掺火山岩粉与粉煤灰水工混凝土耐久性分析

齐士强

(盘锦市水利事务服务中心,辽宁 盘锦 124000)

调查显示,我国拥有丰富火山灰资源的省份达到12个,但由于形成原因存在较大差异,不同地域的火山灰物理性能、矿物组成以及化学成分各异,其改善混凝土的作用效果也具有明显差异,故火山灰使用量较少且利用水平偏低[1-2]。我国东北地区即将建设或在建的水利水电工程较多,为缓解日趋紧缺的粉煤灰资源供给压力,研究使用天然火山灰资源极具现实意义[3-5]。文章利用硫酸盐干湿循环、冻融和快速碳化试验,对比分析了掺粉煤灰与火山岩粉混凝土的主要性能指标,旨在为火山岩粉的实际工程应用提供技术支持。

1 试验方案

1.1 原材料

水泥:沈阳山水工源P·O 42.5水泥,初、终凝时间215min和280min,标稠用水量27.1%,比表面积344m2/kg,密度3.05g/cm3,3d和28d抗压强度30.6MPa、51.8MPa。粉煤灰:大连华能电厂生产的国电II级灰。火山岩粉:经机械研磨而成的深灰色多孔玄武岩粉。细骨料:抑制骨料碱活性试验用砂和混凝土强度及耐久性试验用砂为大连庄沙砂石场生产的Ⅱ区中砂与粗砂,级配良好。粗骨料:大连地区石灰岩碎石,压碎指标7.8%,针片状含量6.0%,含泥量0.2%。外加剂:ZB-1A缓凝高效减水剂和GYQ®-Ⅲ复合型高效引气剂。

1.2 试验方法

结合混凝土耐久性相关规范对水胶比的要求,试验选用水胶比为0.45和0.50,按照最不利条件探究火山岩粉的影响作用。

1)膨胀率试验:采用砂浆棒快速法测定3d、7d、10d、14d、28d、60d、90d龄期各组试件的膨胀率,试验配合比及测试结果如表1所示。

表1 抑制骨料碱活性试验配合比及膨胀率

2)碳化试验:参照《水工混凝土试验规程》中的方法测定标养至28d和90d龄期时,试件碳化3d、7d、14d、28d、45d时的碳化深度,试验配合比如表2所示。

表2 耐久性试验配合比及拌合物性能

3)抗冻试验:参照现行规范和表2中的配合比,测定标养28d时试件不同冻融次数的相对动弹模量及质量损失率变化情况。

4)抗硫酸盐侵蚀试验:依据有关规范和表2中的配合比进行成型养护、注液、浸泡、排液、烘干和冷却等试验操作,测定各组试件强度变化规律。

2 结果与分析

2.1 骨料碱活性试验

实际工程应用时必须考虑火山岩粉对骨料碱活性的抑制效果,不同龄期时各掺合料混凝土膨胀率及其抑制效果如图1所示。

(a)膨胀率

从图1(a)可以看出,试验过程中表现出较明显的骨料碱活性,随着龄期的延长试件膨胀率呈逐渐上升的变化趋势;随粉煤灰或火山岩粉掺量的增加,试件膨胀率总体上呈下降趋势,掺30%和40%粉煤灰组的膨胀率基本相同;掺量相同情况下,粉煤灰组<火山岩粉组的膨胀率,掺20%粉煤灰与掺40%火山岩粉组的膨胀率接近。从图1(b)可以看出,掺量超过30%时粉煤灰具有显著的碱活性抑制效果,其抑制作用随龄期的延长趋于平稳;掺量达到30%时火山岩粉也表现出良好的抑制效果,其抑制作用在反应早期更加明显,随着龄期的延长有所降低。掺20%粉煤灰组的早期(3d)抑制作用一般,从7d龄期开始产生明显抑制效果,与40%火山岩粉组相当。虽然7d龄期后掺10%粉煤灰与10%、20%火山岩粉组的抑制效果开始增强,但总体的碱活性抑制效果较差,反应初期的抑制能力较低。

通过深入分析碱活性抑制机理可知,试验采用的火山岩粉比表面积大,其主要成分Al2O3和SiO2可以快速吸附金属离子,消耗碱溶液中的OH-,降低了碱与骨料内SiO2的反应速率和膨胀率,从而发挥一定的抑制作用;另外,在反应过程中火山岩粉减少了凝胶中的Ca/Si比,溶液中的K+、Na+被有效吸附,达到了抑制碱骨料反应的效果,由于碱含量较好必须大掺量才能达到较好的效果。

2.2 碳化试验

为揭示水工混凝土抗碳化能力受粉煤灰与火山岩粉的影响规律,结合实践经验选择粉煤灰及火山岩粉复掺和单掺试验方案,随碳化时间的延长各掺合料试件的碳化深度变化曲线如图2所示。

图2 碳化深度变化曲线

结果表明,配合比相同条件下混凝土碳化深度主要受标养时间的影响,标养28d远>标养90d试件的碳化深度;养护条件相同情况下,掺粉煤灰与火山岩粉试件的碳化深度变化趋势相近,前期碳化深度增长较快而后期较慢,时间越长碳化越深;标养28d时,粉煤灰组略<火山岩粉组的碳化深度,而标养90d时两者的碳化深度基本一致。

通过深入分析抗碳化作用机理发现,混凝土抗碳化能力不仅与抗CO2的渗透性有关,还与基体内部Ca(OH)2含量密切相关。具体而言,水化产物Ca(OH)2会与掺合料中的Al2O3和SiO2反应生成C-S-H,使得内部的Ca(OH)2浓度下降,在一定程度上降低CaCO3的生成速率,并且养护时间越大生成的水化产物越多,从而改善了基体的孔结构和抗渗性,有利于抑制CO2的渗入;另外,磨细火山岩粉<水泥颗粒,能够填充基体内的毛细孔隙使其抗渗性和密实性提高。

2.3 抗冻试验

冻融交替作用是东北地区水工混凝土耐久性的重要影响因素,有必要探究火山岩粉对抗冻性的影响作用,不同冻融循环下掺粉煤灰和火山岩粉试件的质量损失率及相对动弹模量如图3所示。

(a)相对动弹模量

从图3可以看出,纯水泥混凝土的质量损失率最小,相对动弹模量降幅最低,冻融循环200次时其相对动弹模量下降到75%,质量损失率只有1.7%;单掺粉煤灰组高于纯水泥组的相对动弹模量降幅和质量损失率,冻融循环200次时满足质量损失率≤5%,相对动弹模量≥60%的要求;掺30%火山岩粉组的质量损失率最高,相对动弹模量降幅最大,冻融循环150次时已不符合规范要求;复掺粉煤灰与火山岩粉组低于单掺火山岩粉组的相对动弹模量降幅和质量损失率,冻融循环200次时其质量损失率达到5.4%,相对动弹模量减小到57%,不满足规范要求。综上分析,水胶比相同情况下,各组试件的抗冻性优劣排序为火山岩粉组<复掺组<粉煤灰组<纯水泥组。通过引入适当微小气泡且使用较小水胶比,可以大幅度改善火山岩粉混凝土抗冻性。

2.4 抗硫酸盐试验

对比复掺和单掺粉煤灰、火山岩粉及纯水泥试件在硫酸盐溶液与标养环境下的干湿循环强度发展规律,进一步分析其抗侵蚀性能,试验结果如图4、图5所示。

(a)标养环境

图5 抗压强度耐蚀系数

由图4(a)可知,在干湿循环前50次时随时间的发展标养条件下各组试件抗压强度均表现出明显上升趋势,但干湿循环达到50次至150次时掺粉煤灰及纯水泥组强度基本不变,而复掺组及单掺火山岩粉组略有上升;龄期相同条件下从小到大抗压强度排序为火山岩粉组<复掺组<粉煤灰组<纯水泥组。由图4(b)可知,在干湿循环前50次时随龄期延长硫酸盐侵蚀条件下各组试件抗压强度均呈快速上升趋势,其中纯水泥组最高,其次是粉煤灰组,掺火山岩粉组与复掺组强度相近且最低;但干湿循环达到50次至100次时,除复掺组其它组均出现不同程度的下降,干湿循环达到100次后各组均呈下降趋势;干湿循环150次时从小到大抗压强度排序为火山岩粉组<复掺组<纯水泥组<粉煤灰组。

从图5可以看出,在干湿循环前50次各组抗压强度耐蚀系数均>100%,这表明干湿循环有利于促进早期强度的发展;抗压强度耐蚀系数随着干湿循环次数的增加呈现出波动下降趋势,干湿循环150次时从小到大强度耐蚀系数排序为火山岩粉组<纯水泥组<复掺组<粉煤灰组。因此,硫酸盐侵蚀条件下的混凝土早期强度略高于标养环境,随着龄期的延长硫酸盐逐渐表现出侵蚀劣化作用,特别是掺火山岩粉组表现更加明显,而粉煤灰具有较好的抗侵蚀特性,复掺粉煤灰与火山岩粉组>纯水泥组的耐蚀系数,说明两者复掺时具有一定抗侵蚀作用。

3 结 论

1)火山岩粉具有抑制骨料碱活性的作用,但由于具有较高的碱含量,为更好地抑制碱骨料反应其掺量低于<40%。掺粉煤灰与火山岩粉的抗碳化能力相近,标养28d时火山岩粉组略低于粉煤灰组的抗碳化能力,但标养至90d时两者的抗碳化性基本一致。

2)掺火山岩粉组略低于掺粉煤灰及纯水泥混凝土的抗硫酸盐侵蚀和抗冻性,复掺粉煤灰与火山岩粉可以提升整体耐久性,从低到高耐久性排序为火山岩粉组<复掺组<粉煤灰组<纯水泥组。

3)与粉煤灰等掺合料相比,天然火山岩粉的耐久性略差,在一定程度上限制了其推广应用,为进一步改善其耐久性未来仍需深入探究火山岩粉的活性。