玻璃粉对掺矿粉和掺粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性的影响

2022-08-19金霞

粘接 2022年8期

金霞

(武汉城市建设集团有限公司，湖北武汉 430010)

氯离子可经多途径侵入混凝土造成钢筋锈蚀，例如在桥梁混凝土中运用冰盐，极有可能造成钢筋钝化膜受损与保护层混凝土裂缝情况，在各港口、海工等工程项目中，经扩散、渗透过程氯离子会进入混凝土结构中，造成上述问题。所以如何提高混凝土抗氯离子渗透性，始终作为工程领域重视的热门话题，矿粉(GGBS)与粉煤灰(FA)作为常见混凝土掺合料，目前研究界已经对此材料的抗氧离子渗透性展开大量研究，因为与粉煤灰相比之下，矿粉有着更大活性，所以掺矿粉混凝土在早期抗氯离子渗透性就要优于掺粉煤灰混凝土。从反应机理层面，不管是掺矿粉还是掺粉煤灰，这种活性掺合料均经混凝土内碱性成分和掺和料活性成分发生二次水化所起的作用。所以混凝土内氢氧化钙与碱金属离子构成碱性环境，会影响水化反应形成的产物与微观结构，进而对混凝土的抗渗透性能造成影响。玻璃粉作为无定型硅酸盐物质，近年来用于混凝土中得到大量研究，现有文献表示玻璃粉可以经二次水化发挥与常规掺合料相似的作用。其中氧化钠高达13%，二次水化改变了混凝土孔溶液的组成，所以有希望能够发挥碱激发作用，对混凝土性能产生特殊作用。目前这方面研究较少，玻璃粉对不同掺合料混凝土体系影响的研究也较少，所以本文将展开玻璃粉对掺矿粉与掺粉煤灰混凝土的抗氯离子渗透性影响研究。

1 试验设计

1.1 试验原材料

(1)本实验所用玻璃粉原材料包括石英砂、长石、石灰石、纯碱，经高温1 550～1 600 ℃熔融、成型、冷却、固化所形成的微观无规则结果，作为非静态固体，主要化学成分为SiO、AlO、CaO、FeO、NaO，含有少量KO、MgO、SO、TiO；

(2)本实验所用粉煤灰的物理性能，细度13%、流动度140 mm、堆积密度912 kg/m，将粉煤灰掺入混凝土中能够有效节约水泥用量，减少用水量和水化热，进而改善混凝土和易性；所以粉煤灰作为优质水泥混合材料，主要化学组成：SiO、AlO、FeO、CaO、KO、TiO；

(3)本实验所用掺矿粉能够起到活性效应，对混凝土早期强度有一定贡献，主要化学组成：CaO、AlO、SiO、MgO、FeO、TiO、KO、SO、NaO；

(4)本实验所用水泥为某牌普通硅酸盐水泥，细度为380 m/kg；初凝时间为115 min，终凝时间为155 min；3、28 d抗压强度分别为34.0、59.6 MPa；3、28 d抗折强度分别为6.3、9.2 MPa；

(5)本实验所用碎石均为5～25 mm连续粒级，26.5 mm为最大粒径，级配与标准要求相符，根据标准规定作为低碱活性集料；

(6)本实验所用减水剂符合高性能减水剂标准型指标，减水率31%、泌水率11%、含气量4.8%；初凝时间差20 min，终凝时间差35 min；28 d收缩率101%、氯离子含量0.015%，pH值5.81。

1.2 实验混凝土配合比

本次实验选用C60强度混凝土展开RCPT、RCM试验，制备150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，制样24 h后将混凝土试块脱模后，在20 ℃室温、相对湿度大于95%养护室环境中养护成型，直至指定龄期可以运用混凝土取芯机进行取芯，获得直径100 mm的圆柱体；运用切割切除混凝土圆柱体浮浆层、沉积层，可以获得直径100 mm、高度50 mm的2个样品试块。制备用于抗压强度、孔隙率测试的100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方体试块，进行与上面所述等同的脱模、养护操作。

1.3 实验方案

(1)配置3种：0.39、0.49、0.66水胶比混凝土，对比分析试验不同水胶比条件下，所加入掺合料不同取代率对混凝土抗氯离子渗透性、孔隙结构的影响；

(2)在2种水胶比0.39、0.66试验条件下，设计10%、20%、30%取代率，设计对比组；在0.49水胶比时，设计40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%取代率。为了对不同取代率梯度条件下，所加入不同掺合料对混凝土力学性能和抗氯离子渗透性、孔隙结构的影响进行分析，找出可行的掺合料最佳取代率与优化取代范围；

(3)在100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方体试块进行立方体抗压强度、抗拉强度实验，共62组，每组3块。并运用NEL法对氯离子扩散系数进行测定，保证与NEL测试仪的应用规格相符，共58组，每组3块；

(4)设计28 d标准养护龄期对比60 d养护，研究不同龄期下的实验变化。本次实验中W表示玻璃粉；M表示煤矸石粉；F表示粉煤灰；K表示矿粉；D表示龄期。

1.4 计算方法

(1)本次计算抗氯离子渗透性的计算公式：

(1)

式中：混凝土非稳态氯离子迁移系数用表示；施加电压绝对值用表示；阳极溶液初始温度和终止温度均值用表示；试块厚度用表示；氯离子渗透深度计算均值用表示；实验用时用表示。

(2)本次实验计算总孔隙率公式：

(2)

式中：总孔隙率用表示；饱水之后试块质量用表示；烘干之后试块质量用表示。

2 结果及讨论

2.1 不同取代率玻璃粉试验结果

不同取代率玻璃粉试验结果，具体如表1所示。

由表1可以看出，本设计在其他条件不变取代率改变时，对比对照组和玻璃分压泵试验结果，发现玻璃粉会对同龄期混凝土的孔结构造成差异化影响，玻璃粉的等质量水泥取代率和混凝土抗氯离子扩散系数各指标之间呈正相关，随之增加而增加且明显大于对照组结果。虽然玻璃粉的掺入量不断增加，但在30%掺量条件下，掺玻璃粉混凝土的上述试验指标均小于对照组，证明孔结构复杂度与微小孔的含量均高于水泥对照组。

表1 不同取代率玻璃粉试验结果Tab. 1 Test results of glass powder with different substitution rates

2.2 不同龄期玻璃粉试验结果

不同龄期玻璃粉试验结果，具体如表2所示。

由表2可以看出，在水胶比为0.49条件下，掺玻璃粉在28、60 d对比水泥对照组，发现玻璃粉混凝土的各指标与龄期密切相关，与水泥对照组相较明显更大；随着龄期逐渐延长，掺玻璃粉混凝土孔径明显细化，有害孔数量减少，无害孔数量增加，混凝土内部孔隙结构更加密实。

表2 不同龄期掺玻璃粉试验结果Tab. 2 Test results of mixing glass powder at different ages

2.3 不同矿物掺合料试验结果

不同矿物掺合料试验结果，具体如表3所示。

表3 不同矿物掺合料试验结果Tab. 3 Test results of different mineral admixtures

由表3可以看出，掺玻璃粉和掺矿粉各指标与水泥对照组相较明显要小；掺粉煤灰和掺矿粉与水泥对照组相较略大。所以对比证明掺玻璃粉、掺矿粉这2类混凝土，可以有效改善混凝土的孔结构，细化混凝土的内部孔隙，减少混凝土内有害孔对整体性能造成的影响，相比之下掺玻璃粉混凝土的性能改善效果最为显著。

通过观察发现，掺玻璃粉混凝土孔隙结构，与水泥对照组和掺煤矸石粉、掺粉煤灰、掺矿粉混凝土相较结构更加密集，基本接近于水泥对照组。这证明了掺玻璃粉能够有效改变混凝土的内部孔隙结构，增强混凝土的密实度，减少有害孔，增加微小无害孔。发生这类反应的原因在于，经28 d养护，掺玻璃粉特征峰值，较水泥对照组混凝土更高。随着养护龄期的逐渐增加，经60 d养护，掺玻璃粉的特征衍射峰值则低于水泥对照组，这是因为掺玻璃混凝土发生玻璃粉水化反应需要不断消耗，随着时间的增加，水化产物随之增多，所以掺玻璃粉混凝土在早期强度较低；但随着养护时间的延长后期强度则会不断增加。在延长养护龄期过程中，更彻底地反应掺玻璃粉活性与二次水化反应，填充水分蒸发孔和不完全水化反应后留下的孔，从而增加结构密实度，提高混凝土的抗氯离子渗透性。

2.4 抗压强度试验结果

由图1、图2可以看出，在高水胶比0.66混凝土抗压强度变化规律中，30%掺粉煤灰取代率，28 d与60 d强度和掺煤矸石粉等质量取代10%水泥情况下，28 d混凝土强度较水泥对照组明显大；剩余掺合料的取代率相应强度，与水泥对照组相较明显小。水泥对照组在60 d混凝土强度与28 d相较达到12.4%增长率；掺玻璃粉等质量水泥取代率在10%、20%、30%时，60 d混凝土强度与28 d相较达到20.3%、23.8%、19.7%，掺煤矸石粉等质量水泥取代率在20%、30%条件下，60 d混凝土强度与28 d混凝土强度达到23.6%、16%增长率，与水泥对照组相较明显更大。掺粉煤灰、掺矿粉等质量取代水泥取代率为10%、20%、30%情况下，60 d对28 d强度增长率较水泥基准组明显较小，所以与基准水泥组相较，掺玻璃粉的混凝土强度增长率，明显高于掺粉煤灰和掺矿粉。

图1 水胶比0.66时28 d抗压强度值Fig.1 28 d compressive strength at water-binder ratio 0.66

图2 水胶比0.66时60 d抗压强度值Fig.2 60 d compressive strength at water-binder ratio 0.66

2.5 劈裂抗拉强度试验结果

在混凝土抗拉强度试验中，当水胶比为0.66时，发现在28 d掺煤矸石粉10%水泥取代率条件下，能够达到最高的混凝土劈裂抗拉强度，与水泥对照组相较明显超出；在60 d煤矸石粉为10%、20%水泥取代率条件下，劈裂抗拉强度与水泥对照组相较明显高，在强度增长率方面，掺玻璃粉的表现更为突出，掺玻璃粉设计10%、20%、30%不同取代率，掺煤矸石粉为30%取代率，掺矿粉10%、30%取代率下，与水泥对照组相较均超出。

在水胶比为0.49条件下，对混凝土劈裂抗拉强度变化规律进行分析，发现在30%水泥取代率条件下，劈裂抗拉强度较矿渣粉取代率明显大；20%、10%长粉煤灰劈裂抗拉强度，较水泥基准组抗拉强度明显更大；在60 d矿渣粉10%取代率条件下，劈裂抗拉强度较20%掺粉煤灰取代率明显更大；30%矿渣粉取代率和水泥基准组劈裂抗拉强度值更大。

在水胶比为0.39条件下，发现60 d养护时间内掺玻璃粉的取代率劈裂抗拉强度较掺煤矸石粉明显更大，呈现一致的变化趋势；在40%以内掺量下，劈裂抗拉强度值呈平稳变化，与基准劈裂抗拉强度值基本接近。在超出40%掺量后，开始呈现迅速降低抗拉强度的情况；而在100%取代率情况下抗拉强度已经基本为0。结果表明，无论是掺玻璃粉、掺矿粉、掺粉煤灰的水泥取代率均要在40%以内，才能够有效改善混凝土力学性能，提高抗压强度。