气泡结构特征对混凝土抗盐冻性能的影响*

张云清 余红发 王甲春

(南京航空航天大学土木工程系,江苏南京 210016)

混凝土的气泡结构特征决定了混凝土的抗冻性能.Powers[1]在20世纪30年代提出的静水压理论成功地解释了引气剂改善混凝土抗冻性的原因, Fagerlund[2]通过理论推导表明,毛细管中的水结冰产生的静水压力与体系气泡间距的平方成正比,气泡间距越大,水流入其它空隙的流程越长,压迫水通过毛细管所需的水压也越大,最终在毛细管局部产生的高水压超过了混凝土的抗压强度,混凝土就产生裂缝直至破坏.Powers等[3-5]发现,多孔材料不仅会被水的冻结所破坏,也会因有机液体的冻结而发生破坏,遂又产生了渗透压假说.也就是说,冻结对混凝土的破坏力是水结冰体积膨胀造成的静水压力和冰水蒸气压差、溶液中盐浓度差造成的渗透压两者的共同作用[2],多次冻融循环的积累疲劳作用使冻结生成的微裂纹不断扩大,直至混凝土剥落断裂.

针对当前混凝土工程存在的诸多耐久性问题,国家“973”计划项目提出了现代混凝土的概念.现代混凝土技术的一个突出特点就是大量使用矿物掺合料和各种外加剂.当前,掺引气剂及矿物掺合料是现代混凝土工程普遍采用的改善抗冻性、确保耐久性的两种有效技术手段.随着科研的不断深入,人们发现,对于水灰比较大、强度等级比较低的混凝土,引气剂提高抗冻性的效果取决于硬化混凝土中的气泡特征,如气泡含量、尺寸、间距及分布状态等[6-7];而对于掺矿物掺合料的低水胶比的混凝土,引气方法是否依然有效、是否有必要引气以及这种混凝土具备较高抗冻性是否同样要求与高水灰比、低强度混凝土一样的气泡结构特征,是人们关注的基础理论和实际技术问题.文中利用低真空扫描电子显微镜(SEM)观察了硬化混凝土中的气泡结构形貌,运用随机配套的图像分析软件计算气泡结构的特征参数,以揭示现代混凝土的抗冻性能与气结构特征、水胶比和矿物掺合料之间的内在规律.

1 实验

1.1 原材料

水泥:南京江南小野田水泥厂生产的P.Ⅱ52.5硅酸盐水泥,其基本物理、力学性能和化学成分见表1和2,其熟料中C3S、C2S、C3A和C4AF的含量(质量分数)分别为55.5%、19.9%、6.6%和10.2%.

粉煤灰:镇江产风选Ⅰ级粉煤灰(FA),细度6.8%,含水率 0.04%,烧失量 2.04%,需水量比93%,化学成分见表2.

矿渣:江苏江南粉磨公司的 S95级磨细矿渣(SG),化学成分见表2.

硅粉:埃肯国际贸易(上海)有限公司提供的埃肯牌微硅粉(SF),化学成分见表2.

表1 P.II 52.5硅酸盐水泥的物理、力学性能Table 1 Physical and mechanical p roperties of P.II 52.5 Portland cement

表2 主要胶凝材料的化学成分Tab le 2 Chemical composition ofmain cementitiousmaterials %

砂:南京产黄砂,表观密度2500kg/m3,堆积密度1615 kg/m3,含泥量1.0%,细度模数2.72,属于Ⅱ区级配,中砂.

石子:南京六合产玄武岩碎石,最大粒径10mm,表观密度2820kg/m3,堆积密度1435kg/m3,含泥量0.3%,针片状颗粒含量11.4%,压碎值6%,基本属于5～10mm连续级配.

减水剂:江苏省建筑科学研究院生产的JM-B型萘系高效减水剂,黄褐色粉末,减水率达 20%以上,Na2SO4含量小于2%,氯离子含量小于0.01%.

引气剂:江苏省建筑科学研究院生产的液态JM-2000c高效引气剂,推荐掺量为 0.005% ～0.01%(质量分数).

水:南京市自来水.

1.2 配合比

实验设计了强度等级分别为 C30、C40、C50、C60和 C70的混凝土,具体配合比及性能见表3.其中,C30是非引气的普通混凝土(OPC),A30是在C30基础上的引气混凝土(APC),其余是分别掺SG、FA或SF的引气高性能混凝土(HPC).

表3 混凝土的配合比与基本性能Table 3 Mixing ratio and key properties of concrete

1.3 实验方法

1.3.1 抗冻性实验

按照GBJ 82—85《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法》中的“快冻法”进行抗冻性能实验.冻融设备采用CDR-2型混凝土快速冻融试验机,冻融介质选用质量分数为3.5%的NaCl溶液.试件质量变化采用感量0.1g的电子天平测定,动弹性模量变化采用NM-4B型非金属超声波检测分析仪测定,具体方法参见文献[8].采用抗冻融耐久性指数DF[9]作为混凝土的抗冻性能评价指标,计算公式如下:

式中:E0为混凝土试件的初始动弹性模量;E1为混凝土试件经过 300次冻融循环后的动弹性模量.不同混凝土试件的DF值测试结果如表4所示.

表4 混凝土试件气泡特征观测数据统计分析Table 4 Statistical analysis for observation data of air bubbles in hardened concrete

1.3.2 气泡结构特征的SEM分析

试样取自混凝土试件的新鲜断面,观察前先用JEE-420真空喷涂机对试样表面喷Au导电层(厚度约10μm),然后用日本电子光学公司(JEOL)生产的JSM-5610LV型低真空SEM(SEM分辨率3.5nm、仪器加速电压20kV)对试样气泡进行观察和结构分析.气泡结构的特征参数采用随机配套的图像分析软件SMILE VIEW进行分析、计算,不同混凝土试件的气泡平均直径 ¯D和气泡平均间距 ¯L等特征参数的统计结果如表4所示.

2 结果与讨论

2.1 引气混凝土的气泡特征

混凝土含气量与 ¯D和 ¯L的关系如图 1、2所示,为了便于比较,图 1中同时给出了文献[10]中含气量与¯L的关系.结果表明,混凝土含气量与¯L和¯D有着良好的相关性,含气量越高,¯L和 ¯D越小,同时由图 1可见,¯L随含气量的变化规律与文献[10]中基本一致.可见,当引气剂的品种确定后,¯L和¯D在很大程度上由含气量决定.

图1 混凝土含气量与¯L的关系Fig.1 Relationship between air content of concrete and¯L

图2 混凝土含气量与¯D的关系Fig.2 Relationship between air content of concrete and¯D

已有文献[11]指出,矿物掺合料的含碳量、细度、颗粒形态等因素,以及混合料黏度的变化,对气泡的形成与稳定性均有一定的影响,主要体现为引气剂的掺量较普通混凝土增加很多,甚至成倍增加.但是,文中研究表明,矿物掺合料并没有改变含气量和气泡特征值之间的相关性.因此,无论是否掺矿物掺合料,引气混凝土的气泡结构特征与含气量之间的相关性不变.

2.2 抗盐冻性与气泡特征参数之间的关系

2.2.1 抗盐冻性与含气量的关系

混凝土DF与含气量之间的关系如图3所示.以往的研究[12]表明:当混凝土的含气量低于 2.0%时,其DF均在30%以下;当含气量大于3.0%时,混凝土的DF可达80%以上;当混凝土的含气量在2.0%～3.0%之间时,其DF在30%～80%之间,处于突变的阶段,即含气量对抗冻性的影响存在一个临界范围,在水中冻融循环条件下,该临界含气量的范围为2.0%～3.0%.文中实验所用的冻融介质为NaCl溶液,含气量对混凝土DF的影响呈现与水中冻融相似的变化规律,不过由于NaCl溶液在冻融条件下具有更大的冻胀压力,导致混凝土含气量的临界范围提高到了4.5%～5.0%.因此,在盐冻条件下,混凝土具有较高抗冻性的含气量应提高至5.0%以上.

图3 混凝土DF与含气量的关系Fig.3 Relationship between DF and air content of concrete

2.2.2 抗盐冻性与气泡平均间距的关系

混凝土DF与¯L之间的关系如图4所示.文献[13]对于水中抗冻性的实验结果表明,气泡间距越小,混凝土抗冻性越强,当气泡间距小于 250μm时, DF基本上能达到60%以上;当气泡间距大于300μm时,DF都低于30%,混凝土抗冻性都比较差.由图4可见:在盐冻条件下,对于掺矿物掺合料的HPC,当强度等级低于C50时,抗冻性与¯L之间的关系规律与水中冻融规律基本一致;当HPC的强度等级达到C60以上时,虽然高达 700μm,但其抗盐冻性能仍非常好.主要原因在于:较高强度等级的HPC不仅形成了更多的 C-S-H凝胶[14],而且界面结构得到有效改善,基体孔结构进一步细化,其孔结构主要是冰点低达-78℃的凝胶孔[15].因此,高强HPC满足抗盐冻性要求的气泡间距远大于OPC.

图4 混凝土DF与之间的关系Fig.4 Relationship between DF an of concrete

3 结论

(1)当引气剂的品种确定后,混凝土的平均气泡间距和平均气泡直径与含气量具有密切的相关性,含气量越高,平均气泡间距和平均气泡直径越小.

(2)含气量对抗冻性的影响存在一个临界范围,在盐冻环境下具有较高抗冻性能的混凝土的临界含气量为4.5%～5.0%,具有较高抗盐冻性的混凝土的含气量应提高至5.0%以上.

(3)对于掺矿物掺合料的HPC,具有良好抗盐冻性所要求的气泡间距与强度等级有关,当强度等级低于 C50时,平均气泡间距必须小于 250μm,当强度等级提高到C60以上时,平均气泡间距可以增大到700μm.

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