矿物掺合料水工混凝土抗氯离子侵蚀性能研究.pdf

2 0 1 5年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 5 No 3 Ma r c h 矿物掺合料水工混凝土抗氯离子侵蚀-It士t t 月 匕la 研究 赵井辉 ， 武义馨 ， 刘福 胜 ， 崔兆彦 ， 温福胜 ， 刘 波 ( 山东农业大学水利土木工程学院 ， 泰安 2 7 1 0 1 8 ) 摘要 ： 研 究 了花 岗岩石粉 、 粉煤灰 等矿物掺合料 对水工混凝土抗 氯 离子侵蚀性 能的影响 ， 采 用 RC M 法测 定 了氯 离子在 混凝土试件 内部 扩散 系数的 变化规律 并研 究 了矿物掺合料 的掺 量与水工混凝 土抗 氯 离子侵蚀性 能的 关系。结 果表 明， 矿物掺舍料混凝土抗氯 离子侵蚀性 能较普通 混凝 土得 以提 高， 通过 混凝土双掺与单掺矿物掺合料 的抗 氯离子侵蚀性 能的比较 双掺 时抗氯 离子侵蚀性 能比单掺 花 岗岩石粉 时更好 。 关键词 ： 花 岗岩石粉 ； 粉煤灰 ； 掺 合料 ； 水工混凝 土 ； RC M 法 ； 氯 离子扩散 系数 Ab s t r a c t ： I 1l 1 e e f f e c t o f g r a n i t i c p o w d e r fl y a s h a n d o t h e r wa s t e mi n e r a l a d mi x t u r e s o n c h l o rid e r e s i s t i n g p r o p e r t i e s o f h y d r a u l i c c o n c r e t e a r e s t u d i e d ， a n d t h e c h a n g e r u l e o f i e ru M d i f f u s i o n C O e f fi c i e n t o f c h l o r i d e i o n i n c o n c r e t e s p e c i me n s i s t e s t e d by t he me t h o d o f RCMf urthe r mo r e t he r e l a t i o ns hi p b e t we e n t he c o nt e n t o f wa s t e mi n e r a l a d mi x t u r e s a n d c hl o - r i d e r e s i s t i n g p r o p e rti e s o f h y d r a u l i c c o n c r e t e p e r f o r ma n c e i s s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t c h l o ri d e r e s i s t i n g p r o p e rt i e s o f t h e c o n c r e t e wi t h a d mi x t u r e s i s b e t t e r t h a n t h a t o f o r d i n a r y c o n c r e t e ，a n d t h e p e r f o rm a n c e o f c o n c r e t e d o u b l e mi x e d wi t h a d mi x t u r e s i s b e t t e r t h a n t h a t o f c o n c r e t e s i n g l e mi x e d w i t h a d mi x t u r e Ke y wo r d s ：Gr a n i t i c p o w d e r ；F l y a s h ；Ad mi x t u r e ；Hy d r a u l i c c o n c r e t e ；RCM me t h o d ；C h l o ri d e i o n d i f f u s i o n c o e f f i c i e nt 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 3 8 7 0 4 0前言 在恶劣环境 。 如碳化 、 氯离子渗透等条件下 ， 钢 筋混凝土结构的耐久性问题十分突出 ， 主要是侵蚀 介质 的侵 入造成钢筋脱钝失去保 护而产生锈蚀 】 】 。 氯离 子侵蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性 的主要 因素之一 ， 氯离子侵蚀诱发钢筋混凝土结构中的钢 筋锈蚀 ， 继而导致钢筋混凝土结构 的力学性能发生 变化直至破坏 Z l 。另外 ， 在氯离子作用下 ， 钢筋进一 步 锈 蚀 并 膨 胀 也 会 导 致 混 凝 土 结 构 破 坏 3 1 。 这 种 情 况在沿海地 区水工混凝土中尤为严重 ， 大量钢筋混 凝 土构筑物 。 如海港码头 、 石油平 台、 跨海大桥 、 海 底 和沿岸钢筋混凝土管道等常 因氯离子侵蚀造 成 混凝 土 中钢筋 锈 蚀 而导 致 破 坏 ， 带来 了 巨大 损失 4 1 。 因此 提 高水工混凝 土的抗 氯离子侵蚀性能 ， 并对 混凝土侵蚀破坏机理开展研究具有重要意义。 本试验 以花 岗岩石粉 、 粉煤灰 为掺合 料 ， 主要 从水 工混凝土的抗氯离子侵蚀性能方面 ， 验证掺合 料对混凝土抗氯离子侵蚀性能的增强作用 ， 以期为 花岗岩石粉及粉煤灰的再生利用提供试验依据 。 1 试 验概 况 1 1 试 验 目的 基 金 项 目 ： 山东 省 重 大 水 利 科 研 及 技 术 推 广 项 目( S D S L KY2 0 l 2 O 9 ) 。 通过对矿物掺合料水工混凝土抗 氯离子侵蚀 性能试验 研究不同掺合料混凝 土在相同荷载作用 下的氯离子侵蚀机理 ， 探究水工混凝土抗氯离子侵 蚀性能与掺合料掺量之间的关系 ， 揭示混凝土内部 结构 的氯离子传输性能 ， 以确定掺合料水工混凝土 的最优配合 比， 并为水工混凝土结构 的耐久性设计 提供依据 。 1 2 原 材料 水泥： P O 4 2 5级 ： 花 岗岩石粉 ： 掺量 1 O 、 2 0 和 3 0 ， 细度 0 8 0 1 m和 0 1 5 0 1 x m； 粉 煤灰 ： 级 ， 掺量 1 0 、 2 0 和 3 0 ； 砂 ： 河砂 ， 过 4 7 5 mm筛 ， 细 度模数 2 6 7 ： 石 ： 粒径 5 2 5 m m 的连续级配碎石 ； 减 水剂 ： 萘系高效减水剂 ， 掺量 为水 泥和矿 物掺合料 总量 的 0 6 。 1 - 3 配合 比设 计 本试验设计 1 6组配合 比 ( 包括基准组 J 0 ) ， 每 组配合 比制作尺寸为 O l O O mmx 5 O m m 的试件 3个 ， 水胶 比 0 4 6 砂率 4 2 ， 具体配合 比及试件 编号见 表 1 。 1 4试验 原理 混凝 土氯离子扩散系数试验采用 R C M 法 ， 利 用外加 电场 的作用使试件外部 的氯离子 向试件 内 部 迁移 。 原 理如 图 1 所示 。 一 8 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 第 3期 混凝 土与 水泥 制 品 总第 2 2 7期 表 1 试验用混凝土配合 比 k 咖 注 ： J 0为 基 准 混 凝 土 配 合 比 ； G代 表 花 岗岩 石 粉 ，如 G1 2， 1代 表 花 岗 岩 石 粉 掺 量 为 1 0 ， 2代 表 花 岗 岩 石 粉 细 度 为 0 1 5 0 m； F代表粉煤灰 ； S代表双掺花岗岩石粉和粉煤灰 ， 如 S 2 1 ， 2代表花 岗岩石粉 和粉煤 灰总掺量为 2 0 ，按 质量 1 ： 1进行 双掺 ， 1代表花岗岩石粉细度为 0 8 O m。 经过一段时间( 具体时问由电流值确定 ) 后 ， 将 试件 沿 轴 向劈 开 ， 在 新劈 开 的 断面 上 喷洒 硝 酸 银溶 液 ， 根据生成的白色氯化银沉淀测量氯离子渗透的 深度 ， 以此计算 出混凝土氯离子扩散系数。 1 5 经 验公式嘲 D ：2 0 8 7 2 x 1 0 旦 ( 1 ) n=3 3 3 8 x l 0 - 3 ( 2) 式 中： D 删 为 R C M 法测定的混凝土氯离子扩 散 系数 ， m2 s ： T为 阳极 溶液 的初 始 温度 和 最 终 温 度 的平均值 ， K； h为试件 的厚度 ， m； 托为氯离子渗透 深度的平均值 ， mm， 精确到 0 1 mm； t 为试验持续时 间 ， h ； 0为辅 助变 量 。 1 6 结果评 定 及数 值取 舍 正 常情况下取 每组 3个试 件的算术平均值作 为该组试件的氯离子迁移系数测定值。若任一个测 量值与中值差值超过 1 5 ， 则取中值 ： 若有二个测 量值与中值差值超过 1 5 ， 则该组试验无效。 2试 验 结果及 分析 2 1 单掺 花 岗岩石 粉组 表 2为单掺花岗岩石粉组试件的试验结果。通 过对 试 验 数据 归 纳 分析 ， 得 到 图 2所 示 不 同花 岗岩 石粉 掺量 下 混凝 土氯 离子 扩散 系数 柱状 图 。 一 8 8 0 2 mo l L K0H溶液 液 圈 1 氯 离 子 侵 蚀 装 置 原 理 图 由表 2和 图 2可 看 出 ，单 掺 细度 0 8 0 m和 0 1 5 0 m花 岗岩石粉 的试件 ，随着其掺量 的增 加 ， 氯 离子 扩 散 系数 随之增 加 ； 掺 量相 同时 ， 细度 小的花岗岩石粉混凝土抗氯离子侵蚀性能较好 。 外界渗入的氯离子在混凝土 中主要以三种形 式存在 句 ： 与水泥中的铝酸盐反应生成低溶性的 单氯水化铝酸钙( 3 C a O A 1 2 0 3 C a C 1 1 0 H ： O) ， 即 氯离子的化学吸附；被吸附到水泥胶凝材料的 水化产物中去 ， 但无化学反应 ， 且这种吸附是不可 逆的， 即氯离子的物理吸附 ； 以扩散 、 渗透与毛 细作用等形式在混凝土 中迁移 ， 即 自由氯离子。 混 凝 土对 氯离 子 的化学 吸 附与物理 吸附被 称 为 固化 作用 ，而混凝土侵蚀破坏的主要原因之一是其 内 部可 自由迁移 的氯离子 的存在。 表 2单 掺 花 岗 岩 石 粉 组 氯 离 子 扩 散 系 数试 验 结 果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵井辉 ， 武义馨 ， 刘福胜 ， 等 矿物掺合料水工混凝土抗氯离子侵蚀性能研究 J 0 G1 1 G2 1 G3 1 G1 2 G2 2 G3 2 试件编号 图 2单 掺 花 岗岩 石 粉组 氯离 子扩 散 系 数 柱 状 图 当花岗岩石粉掺量较小时 。 石粉在混凝土 内部 起 到填充内部孔隙的作用 ，可降低混凝土孔隙率 ， 增加结构的密实性 。提高混凝土 自身抗渗性能 ， 所 以在花 岗岩石粉掺量较低时 ， 氯离子扩散系数值 比 基准 组 低 。 随着 石 粉掺 量 的增 加 。 混凝 土 胶 凝 材 料 减少 ，导致混凝土 自身对氯离子的 固化作用降低 ， 石粉掺量越 大 ， 固化作用 减弱越明显 ， 故在 同浓度 外 界侵蚀 溶液( 5 N a C 1 和 0 2 m o l L N a O H 混合溶 液 ) 条件下 。 混凝土 内部游离 自由氯离子数 随石粉 掺量 的增加 而增加 ，当花 岗岩石粉掺量为 3 0 时 ， 氯离子扩散系数高于基准组。 从试验数据可以看出 ， 当不同细度花 岗岩石粉 掺人混凝土中取代胶凝材料时 ， 细度小 的花 岗岩石 粉 对 混凝 土抗 氯 离 子 侵 蚀 性 能 较 掺 人 大 细 度 的 花 岗岩石粉要好 ， 但二者差距不大。参照文献 7 1 对混 凝 土 孔级 的划分 ，孔 径为 2 0 5 0 n m 的为 少 害孔 ： 孔 径 5 0 2 0 0 n m 的为有 害 孔 ：孑 L 径 大 于 2 0 0 n m则 为 多 害孑 L 。 细 度 越 小 的花 岗岩 石 粉 对 混 凝 土 内部 少 害 孔 、 有害孔及多害孔的填充效果越好 ， 故掺 0 8 0 tx m 花岗岩石粉的混凝土氯离子扩散系数偏小。 2 2 单 掺粉 煤灰 组 表 3为单掺粉煤灰组试件的试验结果。通过对 试验数据归纳分析 。 得到图 3所示不同粉煤灰掺量 下混 凝土 氯 离子 扩散 系数 柱状 图。 由表 3和 图 3可 见 当混 凝 土 中 粉煤 灰 掺 量 为 1 0 、 2 0 、 3 0 时 ， 氯 离 子 扩 散 系数 均 比基准 组 小 ， 掺量为 2 0 时， 氯离子扩散系数达到最小值。 水泥颗粒在混凝 土拌合 初期形成絮状结 构并 相互连接 ， 内部 还会包含一些水分 。 导致 混凝土拌 合物变成一种非均质的化合物结构 。 影响混凝土结 构的工作性能_8 。粉煤灰掺人混凝土后 ， 使絮状物被 分散 ， 水 泥颗粒 间的连接也会断开 ， 从 而释放出更 多的水分 ， 在混凝 土拌合物中 ， 粉煤 灰颗粒具 有亲 水性 ， 其表 面会 吸附絮状 物释放的水分 减少 混凝 土拌合物的泌水量 。如果混凝 土的泌水量大 。 会导 致混凝土分层离析 ，并使混凝 土内部形成微 管孔 道 ， 从 而降低混 凝土的抗渗性能 ， 为氯离子的渗透 与侵蚀提供通道。所以， t i A 粉煤灰后， 硬化的水泥 浆体会形成更致密的集体 ， 减少混凝 土中多余水分 的 自由移动 ， 最终 降低混凝 土的泌水性 ， 这在一定 程度上提高了抗氯离子侵蚀性能。 表 3 单掺粉煤灰组氯离子扩散系数试验结果 50 0 0 E一1 2 45 0 0 E一1 2 糕 4 O 0 0 E 一 1 2 35 0 0 E一1 2 箍 30 0 0 E一1 2 25 0 0 E一1 2 20 0 0 E一1 2 艇1 5 0 0 E一1 2 蠕 00 0 0 E一1 2 50 0 0 E一1 3 00 0 0 E+0 0 |l 试 件 编 号 图 3 单掺粉煤灰组试件氯 离子扩散系数柱状 图 粉煤灰 的微集料效应使混凝 土 中的孑 L 隙被堵 塞 ， 减小了孔隙率 ， 使混凝土孔结构得 到改善 ， 密实 度 得 以提 高 。 从 而提 高 了抗 氯 离 子 侵蚀 性 能 。当粉 煤灰在一定掺量范围时， 水 泥水化产物 与粉煤灰产 生 二 次 水 化 反 应 ， 生 成 较 多 的水 化 硅 酸 钙 、 水 化 铝 酸钙等胶凝物质 ， 提高 了混凝土的密实度 ， 且水化 铝酸钙是化学 固化氯离子的主要物质 ， 可使混凝 土 中的游离氯离子含量 降低 ， 减弱氯离子对混凝土的 渗透作用。 粉煤灰 的物理 活性和化学活性是导致试 验组 氯离子扩散系数 比基准组小的主要原因。但 由于相 同质量的粉煤灰 比水泥体积大 3 0 左右 ， 使得粉煤 灰掺量较大时 ， 水 泥用量减少 ， 水泥 浆体 的包裹作 用降低 ， 混凝 土内部 密实性降低 ， 抵抗 氯离子侵蚀 的性能也降低 ， 氯离子扩散 系数开始增 大。从试验 数据可以看出 ， 当粉煤灰掺量为 1 0 和 2 0 时 ， 氯 离子扩散系数 随粉煤灰掺量的增加而降低 ， 当粉煤 一 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年第 3期 混 凝土 与水 泥制 品 总第 2 2 7期 灰掺量继续增加 时， 其氯离子扩散系数反而增大。 2 3 双掺花岗岩石粉与粉煤灰组 双掺组 即花岗岩石粉与粉煤灰按质量 1 ： 1的双 掺 比例取代水泥 ， 掺量分别为 2 0 、 3 0 和 4 0 。表 4为双掺组试验结果 图 4为根据试验数据整理得 到的不同掺量 条件下双掺组混凝土试件氯离子扩 散系数柱状图。 表 4 双掺 花岗岩石粉和粉煤灰组氯离子扩散系数 试验结果 J o$ 2 -1$ 3 -1 S 41$ 2 - 2$ 3 - 2$ 4 -1 试件编号 图 4双掺 花岗岩石粉和粉煤灰组氯离子扩散系数柱状 图 由表 4和图 4可 以看出， 当粉煤灰与细度为 0 8 0 1 m 的花岗岩石粉双掺 时 ，对混凝土抗氯离子侵 蚀 性 能 的影 响 是粉 煤灰 占主 导地 位 ； 当粉 煤 灰 与细 度为 0 1 5 0 m的花 岗岩石粉双掺时 ， 对混凝土抗氯 离子侵蚀性能的影响是花岗岩石粉 占主导地位。二 一 9 0一 组 双掺 量 在未 超 过 4 0 时 ， 混 凝 土抗 氯 离 子侵 蚀 性 能 均得 到提 高 。 同质 量 的花 岗岩 石 粉 ，细 度 小 的 比表 面 积 大 ， 有利于石粉与水泥浆体形成较大的接触面积 ， 促进 水泥 的水化反应 以及粉煤灰与水泥水化产物 的二 次水化反应 ， 使粉煤灰对混凝土抗氯离子侵蚀性能 的影响效应较早得以体现 。这是在花 岗岩石粉细度 不同 ， 其他条件均相 同时 ， 造 成氯离子 扩散 系数变 化趋势 的 主要原 因 。 3结论 ( 1 ) 水工 混凝 土 单 掺 花 岗岩 石 粉 或粉 煤 灰 及 双 掺花岗岩石粉与粉煤灰 ， 当掺量控制在一定范 围内 时 ， 混 凝 土 的氯 离 子 扩 散 系数 均 有 所 降 低 ， 即 抗 氯 离子侵蚀性能有所增强 ， 并呈现出一定 的规律性 。 ( 2 ) 由于花岗岩石粉及 粉煤灰的叠加效应 ， 双 掺花 岗岩石粉及粉煤灰的水 工混凝土抗氯离子侵 蚀 性 能 比单 掺 花 岗岩 石 粉 时 的 水 工 混凝 土 抗 氯 离 子侵蚀性能有所提高 ， 且双掺量在为 3 0 和 4 0 时 效 果更 为 明显 。 ( 3 ) 试验证明 ， 以花 岗岩 石粉和粉煤灰为掺合 料 的水 工 混 凝 土具 有较 好 的抗 氯 离 子侵 蚀 性 能 ， 试 验 结 果 可 为 花 岗岩 石 粉 及 粉 煤 灰 在 水 工 混 凝 土 领 域 的应用提供理论依据。 参考文献 ： 1 】 杨跃， 袁杰， 王 晓博 粉煤灰 高性能混凝 土氯离子渗 透性研 究 J 低温建筑技术， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 3 1 5 【 2 罗小勇， 邹 洪波， 黄 素辉 不 同应力状 态下混凝 土抗 氯离子 侵蚀浸 泡试验研 究I J I 工业建筑， 2 0 1 2 ( 9 ) ： 1 1 0 1 l 5 3 施惠生 ， 王琼 掺 复合胶凝 材料混凝 土 的抗 氯离子 侵蚀性 能 J 同济大学学报 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 4 ) ： 4 9 0 4 9 3 【 4 J 赵羽 习， 杜攀峰， 金伟 良 混凝土 防腐 涂料抗氯 离子侵蚀性 能试验研究 J 】 建筑科学与工程学报， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 2 ) ： 2 6 3 1 ， 5 中华人 民共和国水利部 S L 3 5 2 2 0 0 6水工混凝 土试验规 N S 1 北京： 中国水利水 电出版社。 2 0 0 6 【 6 】 王卫东 石粉对硅酸盐水泥 固化氯离子 的影 响及机理研究 D 焦作： 河南理工大学， 2 0 1 2 【 7 吴 中伟 ， 廉 慧珍 高性 能混凝 土【 M】 北 京： 中国铁道 出版社， 1 99 9： 2 4-2 5 8 】 黄春霞 大掺量粉煤灰混凝 土碳化 深度预测模 型试验研究 D 1 杨凌： 陕西农林科技大学， 2 0 1 1 收稿 日期 ： 2 01 4 1 2 2 3 作者简介 ： 赵井辉 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 通讯作者 ： 刘福胜 ( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 博士生导师。 通讯地址 ： 泰安市岱宗大街 6 1号 联 系电话 ： 1 5 2 1 5 4 8 0 3 8 9 E ma i l ： z h a o j i n g h u i l 1 2 6 c o m 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 0 i；l O 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一+ E E E E E E E E E E E 帅 0 0 0 5 O 5 O 0 O 5 4 4 3 3 2 21 O 5 0 箍 傩骣 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m