率法(MIP)

使用PoreMaster 60GT水銀孔隙度儀,并通過MIP測試方法來測試混凝土試樣的毛細孔結構。從試驗數據中提取混凝土試樣的毛細孔隙率、最可幾孔徑和毛細孔徑分布情況。本文中的毛細孔是指直徑在10～10 000 nm的孔隙[14]。

2 結果與分析

2.1 BFS混合混凝土毛細孔結構參數

2.1.1 毛細孔隙率

本文試件的毛細孔隙率在不同條件下與高爐礦渣摻量的關系如圖1所示。由圖1可知:1)當養護齡期一致時,W/C比為0.45時混凝土試件的毛細孔隙率比W/C比為0.35時的大;當W/C比相同時,養護齡期越長混凝土試件的毛細孔隙率越小。由此表明W/C比和養護齡期是影響BFS混合混凝土毛細孔結構的重要因素。2)當W/C比為0.45養護齡期為28 d時,BFS混合混凝土毛細孔隙率隨著礦渣摻量的增加而增加;在其他3種W/C比和養護齡期條件下,BFS混合混凝土毛細孔隙率隨著礦渣摻量的增加,呈現出先增加后降低的趨勢,并在摻量為20%時表現為最大,表明通過增加礦渣摻量并不能保證優化BFS混合混凝土的毛細孔隙率,此變化規律可能是BFS水泥水化和BFS火山灰反應的結果。

2.1.2 最可幾孔徑

混凝土試件最可幾孔徑在不同條件下與高爐礦渣摻量的關系如圖2所示。由圖2可知:1)在不同W/C比和養護齡期下,混凝土試件的最可幾孔徑均呈現出隨礦渣摻量增加而減小的趨勢,由此說明高摻量礦渣使得混凝土試件得到了更細的毛細孔結構,此結果與Uysal等[15]的研究結論一致,說明BFS的火山灰反應產物可以填充結構構件的孔隙并降低孔隙系統的連通性。2)在相同水灰比及礦渣摻量條件下,混凝土試件最可幾孔徑隨養護齡期的增加而降低,這與混凝土結構常識完全相符,由此表明更長的養護時間可保證BFS火山灰反應和水泥水化發生更完全,進而使得更多的反應產物填充初始孔隙。

圖1 不同礦渣摻量、W/C比及養護齡期下 混凝土試件的毛細孔隙率

圖2 不同礦渣摻量、W/C比及養護齡期下 混凝土試件的最可幾孔徑

2.1.3 毛細孔徑分布

直徑大于50 nm的毛細孔為水通量形成一個連續的孔隙系統,輸送氯離子溶液,最終影響混凝土的滲透性[11]。為了更好地分析BFS對混凝土毛細孔結構的影響,本文假定直徑大于50 nm的毛細孔對混凝土的滲透性有影響,并將直徑大于50 nm的毛細孔定義為有害毛細孔。同時假設有害毛細孔的占比代表毛細孔系統質量的一個參數,將此參數定義為“有害毛細孔占比”。通過試驗分析,本文混凝土試件在養護齡期為28 d和90 d下,有害毛細孔占比情況如圖3所示。

由圖3可知,有害毛細孔占比隨著礦渣摻量的增加而呈現下降趨勢。其中,當W/C比為0.45,礦渣摻量為40%時,養護齡期28 d和90 d混凝土試件的有害毛細孔占比分別為普通混凝土的36.87%和38.46%;當W/C比為0.35,礦渣摻量為40%時,養護齡期28 d和90 d混凝土試件的有害毛細孔占比分別為普通混凝土的54.12%和11.23%。由此說明礦渣摻量和養護齡期越大,BFS混凝土試件毛細孔結構的質量就越高。

2.2 快速氯離子遷移(RCM)系數

不同養護齡期下RCM系數分布情況如圖4所示。由圖4可知:1)當W/C比一定時,RCM系數隨著礦渣摻量的增加而降低。其中,當W/C比為0.45、齡期為28 d時,礦渣摻量為20%、30%和40%混凝土試件的RCM系數分別為普通混凝土試件的80.98%、65.56%和61.76%,這一現象是由BFS中火山灰反應引起的。一方面火山灰反應產物可以填充初始孔隙,以使試件孔隙結構更加致密;另一方面火山灰反應能產生更多的弗里德爾鹽以提高其與氯離子的結合能力。因此BFS可以改善混凝土的物理和化學特性,進而提高其抗氯離子滲透性能[16]。2)當養護齡期、礦渣摻量一定時,W/C比越低其RCM系數越小,表明較低的W/C比致使試件初始毛細孔結構更緊密,從而使得抗氯離子滲透性能增強,因此W/C比是影響試件抗氯離子滲透性能的一個重要參數;當W/C比、礦渣摻量一定時,養護齡期越長其RCM系數越小,主要原因是BFS中火山灰反應與水泥水化相似,其反應需要足夠長的時間作為支撐,故RCM系數隨著養護齡期的延長將會降低[17]。

圖3 不同礦渣摻量、W/C比及養護齡期下 混凝土試件的有害毛細孔占比

圖4 不同礦渣摻量、W/C比及養護齡期下 混凝土試件RCM系數

2.3 RCM系數與毛細孔隙率、 最可幾孔徑和有害毛細孔占比的相關性分析

在研究BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能時,研究者們習慣于將抗氯離子滲透性能與W/C比、養護齡期以及礦渣摻量等參數聯系起來[18]。但由于原材料的物理和化學特性存在差異,使得以上參數與抗氯離子滲透性能相關性的理論基礎較為薄弱。本文基于以上試驗結果的總結分析,進一步將抗氯離子滲透性能與毛細孔結構聯系起來,以分析RCM系數與毛細孔結構參數之間的相關性。

2.3.1 RCM 系數與毛細孔隙率的相關性

RCM系數與毛細孔隙率之間的關系如圖5所示。由圖5可知,整體上RCM系數隨著毛細孔隙率的增加呈增加趨勢,但其散點分布較為散亂,無明顯的相關性,表明毛細孔隙率對BFS混合混凝土抗氯離子滲透性能的影響較小,主要是由于只有“有效”的毛細孔(前文定義的有害毛細孔)才允許氯離子進入。因此,將混凝土的抗氯離子滲透性能與毛細孔隙率聯系起來不太合理。

2.3.2 RCM系數與最可幾孔徑的相關性

最可幾孔徑是表征孔隙結構連通性的參數,其值越大表示孔隙結構越連續,進而導致混凝土結構更容易被氯離子侵入。由圖6可知,RCM系數隨著最可幾孔徑的增大而增大。為了進一步定量分析RCM系數與最可幾孔徑之間的關系,對圖6中的散點進行了回歸分析,其R2值為0.541 6,可見最可幾孔徑與RCM系數的線性相關性較弱。表明最可幾孔徑雖然是影響混凝土抗氯離子滲透性能的參數,但其重要性沒有預期的高。

圖5 RCM系數與毛細孔隙率的相關性

圖6 RCM系數與最可幾孔徑的相關性

2.3.3 RCM系數與有害毛細孔占比的相關性

由圖7可知，RCM系數隨著有害毛細孔占比增加而增加，表明良好的毛細孔結構有利于BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能。此結論與石東升等[19]的研究成果一致。為了進一步定量分析RCM系數與有害毛細孔占比之間的相關性，本文對圖7的散點進行了回歸分析，其R2值為0.784 8，表明RCM系數與有害毛細孔占比相關性較強，從而論證了并非所有毛細孔都允許BFS混合混凝土氯離子進入的假設。

圖7 RCM系數與有害毛細孔占比的相關性

3 結 語

本文通過試驗研究及分析探討,可得出以下結論:

1)可通過降低混凝土結構毛細孔的連通性和有害毛細孔占比來優化BFS混合混凝土的毛細孔結構,進而提高BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能。

2)W/C比和養護齡期可通過影響最可幾孔徑和有害毛細孔占比,進而影響BFS混合混凝土抗氯離子滲透性能。其中,低W/C比和較長養護齡期可提高BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能。

3)最可幾孔徑和有害毛細孔占比均與BFS混合混凝土的RCM系數相關,其中最可幾孔徑與RCM系數之間的線性相關性較弱,而有害毛細孔占比與RCM系數之間的線性相關性較強,表明直徑大于50 nm 毛細孔對BFS混合混凝土的抗氯離子滲透性能具有重要的影響。