不同水灰比和养护龄期下高炉矿渣掺量对混凝土毛细孔结构的影响

2022-04-25张树俊黄冬辉郑一夫

金陵科技学院学报 2022年1期

张树俊,黄冬辉,杨兵,郑一夫

(1.南京市市政设计研究院有限责任公司,江苏南京 210098;2.金陵科技学院建筑工程学院,江苏南京 211169)

根据现有研究,氯化物引起的钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土(RC)构件耐久性的重要因素之一[1-2]。随着工业化进程的不断推进,氯化物引起的钢筋腐蚀导致RC基础设施的耐久性情况进一步恶化,进而使其实际寿命难以达到设计使用寿命,这一现象在工业化国家更为显著[3]。因此,为了改善RC结构的抗氯化能力,在混凝土混合料中使用粉煤灰、高炉矿渣等多种矿物替代材料,以提高混凝土的抗氯离子渗透性能,进而提高 RC 结构的耐久性。

高炉矿渣(BFS)是高炉锻造生铁的一种副产品,具有类似水泥的水硬特性[4]。高炉矿渣的潜在水化活性于1862在德国被首次发现,1865年被首次应用在BFS混合水泥的商业生产中。自此,高炉矿渣被大规模应用于各类水泥基材料的制造中。高炉矿渣的化学组成受所用铁矿石的影响而产生一定的变化,其主要的化学组成为二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO),这些组分能占到95%左右。高炉矿渣的主要化学组成和普通水泥的化学组成非常相似。在实际应用中,高炉矿渣会预先经过研磨以细化其颗粒,从而提高其水化活性。经过研磨后的高炉矿渣具有和普通水泥颗粒非常接近的细度和比表面积[5]。

高炉矿渣能够改善混凝土的孔结构，提高水泥水化产物对氯离子的吸附能力,从而有效减缓氯离子在混凝土中的传输速度[6-8]。目前许多学者研究高炉矿渣对混凝土孔结构的改善作用。如Divsholi等发现当混凝土中分别掺入10%、30%和50%的高炉矿渣时,混凝土的平均孔径能够降低15%、30%和47%[9]。Luo等发现大掺量高炉矿渣混凝土的大孔含量比普通混凝土低很多[10]。此外,许多研究试图将混凝土孔结构的特征参数与其抗氯离子渗透性能联系起来。如Kropp等认为BFS混合混凝土孔隙结构的改变是其抗氯离子渗透性能提高的主要因素[11]。Hewlett认为只有在特定范围内BFS混合混凝土的毛细孔才能影响抗氯离子渗透性能[12]。因此,有必要对BFS混合混凝土的毛细孔结构特征进行分析研究,进而分析其对抗氯离子渗透性能的影响。

为了研究BFS用量、水灰比(W/C)和养护时间对RC构件毛细孔结构及其抗氯离子渗透性能的影响，本文试图将快速氯离子迁移(RCM)系数与毛细孔隙率、最可几孔径和有害毛细孔占比等毛细孔结构特征联系起来。采用两种不同W/C比(0.45、0.35)和两种不同养护时间(28 d、90 d)的混凝土试件,通过压汞孔隙率法(MIP)测试RC试件毛细孔结构,采用快速氯离子迁移(RCM)测试RC试件抗氯离子渗透性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

混凝土试件的材料为波特兰水泥、粗骨料、细骨料和高炉矿渣。其中水泥是符合ASTM C150标准的Ⅰ型波特兰水泥混凝土,抗压强度为52.5 N·mm-2;采用碎石灰石作粗骨料，河砂作细骨料;高炉矿渣为符合国家标准GB/T 203的S95型。

混凝土试件采用0.45和0.35两种W/C比，每组试件采用4种不同比例的高炉矿渣,4种比例分别为0、20%、30%和40%，两组试件的详细信息见表1。其中,所有混凝土试件均为直径100 mm、高200 mm的圆柱体,同时分别养护至28 d和90 d龄期。

表1 混凝土配合比

本文采用快速氯离子迁移(RCM)测试混凝土的抗氯离子渗透性能,同时采用压汞孔隙率法(MIP)测量混凝土的毛细孔结构。因此,在测试试件抗氯离子渗透性能和毛细孔结构之前,需要对试件进行一定的处理,即将圆柱体试件分割为50 mm厚的圆柱体试样,并将分割后的试样放入Ca(OH)2溶液中饱和浸泡18 h;进行MIP测试之前,需要将圆柱体试样压为大约1 cm3的小碎块。

1.2 试验方法

1.2.1 快速氯离子迁移(RCM)测试

采用符合NT Build 492[13]混凝土氯离子扩散系数的快速测定方法进行RCM测试。具体过程为:首先通过电流加速使得氯离子进入试件中;然后通过喷洒AgNO3溶液来测量氯离子的最终渗透深度;最后将测量出的氯离子最终渗透深度代入给定的公式,并计算出RCM系数。

1.2.2 压汞孔隙率法(MIP)

使用PoreMaster 60GT水银孔隙度仪,并通过MIP测试方法来测试混凝土试样的毛细孔结构。从试验数据中提取混凝土试样的毛细孔隙率、最可几孔径和毛细孔径分布情况。本文中的毛细孔是指直径在10～10 000 nm的孔隙[14]。

2 结果与分析

2.1 BFS混合混凝土毛细孔结构参数

2.1.1 毛细孔隙率

本文试件的毛细孔隙率在不同条件下与高炉矿渣掺量的关系如图1所示。由图1可知:1)当养护龄期一致时,W/C比为0.45时混凝土试件的毛细孔隙率比W/C比为0.35时的大;当W/C比相同时,养护龄期越长混凝土试件的毛细孔隙率越小。由此表明W/C比和养护龄期是影响BFS混合混凝土毛细孔结构的重要因素。2)当W/C比为0.45养护龄期为28 d时,BFS混合混凝土毛细孔隙率随着矿渣掺量的增加而增加;在其他3种W/C比和养护龄期条件下,BFS混合混凝土毛细孔隙率随着矿渣掺量的增加,呈现出先增加后降低的趋势,并在掺量为20%时表现为最大,表明通过增加矿渣掺量并不能保证优化BFS混合混凝土的毛细孔隙率,此变化规律可能是BFS水泥水化和BFS火山灰反应的结果。

2.1.2 最可几孔径

混凝土试件最可几孔径在不同条件下与高炉矿渣掺量的关系如图2所示。由图2可知:1)在不同W/C比和养护龄期下,混凝土试件的最可几孔径均呈现出随矿渣掺量增加而减小的趋势,由此说明高掺量矿渣使得混凝土试件得到了更细的毛细孔结构,此结果与Uysal等[15]的研究结论一致,说明BFS的火山灰反应产物可以填充结构构件的孔隙并降低孔隙系统的连通性。2)在相同水灰比及矿渣掺量条件下,混凝土试件最可几孔径随养护龄期的增加而降低,这与混凝土结构常识完全相符,由此表明更长的养护时间可保证BFS火山灰反应和水泥水化发生更完全,进而使得更多的反应产物填充初始孔隙。

图1 不同矿渣掺量、W/C比及养护龄期下混凝土试件的毛细孔隙率

图2 不同矿渣掺量、W/C比及养护龄期下混凝土试件的最可几孔径

2.1.3 毛细孔径分布

直径大于50 nm的毛细孔为水通量形成一个连续的孔隙系统,输送氯离子溶液,最终影响混凝土的渗透性[11]。为了更好地分析BFS对混凝土毛细孔结构的影响,本文假定直径大于50 nm的毛细孔对混凝土的渗透性有影响,并将直径大于50 nm的毛细孔定义为有害毛细孔。同时假设有害毛细孔的占比代表毛细孔系统质量的一个参数,将此参数定义为“有害毛细孔占比”。通过试验分析,本文混凝土试件在养护龄期为28 d和90 d下,有害毛细孔占比情况如图3所示。

由图3可知,有害毛细孔占比随着矿渣掺量的增加而呈现下降趋势。其中,当W/C比为0.45,矿渣掺量为40%时,养护龄期28 d和90 d混凝土试件的有害毛细孔占比分别为普通混凝土的36.87%和38.46%;当W/C比为0.35,矿渣掺量为40%时,养护龄期28 d和90 d混凝土试件的有害毛细孔占比分别为普通混凝土的54.12%和11.23%。由此说明矿渣掺量和养护龄期越大,BFS混凝土试件毛细孔结构的质量就越高。

2.2 快速氯离子迁移(RCM)系数

不同养护龄期下RCM系数分布情况如图4所示。由图4可知:1)当W/C比一定时,RCM系数随着矿渣掺量的增加而降低。其中,当W/C比为0.45、龄期为28 d时,矿渣掺量为20%、30%和40%混凝土试件的RCM系数分别为普通混凝土试件的80.98%、65.56%和61.76%,这一现象是由BFS中火山灰反应引起的。一方面火山灰反应产物可以填充初始孔隙,以使试件孔隙结构更加致密;另一方面火山灰反应能产生更多的弗里德尔盐以提高其与氯离子的结合能力。因此BFS可以改善混凝土的物理和化学特性,进而提高其抗氯离子渗透性能[16]。2)当养护龄期、矿渣掺量一定时,W/C比越低其RCM系数越小,表明较低的W/C比致使试件初始毛细孔结构更紧密,从而使得抗氯离子渗透性能增强,因此W/C比是影响试件抗氯离子渗透性能的一个重要参数;当W/C比、矿渣掺量一定时,养护龄期越长其RCM系数越小,主要原因是BFS中火山灰反应与水泥水化相似,其反应需要足够长的时间作为支撑,故RCM系数随着养护龄期的延长将会降低[17]。

图3 不同矿渣掺量、W/C比及养护龄期下混凝土试件的有害毛细孔占比

图4 不同矿渣掺量、W/C比及养护龄期下混凝土试件RCM系数

2.3 RCM系数与毛细孔隙率、最可几孔径和有害毛细孔占比的相关性分析

在研究BFS混合混凝土的抗氯离子渗透性能时,研究者们习惯于将抗氯离子渗透性能与W/C比、养护龄期以及矿渣掺量等参数联系起来[18]。但由于原材料的物理和化学特性存在差异,使得以上参数与抗氯离子渗透性能相关性的理论基础较为薄弱。本文基于以上试验结果的总结分析,进一步将抗氯离子渗透性能与毛细孔结构联系起来,以分析RCM系数与毛细孔结构参数之间的相关性。

2.3.1 RCM 系数与毛细孔隙率的相关性

RCM系数与毛细孔隙率之间的关系如图5所示。由图5可知,整体上RCM系数随着毛细孔隙率的增加呈增加趋势,但其散点分布较为散乱,无明显的相关性,表明毛细孔隙率对BFS混合混凝土抗氯离子渗透性能的影响较小,主要是由于只有“有效”的毛细孔(前文定义的有害毛细孔)才允许氯离子进入。因此,将混凝土的抗氯离子渗透性能与毛细孔隙率联系起来不太合理。

2.3.2 RCM系数与最可几孔径的相关性

最可几孔径是表征孔隙结构连通性的参数,其值越大表示孔隙结构越连续,进而导致混凝土结构更容易被氯离子侵入。由图6可知,RCM系数随着最可几孔径的增大而增大。为了进一步定量分析RCM系数与最可几孔径之间的关系,对图6中的散点进行了回归分析,其R2值为0.541 6,可见最可几孔径与RCM系数的线性相关性较弱。表明最可几孔径虽然是影响混凝土抗氯离子渗透性能的参数,但其重要性没有预期的高。

图5 RCM系数与毛细孔隙率的相关性

图6 RCM系数与最可几孔径的相关性

2.3.3 RCM系数与有害毛细孔占比的相关性

由图7可知，RCM系数随着有害毛细孔占比增加而增加，表明良好的毛细孔结构有利于BFS混合混凝土的抗氯离子渗透性能。此结论与石东升等[19]的研究成果一致。为了进一步定量分析RCM系数与有害毛细孔占比之间的相关性，本文对图7的散点进行了回归分析，其R2值为0.784 8，表明RCM系数与有害毛细孔占比相关性较强，从而论证了并非所有毛细孔都允许BFS混合混凝土氯离子进入的假设。