大摻量礦物摻合料混凝土耐久性研究

高 偉,馬志才,蘇 磊,田 亮

(北京交通運輸職業學院 道路橋梁學院,北京 101121)

全世界的建筑材料品種繁多,其中混凝土是主要的建筑材料之一,我國是基建強國,也是混凝土使用最多的國家[1-3]。目前,荷載作用下的強度大小是建筑工程在設計時考慮的關鍵因素,而對混凝土的耐久性重視不夠,尤其是在各種不同的環境條件下對耐久性更要加強檢測。很多工程案例表明,混凝土的耐久性并未全部達到人們的期望值,有部分工程在沒有達到設計使用壽命之前就出現了耐久性劣化現象,甚至出現嚴重的工程事故,造成了巨大的社會和經濟損失[4-6]。將礦物摻合料摻入到混凝土中,一方面為目前產生的大量廢棄礦物粉料提供了循環利用的新途徑,另一方面會對混凝土的某些性能有所改善[7-8]。由于高堿性混凝土環境中鋼筋的鈍化膜被氯離子損壞,使得鋼筋出現銹蝕現象,碳化能夠降低混凝土環境中的堿度,鋼筋的鈍化膜同樣也會遭到損壞,出現鋼筋銹蝕現象,最后導致結構的強度下降[9-10]?；趯ΜF有理論成果的研究,筆者著重研究了在混凝土中摻入大量摻合料后混凝土的抗氯離子滲透能力和抗碳化能力的變化規律。

一、試驗用原材料

(一)原材料

試驗用天然砂各項指標見表1。

表1 天然砂各項指標

試驗用粉煤灰為I粉煤灰,各項指標見表2。

表2 粉煤灰各項指標

試驗用礦粉(礦渣粉)為?；郀t粉(S95級)。試驗用水泥為普通硅酸鹽水泥(42.5級),各項指標見表3。

表3 水泥各項指標

試驗用碎石最大粒徑為25 mm,各項指標見表4。

表4 碎石各項指標

試驗用減水劑分為兩種,C50采用萘系高效減水劑,減水率為25%;C60和C70采用聚羧酸減水劑,減水率為35%～40%。試驗用水為自來水。

二、試驗方法與混凝土配合比設計

(一)試驗方法

混凝土氯離子擴散系數試驗采用NEL-VJ型混凝土真空飽水飽鹽設備和NEL-PD型混凝土滲透性電測儀,評定其抗滲透耐久性的高低。評價標準見表5。

表5 NEL法評價標準

試件采用的規格為100 mm×100 mm×100 mm,進行規定的蒸汽養護后,將試件上下兩個面各切去25 mm,形成100 mm×100 mm ×50 mm的試件,要達到上下表面平整的要求。

混凝土碳化深度利用GBJ 82—85快速碳化法進行測定,使用規范要求的標準碳化箱,采用100 mm×100 mm×100 mm規格標準的混凝土試塊,制作完成24 h后方可拆模,并及時放入CO2氣體,使其體積百分比保持在20%±3%,溫度為20±5 ℃,濕度為70%±5%,在28 d后從碳化箱中取出,測定混凝土試塊的碳化深度。

(二)試驗配合比

對C50、C60和C70的混凝土各設計了3組配比,具體配比見表6。

表6 試驗配合比

三、試驗結果與分析

(一)氯離子擴散系數結果與分析

對C50、C60和C70混凝土3組不同配比的試樣進行氯離子擴散系數測定試驗,試驗結果見表7。

表7 混凝土的氯離子擴散系數

對C50、C60和C70混凝土3組不同配比的試樣進行氯離子擴散系數測定試驗,氯離子擴散系數隨粉煤灰摻量的變化趨勢見圖1。

圖1 氯離子擴散系數隨粉煤灰摻量變化曲線

由表7和圖1可見:氯離子的擴散系數隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸減小,混凝土在抵抗氯離子滲透的能力上隨之增強:固定水膠比0.29,粉煤灰摻量從40%到50%變化時,C50氯離子擴散系數減小了1.859 /(10-8cm2/s);固定水膠比0.28,粉煤灰摻量從40%到50%變化時,C60氯離子擴散系數減小了1.142/ (10-8cm2/s),其中C60-3混凝土氯離子擴散系數屬于Ⅳ(低),擴散系數是(0.5～1)/ (10-8cm2/s);固定水膠比0.26,粉煤灰摻量從40%到50%變化時,C70氯離子擴散系數減小了1.322/ (10-8cm2/s),其中C70-3混凝土氯離子擴散系數屬于Ⅴ(很低),擴散系數是(0.1～0.5)/ (10-8cm2/s)。氯離子滲透系數隨著強度的增加而不斷減小,減小混凝土的水膠比能夠在提升混凝土強度方面起到有效作用,混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力也不斷提升。水膠比從0.29到0.26變化時:固定粉煤灰的摻量為40%,混凝土的強度從C50到C70變化時,混凝土氯離子擴散系數減小了2.203 /(10-8cm2/s);固定粉煤灰的摻量為45%,混凝土的強度從C50到C70變化時,混凝土氯離子擴散系數減小了1.586/(10-8cm2/s);固定粉煤灰的摻量為50 %,混凝土的強度從C50到C70變化時,混凝土氯離子擴散系數減小了1.602/(10-8cm2/s)。

通?；炷林新入x子的滲透性取決于兩個基本因素:其一體現在混凝土對氯離子滲透擴散阻礙能力的強弱上,混凝土的孔隙率、孔徑分布直接影響這種能力;其二是體現在混凝土對氯離子的物理或化學結合強弱的能力上,統稱為固化能力。將礦物摻合料摻入到混凝土中能夠使孔結構和級配得到較為有效的改善,結果呈現出混凝土的孔隙率和最可幾半徑隨著礦物摻合料摻量的不斷增加而逐漸減小[11],混凝土水化物的結構組成也將得到改變,礦物摻合料的火山灰效應減少了粗大結晶Ca(OH)2的數量和結晶在水泥石-集料界面過渡區的富集與定向排列[12-13],并且其二次水化反應能生成更多的低堿度的C-S-H 凝膠,混凝土的密實度有效改善,結合氯離子的能力顯著增強,混凝土抵抗氯離子擴散能力也相應不斷提高。

(二)碳化深度結果與分析

按照相關的規范和標準要求,混凝土結構物中鋼筋保護層的厚度一般為20～25 mm。對C50、C60和C70混凝土3組不同配比的試樣進行碳化深度測定試驗,試驗結果見表8。

表8 混凝土碳化深度

對C50、C60和C70混凝土3組不同配比的試樣進行碳化深度測定試驗,碳化深度隨粉煤灰摻量的變化趨勢見圖2。

圖2 碳化深度隨粉煤灰變化曲線

由表8和圖2可見:混凝土的碳化深度隨著粉煤灰摻量的增加而呈現出增大的趨勢,表明混凝土的抗碳化能力在減小。固定水膠比0.29,粉煤灰摻量從40%到50%變化時,C50碳化深度增加了3.5 mm;固定水膠比0.28,粉煤灰摻量從40%到50%變化時,C60碳化深度增加了3.4 mm;固定水膠比0.26,粉煤灰摻量從40%到50%變化時,C70碳化深度增加了1.3 mm?；炷恋奶蓟疃入S著強度的增加而減小,抗碳化能力逐漸增強,減小混凝土的水膠比能夠有效提高混凝土的強度,混凝土抗碳化能力得到了提升[14-15]。水膠比從0.29到0.26變化:固定粉煤灰的摻量為40%,混凝土的強度從C50到C70變化時,碳化深度減小了2.5 mm;固定粉煤灰的摻量為45%,混凝土的強度從C50到C70變化時,碳化深度減小了3.6 mm;固定粉煤灰的摻量為50%,混凝土的強度從C50到C70變化時,碳化深度減小了4.7 mm。

四、結束語

隨著礦物摻合料的摻入比例不斷增加,混凝土的氯離子擴散系數不斷減小,抵抗氯離子滲透能力逐漸增強。固定水膠比0.26,礦粉摻量為膠凝材料的17%,粉煤灰摻量為膠凝材料的50 %時,氯離子擴散系數可以達到0.403 /(10-8cm2/s),按照NEL法評價標準看,屬于Ⅴ(很低),擴散系數是(0.1～0.5)/ (10-8cm2/s)。在固定礦物摻合料比例的情況下,混凝土氯離子擴散系數隨著混凝土強度的增加而不斷減小,抵抗氯離子滲透能力逐漸增強。

混凝土抗碳化能力與混凝土配合比中的礦物摻合料的摻入量顯現出了反比關系,抗碳化能力隨著礦物摻合料摻量的增多而降低,試驗表明在混凝土的水膠比較大時效果明顯,可見降低水膠比是提高大摻量摻合料混凝土抗碳化性能的有效解決途徑之一。隨著水膠比的減小,混凝土自由水相應減少,水化過程中形成的聯通孔較小,減少了二氧化碳的滲透傳輸通道,降低了碳化反應過程,提高了混凝土抗碳化性能[16]。