致密堆积混凝土孔结构与电通量研究

2012-02-15张玉喜高振国

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2012年4期

张玉喜，高振国

(石家庄铁道大学材料科学与工程学院，河北石家庄 050043)

0 引言

由于氯盐侵蚀混凝土钢筋，使之发生孔蚀，进而导致形成宏观电池，使混凝土内部钢筋钝化膜不能及时修复，金属铁变成铁锈，体积发生变化，进而使混凝土开裂直至破坏。因而评判混凝土抗氯离子的侵蚀能力，是非常重要的一项耐久性指标。氯盐对混凝土的侵蚀是分为混凝土内部和外部的氯盐造成的侵蚀。内部侵蚀是指由于混凝土拌制时由原材料本身带进的氯盐，主要是指利用海盐等作为原材料生产的混凝土。外部侵蚀指由于环境主要是指海水中的氯盐侵入混凝土内部造成混凝土的钢筋锈蚀直至破坏。内部的造成的氯盐可以通过选择原材料加以控制。外部进入混凝土的氯盐就需要改变混凝土的结构以及钢筋保护层的厚度。

外部进入混凝土的氯离子扩散方式主要有扩散、毛管管吸附和渗透等迁移机制。三种机制可能同时进行，其中渗透迁移机制和扩散与毛细管吸附相比可以忽略不计。混凝土孔结构对氯离子扩散的影响是比较显著的，Cl-在有水的情况下，进入混凝土内部，并且通过毛细管吸附和扩散随水在混凝土中迁移，结构密实度较好的混凝土，孔径向小尺寸偏移，毛细孔孔径减小，使得氯盐侵入的数量减少，而且随着孔隙结构的致密化，孔结构连通性中断，能有效地提高抗Cl-渗透的性能。总之，研究混凝土孔结构对提高抗氯离子性能有重要的意义。测试氯离子扩散的方法有很多［1-2］，本试验主要采用致密堆积混凝土与基准混凝土试件，根据测定方法ASTM C1202—97 测试通过混凝土试件的电通量。采用压汞法测试试件的孔结构指标，研究孔结构对抗氯盐扩散性能的影响。

1 试验

1．1 原材料

水泥采用河北鼎新水泥厂生产的P．O42．5，其主要物理性性能指标见表1。

表1 水泥物理性能

河砂为河北正定出产，表观密度为2 564 kg/m3，细度模数μf= 3．1。石子为河北晋州生产的5 ～20 mm 碎石。粉煤灰为发电厂烟道二级粉煤灰。减水剂为北京建工所研制聚羧酸减水剂。

1．2 试验配比

试验配比采用致密堆积理论［3］和具有相同水胶比的基准混凝土试件试验。比较试件的抗氯离子性能指标。本试验采用不同水泥浆富余系数n 取值为1．2，1．3，1．4，1．5，水胶比(W/B)为0．45、0．6，具体试验配比见表2。A4、B4、C4、D4、C1 为致密堆积混凝土试件，P4 为基准混凝土试件。

表2 氯离子试件试验配比

1．3 氯离子扩散试验方法

试验采用ASTM C1202—97 检测评价标准氯离子通过混凝土壁面的总电荷，见表3。将混凝土试件预先按配比拌制养护28 d 后，取出试件将其钻心、切割成直径Φ100 mm 高度50 mm 的氯离子电通量试件。采用真空泵对混凝土试件抽真空4 h，而后保水浸泡18 h。将试件侧面蜡封并将两端用橡胶垫圈固定在电池盒中。阳极一端接入0．3 N/L 的NaOH 溶液，阴极接入3%的NaCl 溶液。通入直流电压60 V，每5 min 测试一次电流，连续测试6 h 通过的总电量单位为C。

此法方便可行，以确定的水胶比(水灰比)检测其导电量，以此评价混凝土的耐久性指标(电通量)。

表3 ASTM C1202—97 对混凝土渗透性评价

1．4 压汞法试验原理

压汞法的原理比较简单，依据汞对水泥基复合材料的不润湿性特性(汞和固体之间润湿角θ 大于90°)。所以只有借助外力作用于汞，汞才能压入多孔固体中微小的孔内。通常，外界所施加的压力等于汞在毛细孔内的表面张力。毛细孔半径与外界施加的压力之间的关系式为［4］

式中，σ 为汞的表面张力;r 为毛细孔半径;θ 为汞对固体的润湿角;P 为作用于汞的压力。压汞法就是应用施加于汞的压力进而确定汞压入孔的最小半径，即一定压力对应一定的孔径。应用此方法，可以求出混凝土水泥砂浆的孔径分布。

2 试验结果与讨论

2．1 致密堆积结构对电通量的影响

试验混凝土全部试件的电通量指标见图1。由图1 可知，致密堆积混凝土试件电通量指标除C1 外，其余的电通量均小于P4。这是因为由表2 可知A4、B4、C4、D4 的砂率(Sp=36．7% )大于P4 的砂率(Sp= 34% )，因为致密堆积混凝土的砂率是由填充法［3］求得的较为科学合理，其致密堆积的骨料空隙率比基准混凝土P4 的空隙率小，结构更加致密，在相同水胶比条件下P4 的相对孔隙率就会更大，所以P4 电通量数值较大。而C1 虽然是致密堆积结构，但是C1 的水胶比最大，砂浆孔隙较多，且粉煤灰含量又小于P4，因而C1 结构不如P4 密实，C1 的电通量值最大。

图1 混凝土电通量

2．2 混凝土孔结构指标对电通量的影响

本试验测试采用的压汞设备为AutoPore IV 9500 V1．09 系列全自动压汞仪，该压汞仪使用汞侵入法来测定总孔体积、孔径分布、密度、孔隙率等，测量孔径范围:0．003 ～1 000 μm，封闭式汞系统。测试试件的压汞法结构指标见表4，各个试件的孔径分布曲线见图2 ～图7。

表4 试件孔结构试验结果

2．2．1 最可几孔径对电通量的影响

由表4 可知，A4、B4、C4、D4、C1、P1 的最可几孔径值，可知致密堆积混凝土具有相同水胶比的不同水泥浆富余系数的试件具有相同或相似的最可几孔径值。再结合图1 的电通量指标可知，最可几孔径值相差最大的C1 与其他试件的电通量指标相比，电通量值最大。即最可几孔径越大其抗氯离子渗透能力越差。这是因为最可几孔径越大，则砂浆中的毛细孔越大，由公式(1)可知，在不润湿情况下，压进入毛细孔的所压力值就会比较小。因而最可几孔径越大，水分或氯离子就比较容易浸润毛细孔，形成氯离子扩散。

2．2．2 孔隙率对电通量的影响

孔隙率对混凝土的抗氯离子渗透性能有影响。一般而言，孔隙率越大，试件的致密性变差，氯离子越容易扩散。但图1 所示的电通量指标与孔隙率相关性较差，这是因为混凝土电通量还受其他因素的影响。一般情况下水泥石内的孔径分为圆柱孔、板隙孔、球形孔和无模型孔。由图2 ～图7 所显示的孔径分布曲线可知，试件的进汞和退汞曲线并未完全重合，说明进汞量和退汞量存在差值，该差值是由试件内墨水瓶状孔中的汞不能自动退出造成的［5］。可见混凝土中存在开口孔、通孔及墨水瓶状孔等多种孔隙。孔隙率大，不表明开口孔或通孔量大，因而孔隙率高电通量不一定大，需要进一步的分析。排除试件内部的墨水瓶状孔，分析试件的贯通孔的分布情况，见表5。墨水瓶孔隙量是指孔隙率与表4 中的墨水瓶状孔相对量的乘积。贯通孔率指孔隙率与墨水瓶孔隙量之差。

图2 A4 孔径分布曲线

图3 B4 孔径分布曲线

表5 孔径部分情况

由表5 可知，砂浆试件的贯通孔含量体现了砂浆的渗透性能。以B4 和相同水胶比的D4 为例。B4的贯通孔含量小于D4，因而其抗渗透性能要优于D4，电通量低于B4 试件的电通量。

图4 C4 孔径分布曲线

图5 D4 孔径分布曲线

图6 C1 孔径分布曲线

图7 P4 孔径分布曲线

2．2．3 分形维数对电通量的影响

分形几何学一门新的数学分支，用于描述自然界的不规则以及杂乱无章的现象和行为，分形的主要概念是分形维数，它可以定量地描述几何形体的复杂性及空间填充能力［6］。分形维数在混凝土孔隙中的应用，体现在表达混凝土孔隙的连续与离散程度上。由表4 可知，C4、D4 的分形维数较小，所以其砂浆孔隙的复杂程度较低，孔隙与孔隙之间孔隙内部无序程度较小，孔隙较规整，不利于氯离子的扩散，因而电通量指标较小。而C1、P4 的分形维数值较大，孔径较复杂，较易形成网络状孔结构，电通量值较大。B4的分形维数也较大，但是B4 的墨水瓶状孔相对量较多，不利于氯离子的扩散。A4 的分形维数大于C4、D4，所以电通量指标也较大。

2．3 其他因素对电通量的影响

氯离子在混凝土的扩散是一个极其复杂动态的过程，除了受到以上的因素影响之外，还受其他因素影响。氯离子在有水的情况下，进入混凝土内部，其中部分Cl-会与水泥水化产物生成Friedel 盐和其他水化产物，此外混凝土内部的毛细孔壁也会吸附部分Cl-，因而这部分Cl-被固化在混凝土内部，不会形成扩散，但是这部分固化的Cl-，会由于混凝土碳化和其他盐类腐蚀会将Friedel 盐分解掉，重新形成Cl-扩散;此外Cl-的扩散在混凝土和水泥石中的扩散是不同的，混凝土的渗透除了砂浆的界面和孔结构以外，还有骨料与砂浆以及骨料界面和各类尺寸的孔结构等相，骨料对氯离子的扩散有阻止作用［7］。所以致密堆积混凝土的结构较为致密，抗氯离子渗性能较好。