大掺量矿物掺合料混凝土耐久性研究

高 伟,马志才,苏 磊,田 亮

(北京交通运输职业学院 道路桥梁学院,北京 101121)

全世界的建筑材料品种繁多,其中混凝土是主要的建筑材料之一,我国是基建强国,也是混凝土使用最多的国家[1-3]。目前,荷载作用下的强度大小是建筑工程在设计时考虑的关键因素,而对混凝土的耐久性重视不够,尤其是在各种不同的环境条件下对耐久性更要加强检测。很多工程案例表明,混凝土的耐久性并未全部达到人们的期望值,有部分工程在没有达到设计使用寿命之前就出现了耐久性劣化现象,甚至出现严重的工程事故,造成了巨大的社会和经济损失[4-6]。将矿物掺合料掺入到混凝土中,一方面为目前产生的大量废弃矿物粉料提供了循环利用的新途径,另一方面会对混凝土的某些性能有所改善[7-8]。由于高碱性混凝土环境中钢筋的钝化膜被氯离子损坏,使得钢筋出现锈蚀现象,碳化能够降低混凝土环境中的碱度,钢筋的钝化膜同样也会遭到损坏,出现钢筋锈蚀现象,最后导致结构的强度下降[9-10]。基于对现有理论成果的研究,笔者着重研究了在混凝土中掺入大量掺合料后混凝土的抗氯离子渗透能力和抗碳化能力的变化规律。

一、试验用原材料

(一)原材料

试验用天然砂各项指标见表1。

表1 天然砂各项指标

试验用粉煤灰为I粉煤灰,各项指标见表2。

表2 粉煤灰各项指标

试验用矿粉(矿渣粉)为粒化高炉粉(S95级)。试验用水泥为普通硅酸盐水泥(42.5级),各项指标见表3。

表3 水泥各项指标

试验用碎石最大粒径为25 mm,各项指标见表4。

表4 碎石各项指标

试验用减水剂分为两种,C50采用萘系高效减水剂,减水率为25%;C60和C70采用聚羧酸减水剂,减水率为35%～40%。试验用水为自来水。

二、试验方法与混凝土配合比设计

(一)试验方法

混凝土氯离子扩散系数试验采用NEL-VJ型混凝土真空饱水饱盐设备和NEL-PD型混凝土渗透性电测仪,评定其抗渗透耐久性的高低。评价标准见表5。

表5 NEL法评价标准

试件采用的规格为100 mm×100 mm×100 mm,进行规定的蒸汽养护后,将试件上下两个面各切去25 mm,形成100 mm×100 mm ×50 mm的试件,要达到上下表面平整的要求。

混凝土碳化深度利用GBJ 82—85快速碳化法进行测定,使用规范要求的标准碳化箱,采用100 mm×100 mm×100 mm规格标准的混凝土试块,制作完成24 h后方可拆模,并及时放入CO2气体,使其体积百分比保持在20%±3%,温度为20±5 ℃,湿度为70%±5%,在28 d后从碳化箱中取出,测定混凝土试块的碳化深度。

(二)试验配合比

对C50、C60和C70的混凝土各设计了3组配比,具体配比见表6。

表6 试验配合比

三、试验结果与分析

(一)氯离子扩散系数结果与分析

对C50、C60和C70混凝土3组不同配比的试样进行氯离子扩散系数测定试验,试验结果见表7。

表7 混凝土的氯离子扩散系数

对C50、C60和C70混凝土3组不同配比的试样进行氯离子扩散系数测定试验,氯离子扩散系数随粉煤灰掺量的变化趋势见图1。

图1 氯离子扩散系数随粉煤灰掺量变化曲线

由表7和图1可见:氯离子的扩散系数随着粉煤灰掺量的增加而逐渐减小,混凝土在抵抗氯离子渗透的能力上随之增强:固定水胶比0.29,粉煤灰掺量从40%到50%变化时,C50氯离子扩散系数减小了1.859 /(10-8cm2/s);固定水胶比0.28,粉煤灰掺量从40%到50%变化时,C60氯离子扩散系数减小了1.142/ (10-8cm2/s),其中C60-3混凝土氯离子扩散系数属于Ⅳ(低),扩散系数是(0.5～1)/ (10-8cm2/s);固定水胶比0.26,粉煤灰掺量从40%到50%变化时,C70氯离子扩散系数减小了1.322/ (10-8cm2/s),其中C70-3混凝土氯离子扩散系数属于Ⅴ(很低),扩散系数是(0.1～0.5)/ (10-8cm2/s)。氯离子渗透系数随着强度的增加而不断减小,减小混凝土的水胶比能够在提升混凝土强度方面起到有效作用,混凝土抵抗氯离子侵蚀的能力也不断提升。水胶比从0.29到0.26变化时:固定粉煤灰的掺量为40%,混凝土的强度从C50到C70变化时,混凝土氯离子扩散系数减小了2.203 /(10-8cm2/s);固定粉煤灰的掺量为45%,混凝土的强度从C50到C70变化时,混凝土氯离子扩散系数减小了1.586/(10-8cm2/s);固定粉煤灰的掺量为50 %,混凝土的强度从C50到C70变化时,混凝土氯离子扩散系数减小了1.602/(10-8cm2/s)。

通常混凝土中氯离子的渗透性取决于两个基本因素:其一体现在混凝土对氯离子渗透扩散阻碍能力的强弱上,混凝土的孔隙率、孔径分布直接影响这种能力;其二是体现在混凝土对氯离子的物理或化学结合强弱的能力上,统称为固化能力。将矿物掺合料掺入到混凝土中能够使孔结构和级配得到较为有效的改善,结果呈现出混凝土的孔隙率和最可几半径随着矿物掺合料掺量的不断增加而逐渐减小[11],混凝土水化物的结构组成也将得到改变,矿物掺合料的火山灰效应减少了粗大结晶Ca(OH)2的数量和结晶在水泥石-集料界面过渡区的富集与定向排列[12-13],并且其二次水化反应能生成更多的低碱度的C-S-H 凝胶,混凝土的密实度有效改善,结合氯离子的能力显著增强,混凝土抵抗氯离子扩散能力也相应不断提高。

(二)碳化深度结果与分析

按照相关的规范和标准要求,混凝土结构物中钢筋保护层的厚度一般为20～25 mm。对C50、C60和C70混凝土3组不同配比的试样进行碳化深度测定试验,试验结果见表8。

表8 混凝土碳化深度

对C50、C60和C70混凝土3组不同配比的试样进行碳化深度测定试验,碳化深度随粉煤灰掺量的变化趋势见图2。

图2 碳化深度随粉煤灰变化曲线

由表8和图2可见:混凝土的碳化深度随着粉煤灰掺量的增加而呈现出增大的趋势,表明混凝土的抗碳化能力在减小。固定水胶比0.29,粉煤灰掺量从40%到50%变化时,C50碳化深度增加了3.5 mm;固定水胶比0.28,粉煤灰掺量从40%到50%变化时,C60碳化深度增加了3.4 mm;固定水胶比0.26,粉煤灰掺量从40%到50%变化时,C70碳化深度增加了1.3 mm。混凝土的碳化深度随着强度的增加而减小,抗碳化能力逐渐增强,减小混凝土的水胶比能够有效提高混凝土的强度,混凝土抗碳化能力得到了提升[14-15]。水胶比从0.29到0.26变化:固定粉煤灰的掺量为40%,混凝土的强度从C50到C70变化时,碳化深度减小了2.5 mm;固定粉煤灰的掺量为45%,混凝土的强度从C50到C70变化时,碳化深度减小了3.6 mm;固定粉煤灰的掺量为50%,混凝土的强度从C50到C70变化时,碳化深度减小了4.7 mm。

四、结束语

随着矿物掺合料的掺入比例不断增加,混凝土的氯离子扩散系数不断减小,抵抗氯离子渗透能力逐渐增强。固定水胶比0.26,矿粉掺量为胶凝材料的17%,粉煤灰掺量为胶凝材料的50 %时,氯离子扩散系数可以达到0.403 /(10-8cm2/s),按照NEL法评价标准看,属于Ⅴ(很低),扩散系数是(0.1～0.5)/ (10-8cm2/s)。在固定矿物掺合料比例的情况下,混凝土氯离子扩散系数随着混凝土强度的增加而不断减小,抵抗氯离子渗透能力逐渐增强。

混凝土抗碳化能力与混凝土配合比中的矿物掺合料的掺入量显现出了反比关系,抗碳化能力随着矿物掺合料掺量的增多而降低,试验表明在混凝土的水胶比较大时效果明显,可见降低水胶比是提高大掺量掺合料混凝土抗碳化性能的有效解决途径之一。随着水胶比的减小,混凝土自由水相应减少,水化过程中形成的联通孔较小,减少了二氧化碳的渗透传输通道,降低了碳化反应过程,提高了混凝土抗碳化性能[16]。