抗腐蚀剂对火山灰混凝土碳化性能的影响.pdf

2 0 1 5年 1 2月 第 6卷 第 6期 高速铁路技术 HI GH S PEED RAI LWAY TECHNOL0GY No 6 Vo 1 6 De c 2 O1 5 文章编号 ：1 6 7 4 m8 2 4 7 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 0 4 9 0 6 抗腐蚀剂对火 山灰混凝土碳化性能 的影 响 薛 元 曾晓辉 徐锡江 邱恩喜 张东卿 张 理 (1 中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 6 1 0 0 3 1 ； 2 西南交通大学 土木工程学院， 成都 6 1 0 0 3 1 ； 3 四川睿铁科技有限责任公司， 成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 我国云南以保瑞、 丽香为代表的一大批铁路工程正在修建或立项建设。由于云南西部一带铁路环境 侵蚀等级为中等水平， 混凝土较易受到各种侵蚀物质的破坏， 从而使结构服役寿命达不到设计要求 ， 可通过 掺入粉煤灰 、 矿渣、 火山灰等来提高混凝土的耐久性， 但将导致混凝土抗碳化能力变差。文章研究 了抗腐蚀 剂对混凝土抗碳化性能的改善作用， 研究表明： 尽管掺入火山灰后， 不同标号混凝土碳化深度有所增加， 混凝 土抗碳化能力降低 ， 但加入抗腐蚀剂可显著改善火山灰混凝土抗碳化能力。其中加入 5 的V A一 2型抗腐蚀 剂 ， C 2 0混凝土， 2 8 d 碳化深度可降低 2 0 以上， 与掺入粉煤灰的效果接近， 而 C 4 0混凝土， 2 8 d碳化深度则 可降低 2 5 以上 ， 比掺人粉煤灰降低约 1 5 。 关键词： 火山灰；混凝土； 抗腐蚀剂 ； 碳化 中图分 类号 T U 5 2 8 3 3 文献标 志码 ： A E c t o f Co r r o s i o n I n h i b i t o r o n Ca r b o n i z a t i o n Re s i s t a n c e o f Vo l c a n i c As h Co n c r e t e X UE Y u a n Z E N G X i a o h u i XU X i j i a n g QI U E n x i Z HA NG Do n g q i n g Z HA NG L i ( 1 C h i n a R a i l w a y E r y u a n E n g i n e e r i n g G r o u p C o L t d ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 S o u t h we s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a； 3 S i c h u a n R u i t i e T e c h n o l o g y C o ， L t d ，C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n Y u n n a n p r o v i n c e o f C h i n a ，l a r g e q u a n t i t i e s o f r a i l w a y p r o j e c t s s u c h a s B a o s h a nR u i l i a n d L ij i a n g Xi a ng g e l i l a r a i l wa y s，e t c a r e i n c o ns t r u c t i o n o r a p p r o v e d As t h e e n v i r o n me n t a l c o r r o s i o n c l a s s o f t h e r a i l wa y s i n we s t a r e a o f Yu n n a n i s i n t h e me d i u m r a n g e ，t h e c o n c r e t e i s e a s y t o b e d a ma g e d ，a n d a s a r e s u l t ，t h e s e r v i c e l i f e t h e s t ruc - t u r e c a nt s a t i s f y t h e d e ma n d o f t h e d e s i g ni n g Th e fly a s h，s l a g a n d v o l c a n i c a s h，e t c c a n be mi x e d t o p r o mo t e t he d u r a bi l i t y o f t h e c o nc r e t e，b u t t h e y ma y h a v e n e g a t i v e e f f e c t s o n t h e c a r b o n i z a t i o n r e s i s t a nc e o f c o n c r e t e I n t h i s p a p e r，t h e i mpr o v e me n t e f f e c t o f c o r r o s i o n i n hi bi t o r o n t h e c a r b o na t i o n r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i s s t u d i e dTh e r e s e a r c h s h o ws t h a t t h e c arb o n a t i o n d e p t h o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t ma r k n u mb e r i s s o me wh a t i n c r e a s e d a n d c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i s d e c r e a s e d a mo ng wh i c h，a d de d wi t h 5 VA 一2 t y p e c o r r o s i o n i n h i b i t o r，28 d c a r b o n a t i o n d e pt h o f C 2 0 c o n c r e t e c a n b e i n c r e a s e d mo r e t h a n 2 0 ，c l o s e t o t he e f f e c t o f t h a t wi t h fl y a s h，mo r e o v e r，2 8 d c a r bo n a t i o n d e p t h o f C4 0 c o n c r e t e c a n be d e c e a s e d mo r e t h a n 2 5 ，a n d a b o ut 1 5l o we r t h a n t ha t mi x e d wi t h fly a s h Ke y wo r d s： v o l c a n i c a s h；c o n c r e t e；c o r r o s i o n i n h i b i t o r；c a r bo n a t i o n 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 7 - 0 1 作者简介： 薛元( 1 9 7 8 一 ) ， 男， 高级工程师。 基金 项 目： 国 家 自然 科 学 基 金 ( 5 1 2 0 8 4 3 9) ， 教 育 部 博 士 点 基 金 ( 2 0 1 2 0 1 8 4 1 2 0 0 3 1 ) ， 中国博士后特别资助项 目( 2 0 1 3 T 6 0 8 5 9 ) ， 中铁二院 科研项 目 川睿铁发( 2 0 1 4 ) 1 7号 1 前言 在我国云南西部地区 ， 近年来铁路进人投资的高 潮 ， 以保瑞 、 广大 、 丽香为代表 的一大批铁路工程正在 修建或立项建设 ， 这些铁路作为泛亚铁路 、 滇藏铁路的 a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6期 薛元， 等： 抗腐蚀剂对火山灰混凝土碳化性能的影响 2 0 1 5年 1 2月 一 部分 ， 具有较高的战略与经济价值 。我公 司对这一 带的工程地质进行 了调查 ， 发现其混凝土环境侵蚀等 级为中等水平 ， 其 中酸性侵蚀等级大 多为 Hl级 ， 而 C O ， 侵蚀等级可达 H 2级。 L J I- 还大量存在硫酸 盐 、 氯盐等侵蚀工况 ， 需采取专门的技术措施 以提升混凝 土 耐久性 。 目前提高混凝土耐久性较为有效的方法之一是掺 人矿物掺合料和各种添加剂。如 T B 1 0 0 0 5 2 0 1 0 ( 铁 路混凝土结构耐久性设计规范中， 规定在侵蚀环境 混凝土的配制中必须加入粉煤灰 、 矿渣等矿物掺合料 ， 以提高混凝土耐久性 ； 而在 J C T 1 0 1 l一2 0 0 6 ( ( 混凝土 抗硫酸盐类侵蚀抗腐蚀剂中， 认 为掺入一定量的抗 腐蚀剂 ， 有利于改善水泥水化 、 密实性 能， 可抵抗盐类 侵蚀性作用 ， 提高腐蚀环境下混凝土的耐久性 。 但云南西部一带距离火 电丰富的昆明较远 ， 粉煤 灰 、 矿渣等匮乏 ， 火山灰资源却极为丰富。火山质材料 既可提供一定的强度 ， 也可改善混凝土的耐久性 ， 因此 在混凝土配合 比设计 中， 往往将火 山灰考虑为胶凝材 料。但火山灰疏松多孔 、 表面积大 、 吸附性较强 ， 所配 制的混凝土往往与外加剂适应性差 、 早期强度低 。 更重要的是 ， 对于粉煤灰 、 矿渣 、 火 山灰等矿物掺合料 ， _ 挛 低 ， 使混凝土易遭受碳化破坏 ” 。 碳化是指 空气 中的 C O 与水 泥混 凝 土 中的 C a ( O H) ， 发生反应 ， 生成 C a C O 。正 常情况 下， 在混凝 土强碱性环境 中钢筋表面形成钝化膜 ， 保护其遭受 锈 蚀。碳化将使混凝土碱度下降， 丧失对钢筋保护能力， 引起钢筋锈蚀与膨胀 ， 并最终导致混凝土开裂 ， 大量的 涵洞 、 公路以及水闸工程 的耐久性问题均 与混凝土碳 化引起 的钢筋锈蚀有关 卜” 。因此 ， 本文中， 在混凝 土中使用大掺量火山灰 的情况下 ， 通过添加专 门的火 山灰混凝土抗腐蚀剂 ， 研究 了抗腐蚀剂对混凝土抗碳 化性能的影响。本文对我 国云南地区火山灰在铁路工 程的应用 、 合理利用 当地资源具有一定的指导作用。 2试验及材料 2 1 材料 ( 1 ) 胶凝材料 水泥 ： 试验所用水泥为云南保 山海螺水泥有 限公 司 P 0 4 2 5 R硅酸盐水泥 ， 比表面积为 3 3 5 m k g ， 标 准 稠 度 需 水 量 为 2 7 1 ， 2 8 d抗 压 强 度 为 51 6 MPa。 粉煤灰 ： 成都金堂电厂 级粉煤灰 ， 细度为 4 5 m 方孔筛筛余 1 8 5 ， 活性指数为 7 1 5 ， 需水量 比为 1 0 2 ， 烧失量为 6 5 。 火山灰 ： 采用云南保 山恒银 实业有限公司的天然 火山灰粉， 该火山灰密度为2 6 6 o m ， 8 0 m筛余为 6 1 ， 4 5 Ix m筛余为 2 6 1 ， 流动度 比为 1 0 41 1 ， 3 d活性指数 6 5 7 ， 2 8 d活性指数 7 6 2 ， 火山灰的 化学组成如表 1 所示。 表 1 火 山灰化 学组成分析结 果 ( ) 化学 S i O2 A 1 2 O 3 F e 2 O 3 C a O Mg O S O 3 N a 2 O K 2 0 C l 一 成分 含量 5 9 5 l 1 7 2 7 5 3 4 7 2 5 3 4 9 0 0 2 3 9 8 2 1 8 注 ： 火山灰烧失量为 1 1 8 。 抗腐蚀 剂 ： 采用 四川 I 睿铁 科技有 限责 任公 司的 V A一 2型火山混凝土专用抗腐蚀剂， 该材料的性能满 足 J C T 1 0 1 12 0 0 6 混凝土抗硫酸盐类侵蚀抗腐蚀 剂 的要求。 ( 2 ) 砂 、 石 砂 ： 云南保山机制砂 ， 粗砂 、 最大粒径为 4 7 5 m m， 细度模数为 3 3 6， 亚 甲基蓝测试结果为 0 7 5 。 石 ： 云南保山石灰 石 ， 母岩强度为 1 2 4 3 MP a ， 最 大粒径为 2 6 5 mm， 间断级配。 ( 3 ) 减水剂 、 水 减水剂 ： 采用江苏博特 P C A一1型聚羧酸 高效减 水剂 ， 减水率 2 6 5 ， 固含量 1 4 5 。 水 ： 试验用水为 自来水。 2 2试验 ( 1 ) 配合比 试验设计 了 C 2 0 、 C 2 5 、 C 3 0 、 C 4 0强度等级的混凝 土 ， 在保持每个强度等级混凝土总胶凝材料用量不变 的情况下 ， 采用内掺 的方法 ， 将粉煤灰 、 火 山灰和抗腐 蚀剂等量取代水泥， 并调整减水剂掺量 以保持混凝土 的坍落度 8 O1 2 0 mm， 混凝土的配合 比如表 2所示。 ( 2 ) 碳化试验 如图 1所示 ， 依据 G B T 5 0 0 0 8 2 2 0 0 9 ( ( 普通混凝 土长期性 能和耐久性 能试验方 法标准 进 行碳 化试 验 ， 碳化最长时间为 2 8 d ， 对应 自然条件下碳化 5 0年。 考虑到掺合料混凝土强度发展较慢 ， 选择混凝土龄期 为 5 6 d 。将混凝土放入碳化箱中， 碳化至 3 d 、 7 d 、 1 4 d 和 2 8 d ， 取出试件进行断面破坏 ， 喷入酚酞试剂 ， 选取 8 9 个测点进行测量， 取各测点碳化深度的平均值作 为该试件碳化深度测定值。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 薛元， 等 ： 抗腐蚀剂对火山灰混凝土碳化性能的影响 2 0 1 5年 1 2月 级 ， 各工况下混凝 土抗碳 化能力顺 序 为： P OV A+ 5VA +3F A VA 。 3 2 混凝土碳化深度随时间变化 不同强度等级混凝土碳化深度随时间的变化如图 6所示 ， 在加速碳化的条件下 ， 在碳化箱 中2 8 d与 自然 环境 中碳化 5 0年对应。由图 6可 以看 出随着碳化 时 ( a ) C 2 0 混凝 土 间的增加 ， 混凝土的碳化速率越来越慢 ， 这主要是 由于 水泥石碳化后 ， 其碳化产物体积增 大堵塞 了原来的孔 隙， 阻碍了 C O 气体进一步扩散。此外还可 以发现 ， 加了防腐蚀剂的混凝土与单掺火山灰或粉煤灰的混凝 土相比碳化速率更慢， 这进一步说明防腐蚀剂可以改 善混凝土的抗碳化性能。 ( b ) C 2 5 混凝 土 O 5 l 0 1 5 2 0 25 3 0 碳化时间 d ( d ) C4 0 混凝土 图 6 混凝土碳化深度 随碳化 时间的变化 对 比不 同强度等级混凝土 的碳化可知 ， 强度等级 越低 ， 碳化深度越深 ， 抗碳化能力越差 ， 这主要与两方 面因素有关 。首先 ， 由表 2可知 ， 混凝土水胶 比越大 ， 强度越低 ， 孔 隙率越高 ， 抗渗透性越 差。由于 C O 在 混凝土中的扩散速度主要与其孔隙率以及渗透系数有 关 ， 在低强度等级混凝土中 C O 扩散较快 ， 因此 ， 其抗 碳化性能较差。 另外 ， 由表 2可知 ， 在 C 4 0混凝土 中火山灰与粉煤 灰掺量都为 3 0 ， 而 C 2 5与 C 3 0混凝土中都为 4 0 ， 在 C 2 0混凝土中则都 为 5 0 ， 随着掺合 料掺量增 加， 水泥用 量相 应 减少 ， 导致 水 化生 成 的 C a ( O H) 和 C S H 凝胶减少， 且粉煤灰、 火山灰与 C a ( O H ) 发 生二次水化还将消耗部分 C a ( O H) 。因此 ， 混凝土强 度等级越低 ， 混凝土中 C a ( O H) 含量越低 ， 抗碳化能 力越 差 。 4 结论 ( 1 ) 混凝 土强度 等级对其抗 碳化能力 有较 大影 响， 强度等级越高 ， 抗碳化能力越强 ， C 2 0普通混凝土 2 8 d碳化深度约 9 mm， 而 C 4 0普通混凝土 2 8 d碳化 深度基本为 0 。 ( 2 ) 由于水化形成 的 c a ( O H) 减少 以及二次反 应消耗 C a ( O H) ：的原 因， 在混凝土中掺人粉煤灰 、 火 山灰后 ， 碳化深度增加 ， 抗碳化能力降低较为明显 。 ( 3 ) 加入 5 的 V A一2型抗腐蚀剂 ， C 2 0混凝 土 2 8 d碳化深度可降低 2 0 以上 ， 与掺粉煤灰的效果接 近。而 C 4 0混凝土 2 8 d碳化深度则可降低 2 5 以上 ， 比掺粉煤灰降低了约 1 5 ， 抗腐蚀剂对火山灰混凝土 抗碳化能力改善相 当明显。 _ 加 O g 聪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 薛元， 等： 抗腐蚀剂对火山灰混凝土碳化性能的影响 2 0 1 5年 1 2月 参考文献 ： 1 中铁二院工程集团有限责任公司大瑞铁路保瑞段路基工程地 质说明 R 成都 ： 中铁二院工程集 团有 限责任公司 ， 2 0 1 4 Ch i n a Ra i l wa y E r y u a n e n g i n e e ri n g Gr o u p Co L t dDa l i Ru i l i Ra i l w a y R o a d b e d E n g i n e e ri n g G e o l o g y R C h e n g d u ： C h i n a R a i l w a y Er y u a n e n g i n e e ri n g Gr o u p Co，2 01 4 2 杨彦克， 李固华， 潘绍伟 建筑材料 M 成都： 西南交通大学 出版社 ， 2 0 1 2 Y A NG Y a n k e ，L I G u h u a ，P A N S h a o w e i B u i l d i n g Ma t e ri a l s M Ch e n g d “：S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s it y P r e s s 。 2 01 2 3 鲁爱 民腾 冲火 山灰 在赛格 怒 江大桥 高性 能 混凝 土 中 的应用 J 混凝土与水泥制品 ， 2 0 1 2 ， 3 7 ( 4 ) ： 1 7 2 0 L U Ai mi n Ap p l i c a t io n o f T e n g c h o n g Vo l c a n ic As h i n Hi g h P e r f o r m a n c e C o n c r e t e o f N u j i a n g R i v e r B ri d g e J C o n c r e t e a n d C e m e n t P r o d u c t s ， 2 0 1 2， 3 7 ( 4) ： 1 72 0 4 姜蓉， 赵娟火山灰混凝土强度及耐久性试验研究 J 上海应 用技术学院学报 ( 自然科学版)， 2 0 1 1 ， 1 1 ( 2 ) ： 1 5 1 1 5 4 J I ANG Ran g，Z HAO J u a nEx p e ri me n t al S t u d y o n S t r e n g t h a n d Du r a b i l i t y o f V o l c a n i c A s h C o n c r e t e J J o u r n a l o f S h a n g h a i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) ， 2 0 1 1 ， 1 1( 2 ) ： 1 5 11 5 4 5 姜蓉 云南腾冲地区火山灰混凝土与粉煤灰混凝土对比实验研究 J 上海应用技术学院学报( 自然科学版) ， 2 0 1 3 ， 1 3 ( 4 ) ： 2 9 1 2 9 4 J I ANG R o n g C o mp a r a t i v e S t u d y o n P o z z o l a n i c Co n c r e t e a n d t h e F l y A s h C o n c r e t e a t T e n g c h o n g C o u n t y ， Y u n n a n P r o v i n c e J J o u r n a l o f S h a n g h m I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy ( N a t u r al S c i e n c e E d i t i o n ) ， 2 0 1 3， 1 3 ( 4 ) ： 2 9 1 2 9 4 6 刘斌 大掺量粉煤灰混凝 土的抗碳化性能 J 混凝土 ，2 0 0 3， 2 5 ( 3 )： 4 44 7 L I U B i n An t i c a r b o n a t i o n P e rfo r ma n c e o f Co n c r e t e W i t h Hi g h Co n t e n t o f F l y A s h J C o n c r e t e ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 3 ) ： 4 4 4 7 7 牛建刚 ， 张缜 ， 翟海涛 粉煤灰混凝土碳化理论模型参数研究 J 混凝土 ，2 0 l 1 ， 3 3 ( 4 ) ： 4 8 5 O NI U J i a n g a n g ，Z HANG Z h u n， ZHAI Ha i t a o Re s e a r c h o n Th e o r e t i c a l M o d e l P a r a m e t e r s o f F l y A s h C o n c r e t e C a r b o n a t i o n f J C o n c r e t e ， 2 0 1 1 3 3 (4) ： 4 85 0 8 王培铭 ， 朱艳芳 ， 计亦奇 ， 等 掺粉煤灰 和矿渣粉 大流动度混 凝土 的碳化性能 J 建 筑材料学报 ， 2 0 0 1 ， 4 ( 4) ： 3 0 53 1 0 WANG Pe i mi n g ，Z HU Ya n f a n g ，J I Yi q i ，e t a 1 Ca r b o n a t i o n Re s i s t a n c e o f Hi g h S l u mp Co n c r e t e C o n t a i n i n g F l y As h a n d Grou n d S l a g J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 1 ， 4 ( 4 ) ： 3 0 5 3 1 0 9 周万 良， 方坤河 ， 詹炳根 掺粉 煤灰 、 矿粉 混凝土抗碳 化性能 研究 J 水泥与混凝土制品 ， 2 0 1 2 ， 3 9 ( 1 2 ) ： 1 4一l 9 ZHOU W a n l i a n g，F ANG Ku n h e，Z HAN B i n g g e nS t u d y o n C a r b o n a t i o n R e s i s t a n c e o f C o n c r e t e Mi x e d w i t h F l y As h a n d G rou n d S l a g J C e me n t a n d C o n c r e t e P r o d u c t s ， 2 0 1 2 ， 3 9 ( 1 2 ) ： 1 41 9 1 O 吴克刚 ， 谢 友 均 ， 丁巍巍 ， 等 粉 煤灰 混凝 土 的抗 碳化 性能 研 究 J 腐蚀与防护 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 4 1 4 4 1 6 WU K e g a n g ， X I E Y o u j u n ， D I N G We i w e i ， e t a 1 P rob e i n t o C a r b o n a - t i o n R e s i s t a n c e o f F l y A s h C o n c r e t e J C o r r o s i o n a n d P rot e c t i o n 2 0 0 8， 2 9( 1 0 ) ： 4 1 44 1 6 1 1 许晨， 岳增国， 金伟良， 等 碳化环境中混凝土钢筋锈蚀速率监测 研究 J 建筑材料学报， 2 0 1 2 ， 1 5 ( 4 ) ： 5 2 7 5 3 3 XU Ch e n，YUE Z e n g g u o，J I N W e i l ia n g ，e t a 1 Mo n i t o ri n g S t u d y o n Co r r o s i o n Ra t e o f C o n c r e t e Re i n f o r c e me n t i n Ca r b o n a t i o n En v i r o n me n t J J o u rna l o f B u i l d i n g Ma t e r i als ， 2 0 1 2 ， 1 5( 4 ) ： 5 2 7 5 3 3 1 2 季诗政 水工钢筋混凝土碳化病害的防治 J 北京水利， 1 9 9 5 ， 2 0( 2)： 2 93 1 J 1 S h i z h e n g P r e v e n t i o n o f Hy d r a u l i c Re i n f o r c e d C o n c r e t e Carb o n a t i o n J B e ij i n g Wa t e r C o n s e r v a n c y ， 1 9 9 5， 2 0 ( 2 ) ： 2 9 3 1 1 3 孙家瑛 ， 黄成华 钢筋混凝土桥梁耐 久性 问题 及对策研 究 J 铁 道科学与工程学报 ， 2 0 0 4， 1 ( 2 ) ： 5 25 6 S UN J i a y i n g，HUANG Ch e n g h u a Du r a b i l i t y o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e B ri d g e s a n d C o u n t e rme a s u r e s R e s e arc h J J o u rna l o f R a i l w a y S c i - e n c e a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4， 1 ( 2 ) ： 5 2 5 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m