混凝土表层渗水性能的影响因素及作用规律.pdf
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1、文章编号: 1 0 0 1 - 9 7 3 1(2 0 1 4)1 8 - 1 8 0 2 7 - 0 4 混凝土表层渗水性能的影响因素及作用规律 刘军, 陈晓池, 邢锋, 唐开锋, 潘冬 ( 深圳大学 土木工程学院, 广东省滨海土木工程耐久性重点实验室, 广东 深圳5 1 8 0 6 0) 摘要:采用不同配合比的混凝土试件标准养护 2 8d后, 用A u t o c a l m表面渗透性测试仪检测混凝土 表面层的渗水系数, 研究表层渗水性能的影响因素及 其作用规律。研究发现, 水灰比对混凝土的表层渗水 性能有较大影响,C 2混凝土的表层渗水系数是C 1的 0. 5 9倍,C 3是C 1的0.
2、 3 1倍, 水灰比与表层渗水系数 之间存在线性关系; 粉煤灰的掺入, 一方面由于填充效 应会降低混凝土的表层渗水系数, 另一方面由于延缓 水泥浆体水化会增大表层的渗水系数, 粉煤灰对表层 渗透性能的影响是这两方面相互作用的结果; 粉煤灰 掺入比例为1 5%时, 与普通混凝土相比, 表层渗水系 数减小, 掺量达到3 0%时, 表层渗水系数和普通混凝 土几乎相同。 关键词:表层渗水系数; 粉煤灰; 孔结构; A u t o c a l m; 影响因素 中图分类号:TU 5 2 8文献标识码: A D O I:1 0. 3 9 6 9/ j . i s s n . 1 0 0 1 - 9 7 3
3、1. 2 0 1 4. 1 8. 0 0 6 1引言 混凝土是目前最常用的建筑材料, 是一种复杂的 多孔介质。环境中的有害离子会通过混凝土表层向结 构内部传输 1 - 2, 与水泥水化浆体发生一系列物理和化 学反应, 从而引起混凝土结构的耐久性问题。关于混 凝土的渗透性, 国内外学者做了很多研究, 主要集中在 氯离子的扩散方面, 如B u e n f e l d等提出了考虑扩散和 毛细管两种方式共同作用的氯离子渗透模型 3; B o d - d y 等提出的模型考虑了渗透、 扩散、 毛细管作用等多 种机理 4; N i l l s o n提出了在非饱水混凝土中扩散和对 流的共同作用下离子在混凝
4、土中的侵入过程模型 5。 在有害离子的扩散和渗透过程中, 水分的作用至 关重要 6 - 8, 首先, 水分迁移本身会导致混凝土有效应 力的变化, 其次, 水也是侵蚀性介质( 如氯盐、 硫酸盐 等) 迁移进入混凝土内的载体, 最后, 水是破坏发生的 必要条件和许多失效模型建立的基础 9 - 1 0。混凝土结 构服役后, 水泥浆体的水化过程和结构性能会受到所 处环境的影响, 通过表层与环境发生物质交换 1 1 - 1 2, 环 境中的气态或液态水会改变混凝土表层的饱和度和含 水量, 水分再由表层向内部传输。本文通过A u t o c a l m 表面渗透性测试仪检测不同配合比混凝土试件的表层 渗水
5、系数, 分析了混凝土表层渗水系数的主要影响因 素和作用规律, 对研究水分在混凝土内部的传输过程 和机理有重要的意义。 2实验 2. 1原材料和配合比 水泥: 深圳海星小野田水泥有限公司生产的普通 硅酸盐水泥( P. O. 4 2. 5) 化学成分见表1。细集料: 河 砂, 细度模数为2. 6 1, 表观密度为26 3 2k g/m 3。粗集 料: 制备混凝土用的石子为深圳安托山采石场的碎石, 公称粒径为52 0mm, 表观密度为27 0 0k g/m 3。 普通混凝土采用3种水灰比, 分别为0. 3 8,0. 4 7 和0. 5 3。实验中考虑矿物掺合料的作用, 粉煤灰的质 量取代量分别为1
6、5%和3 0%, 混凝土的配合比见表2。 表1水泥的化学组成 T a b l e1C h e m i c a l c o m p o s i t i o n so f c e m e n t i t i o u sm a t e - r i a l s 化学成分C a O S i O2A l2O3F e2O3M g O f - C a O烧失量 含量/% 6 3. 2 2 1 8. 9 6 6. 0 5 3. 4 21. 2 10. 5 63. 0 7 表2混凝土配合比( k g /m 3) T a b l e2M i xp r o p o r t i o n so f c o n c r e
7、 t es p e c i m e n s ( k g /m 3) 编号水泥砂子石头粉煤灰水水胶比 C 13 9 67 1 810 7 602 1 00. 5 3 C 24 0 97 2 010 7 901 9 20. 4 7 C 34 5 47 2 910 9 401 7 30. 3 8 C F 1 53 4 86 9 710 5 46 11 9 20. 4 7 C F 3 02 8 6. 36 8 910 4 11 2 31 9 20. 4 7 2. 2试件制作和检测 试件尺寸为1 0 0mm的立方体块, 标准养护2 8d 后, 采用表面渗透性测试仪(A u t o c a l m) 研究
8、混凝土表 面层的渗水特性。2 0世纪9 0年代, B a s h e e r标准化了 整个实验过程, 并实现了实验的自动化, 因此这个实验 被称作A u t o c l a m实验, 如图1所示。实验前将试件放 72081 刘军 等: 混凝土表层渗水性能的影响因素及作用规律 基金项目: 国 家 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学 基 金 资 助 项 目 (5 1 1 0 8 2 7 1) ; 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 (9 7 3计 划) 资 助 项 目 ( 2 0 1 1 C B 0 1 3 6 0 4) ; 深圳市科技计划资助项目(J C Y J 2 0 1 2
9、0 6 1 3 1 1 5 6 2 2 1 5 4) 收到初稿日期: 2 0 1 3 - 0 9 - 2 1 收到修改稿日期: 2 0 1 4 - 0 4 - 0 3 通讯作者: 邢锋,E - m a i l:x f e n g s z u . e d u . c n 作者简介: 刘军(1 9 7 9-) , 男, 湖北襄樊人, 副教授, 博士, 从事混凝土结构耐久性研究。 入烘箱, 在8 0的温度下烘1 2h, 确保所有试件的含 水率处于同一水平, 取出后在干燥的环境中放置, 待试 件温度下降后, 进行渗水实验。 图1A u t o c l a m表层测试系统 F i g1A u t o c
10、 l a mp e r m e a b i l i t yt e s t s y s t e m 由于实验初期渗水过程不稳定, 所以舍去前5m i n 的实验数据。根据第51 5m i n之间的数据作图。渗 水量与时间平方根成直线关系, 直线的斜率即为渗水 系数, 单位为m 3/ m i n 0. 5。混凝土试件渗水数据的回归 直线( 以C 2混凝土为例) , 如图2所示, 通过对数据点 的拟合, 见表4, 得出C 2混凝土的表层渗水系数是 1. 8 4 6m 3/ m i n 0. 5, 同理得出 C 1、C 3、C F 1 5和C F 3 0的 表层渗水系数分别为3. 1 4 2,0. 9
11、 7 8,1. 4 0 4和1. 8 2 6 m 3/ m i n 0. 5。 3实验结果及分析 3. 1实验结果 采用A u t o c l a m测定混凝土的表层渗透系数, 记 录试件在1 5m i n内每分钟的渗水量, 见表3。 表3不同混凝土的表层渗水量( L) T a b l e3S e e p a g ev o l u m eo f c o n c r e t es a m p l e( L) 时间/m i n 1234567891 01 11 21 31 41 5 C 16 3 48 8 510 6 9 12 1 3 13 1 5 14 2 1 14 9 2 15 5 1 16
12、0 3 16 6 8 17 0 9 17 4 6 17 8 0 18 1 2 18 4 1 C 21 6 82 7 53 4 13 7 84 2 15 0 75 4 65 7 96 0 66 3 26 5 56 7 46 9 57 3 57 5 5 C 35 99 21 2 81 3 81 6 71 8 42 0 12 1 02 4 52 6 12 6 62 8 72 9 93 1 13 2 0 C F 1 51 2 41 8 72 6 43 0 13 3 73 7 03 9 44 1 64 4 14 5 65 0 45 2 15 2 95 4 35 6 3 C F 3 01 5 12 6 2
13、3 2 13 8 74 3 25 0 55 4 05 7 96 0 86 3 06 5 36 7 36 9 37 3 47 5 8 图2混凝土C 2的表层渗水量拟合图 F i g2 C u r v ef i t t i n gr e s u l t so fC 2c o n c r e t es u r f a c e s e e p a g e 表4不同混凝土表层渗水系数的拟合 T a b l e4T h ef i t t i n go f t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to f c o n c r e t es p e c
14、i m e n s 混凝土编号拟合方程相关系数 C 1y=3. 1 4 2x+6. 5 00. 9 9 4 C 2y=1. 8 4 6x+0. 4 2 70. 9 8 9 C 3y=0. 9 7 8x-0. 5 5 00. 9 9 5 C F 1 5y=1. 4 0 4x+0. 2 3 20. 9 9 5 C F 3 0y=1. 8 2 6x+0. 4 9 00. 9 9 3 3. 2水灰比对表层渗透性能的影响 表层混凝土的吸水过程主要是毛细管的吸附作 用, 通过吸收液体来填充混凝土的内部空隙, 由于水进 入的深度较浅, 进入混凝土表层的速度较快, 能够使混 凝土内部的大毛细管最大限度地发挥其
15、传输作用, 混 凝土的表层渗水系数能够保持“ 大孔领先” 的局面。因 此, 表层的吸水性能在很大程度上取决于混凝土本身 的微观孔结构。水灰比高的混凝土, 大孔体积也越大, 混凝土的密实性差, 内部的连通孔隙也就越多 1 3 - 1 6, 渗 水系数相应地增大。混凝土的水灰比对孔结构有较大 的影响, 文献 1 7 研究了孔径分布和水灰比之间的关 系, 把孔结构分为3个部分:31 0 0n m,1 0 02 0 0n m 和大于2 0 0n m, 研究发现, 孔径在31 0 0n m的范围 内, 低水灰比(W/C0. 4 5)的孔体积较高水灰比( W/ C0. 5 0)的大; 反之, 孔径在1 0
16、 02 0 0n m范围内的 大孔, 低水灰比(W/C0. 4 5)的孔体积较高水灰比 (W/C0. 5 0)的 少。本 文 混 凝 土 的 水 灰 比 分 别 为0. 5 3, 0. 4 7和0. 3 8, 可知水灰比越大, 大孔体积占 的比例高, 而混凝土表层渗透性能和大孔数量密切相 关, 本文对水灰比与表层渗透性能的关系, 采用线性拟 合, 如图3所示, 相关系数达到了0. 9 7 4, 有较好的相 关性, 可以认为随着水灰比的增加, 表层渗透系数呈直 线增长。 文献 1 8 考虑了3个不同水灰比的试样, 分别为 0. 4 0,0. 5 0和0. 6 0, 采用水压法测量混凝土的渗透性
17、能, 用压汞法测量微观孔结构, 研究孔隙率和渗透性能 的关系, 发现对于不同的水灰比, 混凝土的渗透性能都 随着孔隙率的增加而增加, 也可以认为水灰比较高时, 混凝土的渗透性能就好。从图3可以看出C 2混凝土 是C 1混 凝 土 的0. 5 9倍,C 3混 凝 土 是C 1混 凝 土 的0. 3 1倍, 随着水灰比的降低, 表层渗透系数下降得 很快。 820812 0 1 4年第1 8期(4 5) 卷 图3水灰比与表层渗透性能的关系 F i g3T h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e s u r f a c ep e r m e a b
18、 i l - i t ya n dw a t e r - c e m e n t r a t i o 3. 3粉煤灰对表层渗水性能的影响 矿物掺合料粉煤灰的掺入会改变混凝土的微观结 构, 从而对混凝土的表层渗透性能造成影响。一般将 粉煤灰作用归结为3个效应的综合: 火山灰反应效应、 微集料效应和颗粒形态效应, 其中火山灰效应是化学 反应。粉煤灰的火山灰活性是一种潜在的化学活性, 必须在激发剂的作用下才能显现出来。硅酸盐水泥水 化生成的C a(OH) 2是最常用的激发剂。硅酸盐水泥 的水 化 浆 体 中 会 生 成C a(OH) 2 激 发 剂。 但 是 C a(OH)2的溶解度较低,C a 2
19、+ 的碱性弱于碱金属离 子, 因此C a(OH) 2的激发作用有限, 不能使粉煤灰的 火山灰反应达到较高程度, 特别是在水化初期, 单纯由 C a(OH)2激发的粉煤灰的火山灰反应程度很低, 这导 致粉煤灰混凝土的水化较慢, 随着浸泡龄期的增长, 粉 煤灰的火山灰活性作用逐渐明显。标准养护2 8d后, 如图5(a) 所示, 没有掺入粉煤灰的混凝土在水泥水化 浆体的微观结构中存在细小的孔洞, 掺入粉煤灰后, 如 图5( c) 所示, 主要还是填充效应的作用, 粉煤灰颗粒 堵在混凝土的连通孔隙中, 降低了连通孔的数量, 使混 凝土变得密实。标准养护2 8d后, 混凝土C F 1 5是C 2 的0.
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