复掺粉煤灰和硅灰对混凝土抗氯离子渗透性和抗冻性的影响研究.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 (总 第 2 6 5 期 ) Nu mb e r 1 1 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 5 ) 混 凝 土 Co n G r e r e 原材料及辅助物料 M AT ERI AL AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 1 1 0 2 5 复掺粉煤灰和硅灰对混凝土抗氯离子渗透性和 抗冻性的影响研究 刘斌云 ，李凯 1 I2 。赵尚传 ( 1 北京工业大学 建筑工程学院， 北京 1 0 0 1 2 4 ；2 交通运输部公路科学研究院，北京 1 0 0 0 8 8 ) 摘要： 通过试验研究了复掺粉煤灰和硅灰对混凝土抗氯离子渗透性能和抗冻融性能以及综合考虑两个方面对混凝土耐久性的影响。 试验结果表明： 复掺粉煤灰和硅灰能大幅度提高混凝土的抗氯离子渗透性能， 最小能提高 5 1 3 ， 同时会降低其抗冻融性能， 但降低幅度 不是很大， 相对动弹模最大仅降低 1 2 5 ， 因此综合评价其对耐久性的影响， 复掺粉煤灰和硅灰还是能较大程度的提高混凝土的耐久性。 关键词： 复掺；混凝土；粉煤灰； 硅灰； 抗氯离子渗透性；冻融；耐久性 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 1 - 0 0 8 3 0 3 St udy o f e ffe c t s on ch l or i de r e s i s t a nc e t o i on p ene t r a t i on a nd f r o s t o f c onc r e t e mi xe d wi t h f l y a s h an d s i l i c a f ume LI UBi n- y u n ， LI Ka i 1 ,2 ZHAO S h a n g- c hu a n ( 1 C o l l e g e o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r in g ， Be i j i n g U n i v e r s i ty o f T e c h n o l o g y ， Be i j i n g 1 0 0 1 2 4， C h i n a ； 2 R e s e a r c h I n s t i t u t e o f H i g h w a y Mi n i s t r y o f T r ans p o r t ， B e ij in g 1 0 0 0 8 8 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Th e t e s t s r e s e a r c h e d t he c h l o rid e i o n pe n e t r a t i o n and ant i fre e z e o f c o n c r e t e mi x e d wi th fl y a s h and s i l i c a f u me and i n t o a c c o u n t two a s p e c t s o f p e r f o r manc e an d d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e b y e x p e ri me n t s T h e r e s u l t s s h o we d t h a t ： c o mp l e x o f fl y a s h an d s i l i c a fume c an g r e a t l y i mp r o v e r e s i s t a n c et o c h l o r i d ei o n pe n e mi o n o f c o n c r e t e ， mi ni ma l t oi n c r e a s e 51 - 3 ， a n di t wi l l r e d u c ei t s r e s i s t a n c et of r e e z e tha wpe r f o r ma n c e， b u t r e d uc et h ema g ni tud ei s n o t l a r g e， thema ximu m r e l i v e d y na mi c e l a s t i cmo d u l us o nl y1 2 5 r e d u c t i o n， S O e v a l u a t i o no f t hei mp a O i l t h ed u r a b i l i t y ， fl y a s h a n d s i l i c a f u me c o mp l e x c a n i mp r o v e a g r e a t e r d e gre e o f d u r a b i l i ty o f c o n c r e t e Ke ywor d s： c o mpl e x； c o nc r e t e； flya s h； s i l i c afume； r e s i s t a n c et o c h l o rid ei o npe n e tra t i o n； f r e e z e - -t h a w； d u r a b i l i t y 0 引言 我国存在广阔的海洋环境， 大规模的建设集中在沿海地区。 海水 、 海风、 海雾中的氯离子以及使用海砂造成钢筋混凝土结 构的破坏， 我国北方冬季使用除冰盐导致路面耐久性下降， 给社 会带来了巨大的损失。 混凝土抗氯离子侵蚀能力与材料的抗渗 性有关， 抗渗性又与水泥石密实度和孔隙特征密切相关 ， 特别 是骨料与水泥浆界面过渡区对氯离子有重大影响。 要提高混凝 土的抗氯离子侵蚀能力 ， 提高耐久性 ， 必须改善水泥石与骨料 之间的界面结构 ， 缩小抑制界面过渡区的形成1 1 ， 使用优质矿物 掺合料是一种有效的方法。 硅灰( S i l i c a F u me ， 简称 S F ) 是冶炼硅铁合金和工业硅时产 生的 S i O： 和 s i 气体与空气中的氧气迅速氧化并冷凝而形成的 一 种超细硅质粉体材料 ， 比表面积高达 1 5 - 2 O x l O s c m2 g ， 平均 粒径小于 0 1 Ix r n ， 约为水泥粒径的 1 5 0 1 1 0 0 ； 质量好的硅灰 中硅含量大于 9 0 ， 其中活性硅在 4 0 以上， 故活性较高。 混凝 土中掺入 s F可显著提高混凝土强度和耐久性， 其主要是利用s F 极细微的颗粒产生良好的毛细填充效应， 使混凝土孔结构致密 ， 高活性的火山灰对混凝土早期和后期强度发展十分有利 2 _ 3 。 粉煤灰( F l y A s h ， 简称 F A ) 是由实心和( 或) 中空玻璃微珠以 及少量的莫来石 、 石英等结晶物质所组成。 用 F A取代部分水泥 收稿 日期 ：2 0 1 l - o 5 - 3 0 可以减少水化热、 降低渗透性和孔隙率， 减小干燥收缩， 抑制碱 骨料反应。 但 F A的火山灰活性较低， 在常温下 ， 即使水泥水化产 物中有足够的C a ( OH) ： ， 其火山灰反应仍很慢 ， 导致混凝土的早 期强度发展缓幔， 从而限制了F A的使用 。 本试验研究了将两种掺合料复掺方案对混凝土抗氯离子 渗透性能和抗冻性以及强度随冻融循环次数的影响。 1 试验材料及 方法 1 1 试验材料 ( 1 ) 水泥： P O 5 2 5 级水泥。 ( 2 ) 粗集料 ： 花岗岩粗集料， 针片状颗粒总含量 4 3 ， 含泥 量为 1 4 ， 泥块含量为 0 。 ( 3 ) 细集料： 河砂， 细度模数 2 7 1 ， 含泥量 1 6 ， 泥块含量为 0 ， 表观密度 2 6 8 9 k g m3 ， 堆积密度 1 5 5 9 k g m。 。 ( 4 ) 外加剂： 山西黄腾产聚羧酸高效减水剂， 减水率3 0 ， 固含量 2 O 。 ( 5 ) 矿物掺合料 ： 粉煤灰为 I I 级粉煤灰。 ( 6 ) 硅灰为 北京邦德印合成材料研究所生产， 灰白 色粉末、 密度 为 2 3 6 k g m 3 , p H值为中 性。 硅灰中细度小于 1 m的占8 0 以上， 比表面积为2 0 2 8 mV g ， 其细度和比表面积约为水泥的8 0 1 0 0 倍， 粉煤灰的 5 0 7 0 倍， 平均粒径在 0 1 0 -3 m。 其化学成分如表 1 。 8 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 硅灰的化学成分 编 号 丽 X 0 5 4 5 一 一 1 7 4 0 6 5 0 7 4 3 31 8 X一 2 5 0 0 一 一 1 6 O 0 6 4 4 8 0 2 3 4 4 XX一 2 5 0 0 一 一 1 6 0 0 6 4 4 8 0 2 3 4 4 F一 2 4l 6 78 2 6 1 6 6 4 6 3 5 7 9 0 3 3 9 F一 4 4 0 0 7 5 2 5 l 6 0 0 6 4 4 8 0 2 3 4 4 注： 除X X 2 的粗集料是石灰岩外， 其余都为花岗岩。 1 2 2 试验方法 氯离子扩散系数按照GB T 5 o 0 8 2 _ _ 2 o 0 9 普通混凝土长期性 能和耐久性能试验方法标准 的快速氯离子迁移系数法( R c M法) 执行， 试件采用直径为( 1 0 0 1 ) mm， 高度为( 5 0 2 ) mm的圆柱 体试件， 首先将试件从养护室中取出， 擦干表面水分， 并测试试 件高度和直径， 然后将试件在饱和面干状态下置于真空容器中 进行真空处理， 并保持真空 3 h ， 然后在真空泵运转的情况下将 用蒸馏水配置的饱和氢氧化钙溶液注入容器， 将试件浸泡， 在试 件浸没 1 h后恢复常压并继续浸泡( 1 8 2 ) h ， 待浸泡完毕后将 试件吹干并安装在 R C M试验装置上， 在橡胶套中注入 3 0 0 mL 浓度为 0 _ 3 mo l L的Na O H溶液， 在阴极试验槽内注入 1 2 L质 量分数为 1 0 的Na C 1 溶液， 并使其液面与橡胶套内的Na O H 溶液的液面齐平 ， 安装完成后打开试验仪器进行试验， 测试完 成后将试件沿轴向劈成两个半圆柱体， 并在劈开试件断面喷涂 0 1 mo l L的Ag NO 溶液显色指示剂， 指示剂喷洒 1 5 mi n后， 沿 试件直径断面将其分成 1 0等分， 并用防水笔描出渗透轮廓线 ， 然后测量显色分界线离试件底面的距离 ， 并按照式( 1 ) 计算 昆 凝土的非稳态氯离子迁移系数。 D RCM- (X d- 0 02 3 8、 ) ( 1 ) 式中： D 广 凝土的非稳态京 = 迁移系数， 精确到0 1 x l 0 a mZ s ； U所用电压的绝对值， v； 阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值， ； 试件厚度， m m， 精确到 0 1 mm； 氯离子渗透深度的平均值， mm， 精确到0 1 m i l l ； 试验持续时间， h 。 混凝土冻融循环按照 J T G E 3 0 -2 0 0 5 公路工程水泥及水 泥混凝土试验规程 的快冻法方法执行 ， 冻融介质为清水。 在试 件达到养护龄期后取出擦干表面水分进行外观测量， 然后编号 ， 称取试件质量并按照 T 0 5 6 4 水泥混凝土动弹性模量试验方法 ( 共振仪法) 测定试件横向基频 ， 作为评定抗冻性的起始值 ， 2 5 次做一个横向基频动弹性模量和质量损失测试， 冻融循环做 3 0 0次 。 2 试验结果及分析 2 1 抗氯离子渗透性能 表 3是混凝土的氯离子扩散系数 D ， D 越大表明混凝 土的抗氯离子渗透性越差 ， 从表中可以看出D 的大小顺序为 XX 2X 0 X 2 F 2 F一 4 表 3混凝土氯离子扩散系数 1 0 z m2 s X一 0 X一 2 XX一 2 F 一 2 F 一 4 抗氯离子渗透系数 图 1 氯离子扩散 系数的变化 试验表明， 采用石灰岩骨料的混凝土其抗氯离子渗透性能 最差， 这是因为石灰岩的表面较花岗岩光滑， 与胶材的黏结能 力较花岗岩差， 因此其抗氯离子渗透能较采用花岗岩的混凝土差， 从表 3 数据可以看出， 石灰岩骨料的混凝土其氯离子扩散系数 最大， 较花岗岩骨料的混凝土最少多出3 4 6 ， 最多多出 5 2 9 。 而在采用花岗岩骨料的混凝土中， 复掺粉煤灰和硅灰的混凝土 抗氯离子渗透性能比不掺掺合料的混凝土抗氯离子渗透性能 要好， 在相同胶材用量的情况下， 复掺粉煤灰和硅灰的F 一 4比不 掺掺合料的X 2 氯离子扩散系数降低 5 5 4 ；同样 ， F 4比X一 0 氯离子扩散系数降低了7 8 6 ， F 一 2比X 0降低了 7 6 6 ， 比X一 2 降低了5 1 3 。 这是因为 c l 一 的渗透性主要由两个因素决定 ： 一 是混凝土对 c 1 一 渗透扩散阻碍能力 ， 这种阻碍能力决定于混凝 土孔隙率及孑 L 径分布 ； 二是混凝土对 c l 一 的物理或化学结合能 力， 即固化能力6 。 适量 F A与 s F的复合掺人 ， 能够发挥各 自 的优点， 形成有益的叠加效应 ， 尤其是微填充效应， 大幅度提高 了混凝土的微观密实度， 可大幅度改善混凝土的抗氯离子渗透 性能 。 2 2 抗 冻 融性 能 2 2 1 相对动弹模的影响 混凝土相对动弹模随冻融循环次数的变化情况及趋势如 表 4和图 2所示 。 通过表4数据及图2 趋势可知 ， 复掺粉煤灰和硅灰的F 一 2 和 表4 相对动弹模随冻融循环次数的变化 8 4 8 7 6 5 4 3 2 l O s _0 l J 垛衽 帚 键撅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 芝 融 幅 锺 冻融 次数 图2 相对动弹模随冻融循环次数的变化 F 4 并没有提高混凝土的抗冻能力， 反而降低了其抗冻能力， 但 是在经过了3 0 0 次冻融循环后其相对动弹模仍在 6 0 以上 ， 分 别为初始值的9 4 2 和 8 4 4 ， 只比不掺掺合料的混凝土相对动 弹模分别降低了 2 7 和 1 2 5 ， 这说明复掺粉煤灰和硅灰并没 有大幅度降低混凝土的抗冻能力， 仍然满足抗冻性要求。 这是因 为掺加粉煤灰和硅灰后 ， 硅灰对混凝土抗冻性的提高不能弥补 粉煤灰对其抗冻融性的降低 ， 导致经过 3 0 0 次冻融循环后其 相对动弹模较无掺合料的混凝土要低。 2 2 2 抗压强度随冻融循环次数的变化 在冻融试验过程中同时测试了抗压强度随冻融循环次数 的变化情况 ， 试验中采用 1 0 0 mmx l O 0 mmx l O 0 m l n的试块进行 试验， 试验结果如图3所示。 9 0 80 7 O 6 0 ； 3 0 2 0 1 0 0 1 o o 2 0 0 3 0 0 冻融循环次数 图3 抗压强度随冻融循环次数的变化 从图 3数据可以看出， 经过 3 0 0次冻融循环 ， 随着冻融循 环次数的增加混凝土抗压强度呈下降趋势 ， 其中以石灰岩骨料 的混凝土下降最为明显 ， 复掺粉煤灰和硅灰的混凝土次之 ， 不掺 掺合料的混凝土下降最低， 这说明掺加掺合料并没有提高混凝 土的抗冻能力。 这是因为粉煤灰的活性低， 强度增长较慢， 硅灰 可以提高混凝土早期强度， 但在本试验中， 硅灰对强度的提高 不能弥补粉煤灰对强度的降低， 故导致复掺粉煤灰和硅灰的混 凝土强度随冻融循环次数的增加而降低的幅度较不掺掺合料 要大。 因此， 为保证混凝土的强度， 在双掺硅灰与粉煤灰时， 应 控制硅灰掺量不能过低。 2 _ 3 抗氯离子渗透和抗冻性综合性能影响 双掺粉煤灰和硅灰虽然对混凝土抗冻性能有降低， 但是降 低的程度不是非常大， 较不掺掺合料的花岗岩集料混凝土来说 ， 最大降低 1 2 5 ， 混凝土仍然满足抗冻性的要求 ， 对强度的降低 也不是特别大； 但复掺粉煤灰和硅灰却能大幅度提高其抗氯离 子渗透性能， 较不掺掺合料的花岗岩集料混凝土， 最少能提高 5 1 3 ， 最多能提高 7 8 6 。 综合评价复掺粉煤灰和硅灰对混凝 土耐久性的影响 ， 可以看出， 复掺粉煤灰和硅灰能提高混凝土 的耐久性能。 3结 论 ( 1 ) 在采用花岗岩粗集料的混凝土中， 复掺粉煤灰和硅灰 能大幅度提高其抗氯离子渗透性能。 ( 2 ) 相对不掺掺合料的混凝土 ， 复掺粉煤灰和硅灰对混凝 土的抗冻性能有所降低， 但仍满足 3 0 0 次冻融循环后相对动弹 模在 6 0 以上的抗冻性要求。 ( 3 ) 复掺粉煤灰和硅灰对混凝土在 3 0 0次冻融循环后强度 的影响较不掺掺合料更明显， 为降低其对混凝土强度和抗冻性 的影响， 硅灰掺量不能过低。 ( 4 ) 综合考虑复掺粉煤灰和硅灰对混凝土抗冻性的影响， 复掺粉煤灰和硅灰能提高混凝土的耐久性能。 参考文献： 1 】1蔡路， 陈太林 硅灰增强混凝土抗氯离子渗透性能研究 J 】 方交通， 2 0 0 6 ( 8 ) ： 3 - 5 2 郭春兴， 高培伟， 耿飞， 等 子渗透性叨 低温建筑技术， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 7 - 9 【 3 】D O T T O J M R， D E A B R E U A G， D A L MO L I N D C C， e t a1 I n fl u e n c e o f s i l i c a f u me a d d i t i o n o n c o n c r e t e s p h y s i c a l p r o p e r t i e s a n d o n c o r r o s i o n b e h a v i o u r o f r e i n f o r c e me n t b a r s J C e m e n t &C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 4 ,( 2 6 ) ： 3 1 3 9 f 4 G AO P e i w e i E f f e c t s o f f l y a s h o n t h e p r o p e r t i e s of e n v i r o n me n t a l l y f r i e n d l y d a m c o n c r e t e J F u e l ， 2 0 0 7 ， 8 6 ( 7 8 ) ： 1 2 0 8 1 2 1 1 5 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ， 普通混凝土长期性能和耐 I生 能试验方法标准 s 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 9 6 叶建雄 ， 李晓筝， 廖佳庆 ， 等 矿物掺合料对混凝土氯离子渗透扩散 性研究 重庆建筑大学学报， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 8 9 9 2 7 马昆林 ， 谢友均 ， 唐湘辉 ， 等 粉煤灰对混凝土中氯离子的作用机理 研究 J 】 粉煤灰综合利用， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 1 3 1 5 8 马强， 朋改非， 谢永江， 等 双掺硅灰、 粉煤灰对青藏铁路用高性能混 凝土性能的影响 J _混凝土， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 4 5 4 8 9 9 李伟刚， 李文哲， 汪振双粉煤灰双掺混凝土冻融循环试验研究【 J 低 温建筑技术， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 1 7 1 9 1 0 】 潘钢华， 秦鸿根 ， 孙伟， 等 粉煤灰混凝土冻融破坏机理研究 J 建筑 材料学报， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 3 7 4 1 1 1 i立成， 刘汉勇 ， H I WA D A K i y o s h i 硅灰对轻骨料混凝土抗海水冻融 性能的影响 J 建筑材料学报， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 3 4 9 3 5 5 1 2 】 宁作君， 巴恒静 圭 灰对冻融环境下混凝土断裂损伤的影响 J 武汉 理工大学学报， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 4 6 5 0 【 1 3 柳艳杰， 王正君硅粉对混凝土抗冻性影响的研究 J 】 _ 黑龙江水专学 报， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 3 6 3 7 1 4 】 张德思 ， 成秀珍 粉煤灰混凝土的抗冻融耐久性【 M 】 E 京 ： 中国建筑 工业出版社 ， 1 9 9 6 ： 1 2 0 1 2 1 【 1 5 李金玉， 曹建国， 徐文雨， 等 昆 凝土冻融破坏机理的研究 J 水利学 报， 1 9 9 9 ( 1 ) ： 4 1 4 9 1 6 杨文武， 钱觉时， 黄煜镔 海洋环境下硅灰混凝土的抗冻性与氯离子 扩散I生 J 重庆大学学报, 2 0 0 9 ( 2 ) ： 1 5 8 1 6 2 作者简介： 刘斌云( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 副教授， 主要从事混凝土结构耐久性 及其寿命预测。 联系地址： 北京市朝阳区平乐园 1 0 0 号 北京工业大学建筑工程学院 ( 1 0 0 1 2 4 ) 联系电话： 1 3 2 6 1 3 5 9 2 6 9 8 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m