矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述.pdf
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1、矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述 李梅等 1 0 7 矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述 李梅 , 温 勇, 张广泰 , 唐巍 , 董海蛟 ( 新疆大学建筑工程学院, 乌鲁木齐 8 3 0 0 4 7 ) 摘要 矿物掺合料因对改善混凝土抗氯离子渗透性有着较为显著的作用而获得了研究者的广泛关注。综述 了近年来国内外关于矿物掺合料对混凝土抗氯离子侵蚀能力影响的研究进展, 分析并总结了粉煤灰、 硅灰、 矿渣等矿 物掺合料 单掺 和复掺 的情况下 , 对混凝土抗氯 离子渗透性 能的影响 。同时 , 通过 分析 混凝 土抗 氯 离子 渗透性相 关测 试方法的优缺点, 并对比不同研究者的
2、测试结果, 对需要进一步研究的相关问题提出了建议。 关键词 混凝土矿物掺合料氯离子渗透性 中图分 类号 : TU5 2 8 0 4 文献标识码 : A An Ov e r v i e w O i l I nf l ue nc e o f M i ne r a l Ad mi x t u r e o n Ch l o r i d e I o n Pe n e t r a t i o n Re s i s t a n c e o f Co n c r e t e I I Me i , WE N Yo n g , Z HANG Gu a n g t a i ,T ANG We i , DONG Ha
3、 i j i a o ( C o l l e g e o f C i v i l Co n s t r u c t i o n , X i Ni a n g Un i v e r s i t y , Ur u mq 8 3 0 0 4 7 ) A b s t r a c t Mi n e r a l a d mi x t u r e h a s b e e n a t t r a c t i n g i n c r e a s i n g a t t e n t i o n b y t h e r e s e a r c h e r s ,b e c a u s e o f i t s s i
4、 g n i f i c a n t l y e f f e c t t o i mp r o v e t h e c o n c r e t e r e s i s t a n c e t o c h l o r i d e i o n p e r me a b i l i t y Th e r e s e a r c h p r o g r e s s o f mi n e r a l a d mi x t u r e o f c o n c r e t e r e s i s t a n c e t o c h l o r i d e i o n e r o s i o n c a p
5、a c i t y a t h o me a n d a b r o a d i n r e c e n t y e a r s a r e r e v i e we d, t h e i n f - l u e n c e o f c h l o r i d e r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e a r e a n a l y z e d a f t e r s e p a r a t e o r c o mp o s i t e mi x e d wi t h t h e mi n e r a l a d mi x t u r e i n c
6、l u d i n g f l y a s h,s i l i c a f u me a n d s l a g i n t o c o n c r e t e Me a n wh i l e ,t h r o u g h t h e a n a l y s i s o f a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e r e l a t e d me t h o d o f t h e t e s t a n d c o mp a r i n g t h e d i f f e r e n t r e s u l
7、t s o f t h e r e s e a r c h e r s ,t h e n s o me s u g g e s t i o n s f o r t h e p r o b l e ms wh i c h n e e d t o b e f u r t h e r s t u d i e d a r e p u t f o r wa r d Ke y wo r d s c o n c r e t e ,mi n e r a l a d mi x t u r e , c h l o r i d e p e rm e a b i l i t y 0 引言 混凝土因具有制备简单、 造价
8、低廉 、 功能多样 、 相对耐久 性好 以及后期维护费低等优越性 , 成为当今世界上用量最大 的人造材料 , 是 国民经济发展和社会进 步的基础原材料之 一 O 混凝土结构除了要承受足够的荷载之外 , 还要不断遭受 自然环境作用下诸如表层磨损 、 孔隙中盐结 晶引起的开裂以 及暴露于冰冻或火灾等极端温度环境下 的各种 劣化 因子 的 侵蚀作用 , 其 中氯离子对混凝土的侵蚀作用是环境作用下影 响钢筋混凝土的主要因素 , 它可 以导致混凝土强度及其耐久 性严重降低。相关研究表明_ 】 , 氯盐对沿海和盐碱地 区的 钢筋混凝土结构物的劣化破坏尤为严重。 存在于钢筋混凝土 中的氯离子主要有 3种形式
9、 1 : 一 是在混凝土的孔隙溶液中存在 的游离氯离子 ; 二是氯离子与 水化铝酸盐及其衍生物反应生成低溶性 的 3 C a O A1 O。 Ca C 1 z 1 0 H 0( F r i e d e l 盐) ; 三是水泥水化产物 以及未水化 的部分水泥矿物组分会对氯离子有一定 的物理吸附。在盐 碱地区, 氯离子进入 到混凝土中而引起的钢筋锈蚀 , 是造成 钢筋混凝土结构破坏的最主要的原因之一, 也决定了混凝土 结构的使用寿命。 为更有效地改善外部及 内部环境对混凝土 的侵蚀作 用 并延 长混凝土结构 的使用寿命 , 通常需要在混凝土耐久性设 计和材料的选择阶段充分考虑保证足够的混凝土保护层
10、厚 度和使用高品质的混凝土 。混凝土保护层厚度 的增加能够 带来一定的益处 , 因为这种做法能够有效阻碍侵蚀性介质的 侵入并延长初始腐蚀产生的时间。然而事实上 , 由于力学性 能和现实原因, 保护层厚度的增加是有限的。为达到混凝土 的理想力学性能与优异的耐久性, 近年来混凝 土抗氯离子渗 透性的研究基本上集中于化学外加剂及矿物掺合料的应用。 1 混凝土中矿物掺合料的作用 矿物掺合料, 通常指火山灰质材料, 主要成分是氧化硅、 氧化铝和其他有效矿物质。矿物掺合料 的火 山灰质效应使 其与对结构不利的氢氧化钙发生反应, 生成产物 C - S - H 凝 胶 , 此产物为极小粒子所组成的刚性胶凝材料
11、 , 能够提高结 *国家 自然科学基金( 5 1 2 6 8 0 5 5 ) 李梅: 女, 1 9 8 7年生, 硕士生, 研究方向为结构工程 温勇: 通讯作者, 男, 1 9 7 5年生, 副教授, 研究方向为混凝土材料的耐久性 E - m a i l : we n y o n g _9 7 3 1 1 2 6 c o r n 1 0 8 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 3 年 6月( 上) 第 2 7 卷第 6 期 构的强度与密实度 2 。 反应式普遍表示为l 3 : H4 S i O4 + Ca ( OH) 2 H2 S i O4 一4 -Ca 抖 4- 2 H2 0+ Ca H2
12、S i O42 H2 O 值得注意的是, 这个反应是 C a 、 s i 比和可利用水分子等 的函数, 因此可能会发生变化, 结果会导致水化产物偏离其 普遍形式 。 矿物掺合料在混凝土中的作用归纳于表 1 中 2 。 表 1 矿物掺合料在混凝土中的作用 Ta b l e 1 Th e e f f e c t o f mi n e r a l a d mi x t u r e o n c o n c r e t e 效应 作用 丌 , + 利用掺合料的颗粒形态 ( 即颗粒圆形度比水泥 彤态双厦大) 在混凝土中能够起减水作用 微细集料利用掺合料微细颗粒的填充性 , 提高混凝 土致 效应 密性 ,
13、减少浆体与集料界面缺陷 化学活性利用掺合料的胶凝性和火山灰质性, 水化反应 效应 生成大量 C _ H凝胶, 改善界面缺陷 总体上讲, 提高混凝土的抗渗性能可以有效地防止钢筋 锈蚀 , 并且混凝土的渗透性是与微观结构密实度及孔隙特征 紧密相关的。矿物掺合料 能有效改善混凝土内部孔隙结构 和界面区域 , 并且在很大程度上阻碍氯离子对混凝 土的侵 蚀, 这也是现今提高混凝土抗 氯离子侵蚀性的有效措施之 一 。 矿物掺合料能提高混凝土抗氯离子侵蚀的原因主要包 括以下两个方面: 一是矿物掺合料的添加有效优化了混凝土 内部微观结构 , 从而提高 了它对氯离子渗 透的扩散阻力; 二 是添加矿物掺合料后使得
14、水泥的二次水化反应生成低碱性 G H凝胶 , 能够增强混凝土对氯离子的化学结合能力与物 理吸附能力_ 2 。 通常, 矿物掺合料的应用可以提高混凝土中氯离子含量 的临界值 , 降低氯离子的渗透性 , 增强氯离子结合能力 , 改善 混凝土基体的孔隙形状和尺寸分布 , 这些优势使它在混凝土 中得到了很好 的应用和推广。接下来将总结和分析各种矿 物掺合料对混凝土抗氯离子性能的影响。 1 1 粉煤 灰 通常, 矿物掺合料对混凝土性能的影响主要取决于颗粒 的粒径、 形状和结构而非化学成分 。与高炉矿渣等其他辅 助胶凝材料相比, 粉煤灰的颗粒形态为球形 , 这一点对于减 少混凝土拌合物需水量 和提高混凝土
15、拌和物工作性能具有 积极的作用。 马坤林等_ 7 研究表明, 粉煤灰的掺入能够增强氯离子的 化学键合与物理 吸附能力, 降低混凝土中游离氯离子浓度, 从而延缓钢筋锈蚀的时间。何松晟等 研究表明, 混凝土中 掺加粉煤灰能够有效降低 其孔 隙率, 并且 降低混凝 土电通 量, 对氯离子渗透有一定的阻碍作用 , 提 出孔隙率与 电通量 有一定的关联性。P a r a n d e 等 依据 A S T M C 1 2 0 2标准通 过 R C P T的试验方法研究表明 混凝土 中掺加粉煤灰之后 , 与基准混凝土相 比, 其 1 5 0 d强度及氯离子渗透性均有明显 改善。W C h a l e e 等
16、_ 1 】 通过 A S T M C l 1 5 2 ( 灰浆 和混凝 土中 酸可溶氯化物试验方法) 试验研究发现随着粉煤灰置换率的 提高 , 混凝土的氯离子渗透性 明显降低, 且据 F i c k 第二定律 得出其 氯离 子 渗透 系数 也 显 著降 低。黄 小玲 等 1 妇依据 A S T M C 1 2 0 2 试验方法 , 得出低水胶 比混凝土比高水胶 比混 凝土具有更优异的抗氯离子渗透性能, 并提 出掺粉煤灰混凝 土更适合采用长龄期混凝土来评价其抗氯离子渗透性 。王 彩文等 1 2 通过 相 同试验 方法得 出在标准 养护 ( 水 胶 比为 0 4 ) 初期( 7 d 时) 混凝土的
17、抗氯离子渗透性 随电通量增加而 降低; 在后期 ( 2 8 d 、 5 6 d时) , 粉煤灰掺量在 4 0 之内递增 时, 它的抗氯离子渗透性能逐渐增强, 此结论与黄小玲等的 研究结果存在一致性。但是 , 何智海 1 。 利用 R C M 法测量混 凝土氯离子渗透性的试验结果显示: 水胶 比一定时 ( w b 一 0 3 ) , 粉煤灰掺量为 3 0 的混凝土抗氯离子渗透性能最佳 , 认为粉煤灰掺量过高反而降低混凝土抗氯离子渗透性能。 上述得出最佳产量的不 同可能是由于各个地区的粉煤 灰质量不 同, 还有可能是所采用 的实验方法不 同造成 的。 R C P T法( 电通量法) 与 RC M
18、法是现今较为常用的测量混凝 土氯离子渗透性的试验方法。其 中, RC M 法能定量地评价 混凝土抵抗氯离子扩散的能力, 但因为此方法仍采用较高的 电压 , 这样会使得孔隙溶液发生变化且部分电流会消耗于电 极反应 , 并不是完全消耗于氯离子迁移, 因此也可能会使试 验结果有误差, 使得扩散 系数被低估 ; R C P T法也有一定 的 局限性, 它只适用于测量通电量在 1 0 0 0 3 0 0 0 C范围内的混 凝土, 并更适用于中等强度 的混凝土 , 它的外加 电压也高达 6 O V, 同样存在一定的误差。 1 2 矿 渣 矿渣能够改善混凝土抗氯离子渗透性不仅 因为其具有 矿物掺合料 的火山
19、灰质效应, 还由于矿渣微粉的活性需要碱 的激发 , 它可以吸收水泥中钾 、 钠等碱金属, 从而提高其界面 强度及密实性l_ 4 。 刘海涛等 1 4 3 依据 NT B u i 1 d 4 9 2 ( RC M) 进行实验 , 研究表 明, 由于矿渣活性较高, 在初期 , 矿渣对砂浆强度与抗渗性的 贡献较为突出, 并且因为矿渣微粉的碱激发效应使其具有更 高的氯离子吸附能力 , 因此掺人矿渣的砂浆试件氯离子扩散 系数有所降低 ; 施惠生等_ j 5 _ 通过 A S T M C 1 2 O 2 9 7 ( R C P T) 试 验方法得出, 在混凝土内部碱性环境下矿渣的加入能够有效 改善混凝土微
20、 观结构 , 使水泥 内部孔隙率显著下降。文献 1 6 1 8 也通过试验表明, 矿渣粉掺入到混凝土 中, 能够 明 显改善混凝土的抗渗性能, 且随矿渣粉掺量的增加 , 混凝土 的抗渗能力显著提高。 矿渣微粉改善混凝土的抗渗性能 , 一定程度上归功于它 的缓凝作用及密度都与水泥接近。但矿渣的磨细程度及用 量对矿渣 昆 凝土的需水量有较为明显的影响, 由于它的比表 面积较高, 若其细度不够或用量过大, 都会使混凝 土产生显 著的泌水和离析, 因此通常需要加入减水剂来降低矿渣混凝 土的需水量 , 这也需要研究人员做最适当的调整才能使矿渣 最有效地发挥其有利作用 。 矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性
21、的影响综述 李梅等 1 O 9 1 3 硅灰 硅灰由极微小、 表面光滑的玻璃态球形颗粒组成并具有 相当大的比表面积 ( 一般为 1 5 0 0 0 2 5 0 0 0 m。 k g ) , 能使水泥 的微观孑 L 隙结构和界面区域更加致密。且它 的主要化学成 分 S i O 含量在 9 O 以上, 使得它的水化反应产物 C _ H凝 胶的体积得到很大的提高 , 更有效地改善 了硅灰混凝 土的抗 氯离子渗透性_ 3 。 郝立波等 通过 A S T M C 1 2 0 2 试验方法测定掺加 4种 矿物掺合料( 粉煤灰、 矿渣 、 偏高岭土和硅灰) 的混凝土试件 的氯离子渗透通电量和扩散系数 , 研
22、究表明上述掺合料均能 改善混凝土抗氯离子渗透性能 , 且掺量越大效果越好 , 其中 硅灰和偏高岭土的改善效果优于粉煤灰和矿渣 , 当硅灰掺量 达到 1 O 时 , 混凝土的扩散系数相 比基准混凝土降低幅度最 大 C s P o o n等l_ 1 钉 同样依据 A S T M C 1 2 O 2 标准进行混凝 土抗氯离子渗透性实验 , 对 比测量在不 同水灰 比下偏 高岭土 与硅灰不同掺量时对混凝土渗透性的影响 , 试验结果表 明在 影响程度上偏高岭 土优于硅灰并在低水灰 比下表现更为明 显。郭春兴等 2 0 j 通过 N E L试验方法对比测量单掺硅灰与粉 煤灰的混凝土的抗氯离子渗透性 , 结
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