不同矿粉掺量对水工混凝土抗渗性影响研究

于 博

(康平县自然资源保护与行政执法中心,辽宁 康平 110500)

0 引 言

渗透性是决定混凝土耐久性的重要因素之一,这是因为水分的掺入速率与渗透性直接相关,而这些水对混凝土冰冻或受热凝结过程中的水分移动具有控制作用,同时可能存在多种侵蚀性离子。水渗法可以直观地反映抗渗性,但水压力较高时用这种方法测定的渗透系数呈减小趋势。研究表明,混凝土水胶比(W/C)处于0.30～0.75范围时,采用传统的水渗透法和抗氯离子渗透试验测定的抗渗结果及总孔隙率高度一致[1]。所以,通过抗氯离子渗透试验测定6d电通量评定混凝土抗渗性具有实际参考意义。

从材料学的层面上,微观结构的均匀性决定了混凝土的耐久性,一般离析和泌水特别是集料-水泥浆界面区是导致微观结构不均匀性的主要因素。掺入矿物掺合料能够减少离析与泌水现象,阻断混凝土内部水分迁移通道,有效降低水泥基体的渗透性[2-5]。这是因为混凝土固有的多孔性导致其抗渗性较差,对于水泥浆密实包裹骨料颗粒组成的混凝土,其渗透性受水泥浆的影响较大。所以,水泥浆-集料界面区特性以及水泥石的孔结构都会显著影响混凝土的抗渗性。

矿粉与硅酸盐水泥的水化硬化特点及化学组成相似,其活性较水泥颗粒略优,细度也更细,掺入矿粉可以改善界面特性和密实性。有学者认为矿渣水泥相比于普通硅酸盐水泥配制的混凝土抗海水侵蚀性能更优,究其原因是矿渣水泥能够优化混凝土孔结构,在海水环境下使混凝土表层更加密实[6]。掺矿渣粉、粉煤灰等掺合料可以明显增强混凝土渗透性,现已被广泛用于港口、海工、水工等工程领域。因此,文章利用NEL法试验不同矿粉掺量对水工混凝土抗渗性的影响规律,并进一步揭示矿粉的作用机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水泥采用冀东水泥厂生产的盾石牌P·O42.5级水泥,主要性能指标如表1所示。矿粉使用S95级鞍钢磨细矿渣粉,其化学成分如表2所示,物理性能如表3所示。粗细集料为连续级配花岗岩碎石(粒径5～30mm)和天然河沙(细度模数2.8),各项指标符合《水工混凝土砂石骨料试验规程》有关要求。外加剂选用上海三瑞聚羧酸高效减水剂,拌和水用当地自来水。

表1 水泥的主要性能指标

表2 矿粉的化学成分

表3 矿粉的物理性能

试验设计0.32和0.50两种水胶比,0%、10%、30%、50%四种矿粉掺量,各组配合比及其28d和120d龄期强度如表4所示。结果表明,混凝土早期抗压强度随矿粉掺量的增加表现出波动下降趋势,而后期强度呈逐渐波动上升趋势。水胶比较高(0.50)时,掺50%矿粉组A3相较于基准对照组28d和120d抗压强度略有下降,水胶比较低(0.32)时,掺50%矿粉组B3相较于基准组120d抗压强度有所增大。

表4 试验配合比及抗压强度

1.2 抗氯离子渗透试验

NEL法是一种通过快速测定氯离子扩散系数来评定渗透性能的新方法,现已被广泛应用于施工、质检和科研单位,并列入CCES01∶2004标准,作为混凝土渗透性检测和混凝土结构耐久性设计推荐使用的先进方法[7]。该方法主要是将混凝土视为电解质,带电粒子的偏电导ei与其扩散系数存在密切联系,具体关系如下:

D1=RTei/(Zi2F2Ci)

(1)

式中:Di、ei、Ci为粒子i的扩散系数,cm2/s、偏电导,S/cm和浓度,mol/cm3;Zi为化合价数或电荷数;R、F为气体常数(8.314J/mol·K-1)和Faraday常数(96500C/mol)。

先将搅拌均匀的混凝土制成φ100mm×50mm或50mm×100mm×100mm的标准试件,为了防止浮浆层的影响把表层20mm切除。然后将加工成标准尺寸的试件放入真空干燥箱静置6h,控制真空度<-0.05MPa,再倒入浓度4mol/L的NaCl溶液使得试件完全浸没,抽真空2h后继续浸泡至24h。最后利用NEL型电测仪测定各组试件的氯离子扩散系数,并按照表5中的标准评定混凝土渗透性能。

表5 NEL法评定渗透性标准

混凝土中氯离子扩散系数取偏差<15%的3个试件电测数据平均值,如果平均值与3个测定值之间的偏差>15%则重新检测[8]。

2 结果与分析

掺0%、10%、30%、50%矿粉对0.32和0.50两种水胶比混凝土氯离子扩散系数及评价等级如表6所示。

表6 不同龄期氯离子扩散系数及抗渗性评价等级

结果表明,龄期相同情况下,在水工混凝土中掺入矿粉能够显著减小其氯离子渗透系数。混凝土养护龄期越长、强度越高则其氯离子渗透系数越小,其中120d龄期掺50%矿粉组B3试件只有基准对照组B0试件氯离子渗透系数36.95%,渗透性评价等级从Ⅴ级提高到Ⅵ级。对于复杂环境下的水工构筑物,氯离子侵蚀是导致水工结构破坏的主要因素,增强抗氯离子侵蚀性能必然会有效提升复杂环境下水工混凝土使用年限。

不同矿粉掺量与试件氯离子扩散系数之间的关系如图1所示。

由图1可知矿粉掺量越高相应的扩散系数越小,随龄期的延长测定的各龄期扩散系数不断减小,且水胶比越小这种减小趋势越明显。

矿粉掺量从10%增加到30%时,混凝土各龄期氯离子扩散系数变化不明显,进一步增大至50%时,各龄期氯离子扩散系数呈显著降低趋势。水胶比为0.32条件下,掺50%矿粉组B3为基准对照组B0的28d、120d氯离子扩散系数的46.15%和39.95%;水胶比为0.50条件下,掺50%矿粉组A3为基准对照组A0的28d、120d氯离子扩散系数的65.58%和52.47%。因此,水胶比越低则大掺量矿粉混凝土的后期强度和渗透性越好。不同养护龄期与试件氯离子扩散系数之间的关系如图2所示,结果表明龄期越长则扩散系数越小,相应的强度也越高。

(a)水胶比0.50

由图2可知,各组试件的抗渗性受龄期影响更加明显,水胶比为0.32条件下,掺50%矿粉组B3的120d为28d龄期氯离子扩散系数的17.27%。

实际工程中,氯离子的存在形式主要有2种:①溶解于孔隙溶液中的游离态氯离子,随溶液流动与钢筋表面接触产生锈蚀;②侵入的氯离子被水泥水化凝胶吸附或与水化氯酸钙产生低溶性的Friede盐。混凝土内部孔隙率越低,孔径越小,则其抑制氯离子的侵蚀作用就越强[9]。随着水胶比的减小混凝土抗氯离子渗透性能逐渐增强,使用低水胶比的高性能混凝土是防止氯离子渗入导致钢筋锈蚀最有效的方法。另外,随着龄期的延长混凝土的氯离子渗透性能逐渐下降,这是由于龄期影响混凝土孔隙的分布特征、结构组成以及胶凝材料水化进程。龄期越长水化形成的产物就越多,水泥石中的孔隙被更多的产物所填充,连通的毛细孔隙不断减少或封闭,对氯离子渗入逐渐发挥阻碍作用,并且抗渗透性受掺合料发挥作用的时间影响表现出一定时间效应[10]。因此,可以从以下两点解释矿粉对渗透性的作用机理,即阻碍离子渗透以及对离子化学或物理结合能力,这直接决定着自由离子结合以及渗透速率[11]。矿粉的掺入改变了水泥基体的微观结构和水化产物的化学组成,有试验表明矿粉可以很好地填充水泥石中的孔隙,从而减少基体内部缺陷,改善混凝土的体积稳定性、抗氯离子渗透性以及耐久性[12-14]。

3 结 论

1)试验表明,减小水胶比和掺入适量矿粉均可以有效增强混凝土抗氯离子渗透扩散能力,混凝土抗渗性受养护龄期的影响较为显著,延长龄期和减小水胶比是提高混凝土抗渗性的重要途径。

2)水胶比相同时,随矿粉掺量的增加混凝土氯离子扩散系数逐渐减小,并且掺量越高其抗渗透性能越优。矿粉主要通过阻碍氯离子渗透能力和对氯离子化学或物理结合能力改善混凝土抗渗性,掺入矿粉能够很好地填充水泥石中的孔隙,减少基体内部缺陷,改善其体积稳定性、抗渗透性以及耐久性。