粉煤灰和矿粉对水工混凝土抗氯离子渗透性及抗压强度的影响分析

陈嘉伟

(朝阳市阎王鼻子水库工程建设管理局,辽宁 朝阳 122000)

一般条件下,由于水化生成的Ca(OH)2或其它形式的碱使得混凝土内部保持高碱环境,钢筋表面逐渐形成钝化膜(成分γ-Fe2O3),对防止钢筋锈蚀起到保护作用,而存在氯离子或混凝土碳化使得pH值下降时这层保护性的钝化膜会被破坏,有水分和氧气的条件下钢筋就会发生电化学锈蚀[1-2]。其中,导致钢筋锈蚀最主要的原因是混凝土内部有氯离子的渗入,该过程主要与内部孔结构及其组成物吸附氯离子的特征有关[3-5]。内部孔径越小,孔隙率越低,则混凝土抑制氯离子的侵蚀作用就越强。氯离子的存在形式主要有两种:其一,侵入的氯离子被水泥水化凝胶吸附或与水化氯酸钙产生低溶性的Friede盐;其二,溶解于孔隙溶液中的游离态氯离子,随溶液流动与钢筋表面接触引起锈蚀[6-8]。随水胶比的减小混凝土抗氯离子渗透性能逐渐增强,使用低水胶比的高性能混凝土是防止氯离子渗入导致钢筋锈蚀最有效的方法[9]。因此,文章通过单掺和复掺两种方式将粉煤灰与矿粉掺入低水胶比(0.32)水工混凝土中,采用ASTM-1202法探究不同掺合料类型和掺入方式对混凝土抗氯离子渗透性及抗压强度的影响作用。

1 试验方案

1.1 原材料

水泥:朝阳市振东水泥厂生产的P·O42.5级水泥,比表面积350m2/kg,密度3.15g/cm2,细度2.1%,标稠需水量27.2%,3d、28d抗压强度27.5MPa和50.1MPa,其主要化学成分如表1所示。

表1 水泥及矿物掺合料化学成分 %

1)粉煤灰:大连恒翔粉煤灰厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰,需水量比98%,细度20.2%,密度2.26g/cm3,28d活性指数76%,碱含量1.2%,含水率0.1%,主要化学成分,见表1。

2)矿粉:试验选用S95级粒化高炉矿渣粉,比表面积520m2/kg,流动度比105%,烧失量1.0%,28d活性指数82%,主要化学成分如表1。

3)集料:试验选用大连某建材厂提供的细度模数2.6天然中砂和5～25mm级配的石灰岩碎石,压碎值6.7%,其主要性能指标符合《水工混凝土砂石骨料试验规程》中的有关要求。

4)外加剂:试验用苏博特PCA®-Ⅷ系列聚羧酸高性能减水剂,减水率>26%,固含量24%,拌合水用实验室自来水。

1.2 试验配合比

根据《水工混凝土配合比设计规程》确定试验用配合比如表2所示,通过试验探讨不同掺入方式及掺量对抗氯离子渗透性及抗压强度的影响。

表2 试验配合比

1.3 试验过程

试验参照《水工混凝土试验规程》中的相关方法进行混凝土的拌合、振捣、成型、养护、抗氯离子渗透性以及抗压强度的测试,测定3d、7d、28d、60d和90d不同龄期各组试件强度,以及28d、56d和84d不同龄期各组试件的氯离子扩散系数。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度试验

单掺粉煤灰或矿粉水工混凝土抗压强度试验数据如图1所示。

(a)单掺粉煤灰

从图1(a)可以看出,掺粉煤灰组相较于基准对照组的强度有所减小,随粉煤灰掺量提高试件各龄期强度均逐渐减小,但掺粉煤灰组与基准对照组之间的强度差异随着龄期的延长不断减小;掺量越高混凝土早龄期抗压强度增长越慢,后期强度增长越快,掺10%粉煤灰组的3d、28d、90d强度依次达到基准对照组的80.6%、95.7%和98.4%,而掺50%粉煤灰组的3d、28d、60d、90d强度依次达到基准对照组的36.3%、68.5%、78.2%和81.0%,除掺50%粉煤灰组外其它各组的60d、90d龄期抗压强度域基准对照组基本相当。从图1(b)可以看出,掺矿粉组相较于基准对照组的抗压强度有所降低,随着矿粉掺量的增加混凝土3d、7d、28d和90d龄期抗压强度均逐渐减小,其抗压强度发展规律与掺粉煤灰混凝土具有较好一致性,试件早龄期抗压强度随矿粉掺量的增加明显下降,尤其是3d、7d强度降幅较大,但掺矿粉组与基准对照组之间的强度差异随着龄期的延长逐渐减小。

双掺粉煤灰与矿粉水工混凝土抗压强度试验数据如图2。

(a)不同总掺量(矿粉:粉煤灰=1∶1)

从图2(a)可以看出,矿粉:粉煤灰=1∶1条件下,随矿粉与粉煤灰总掺量的增加混凝土3d、7d、28d和60d抗压强度均逐渐减小,总掺量达到50%时混凝土60d、90d强度为基准对照组的86.0%、92.7%,其它掺量条件下混凝土60d龄期强度基本接近,90d龄期强度较基准对照组有所提高。从图2(b)可以看出,矿粉与粉煤灰总掺量达到30%时,改变矿粉与粉煤灰的掺配比例,试件3d、7d、28d和60d强度也随着粉煤灰相对掺量的提高不断下降,而90d强度则呈现出上升趋势,表明复掺条件下矿粉与粉煤灰能够促进混凝土早期及后期强度的提升。

2.2 氯离子渗透性试验

单掺粉煤灰或矿粉水工混凝土的氯离子扩散系数试验数据如图3所示。

(a)单掺粉煤灰

从图3(a)可以看出,粉煤灰可以在一定程度上改善抗渗能力,龄期对混凝土的影响更加显著。另外,随着龄期的延长粉煤灰逐渐发挥火山灰效应,使混凝土内部密实度逐渐提高,相应的抗氯离子侵蚀性也不断增强。掺30%粉煤灰混凝土84d龄期氯离子渗透系数(1.14×10-12m2/s)只有基准对照组(2.02×10-12m2/s)的56.4%,掺50%矿粉混凝土84d龄期氯离子扩散系数(1.10×10-12m2/s)只有基准对照组(2.02×10-12m2/s)的55.5%。从图3(b)可以看出,水工混凝土掺矿粉能够明显改善其抗氯离子渗透性能,掺30%矿粉混凝土84d龄期氯离子扩散系数(1.28×10-12m2/s)只有基准对照组(2.02×10-12m2/s)的63.4%,掺50%矿粉混凝土84d龄期氯离子扩散系数(1.02×10-12m2/s)只有基准对照组(2.02×10-12m2/s)的50.5%,降幅达到50%;另外,水工混凝土抗氯离子渗透性随着养护龄期的延长呈明显增强趋势。经对比分析发现,掺量≤30%时,掺粉煤灰组相较于掺矿粉组的抗氯离子侵蚀性能较优;掺量达到50%时,掺矿粉组相较于掺粉煤灰组的抗氯离子侵蚀性能较优。

双掺粉煤灰与矿粉水工混凝土氯离子扩散系数试验数据如图4所示。

(a)不同总掺量(矿粉:粉煤灰=1∶1)

从图4(a)可以看出,矿粉:粉煤灰=1∶1条件下,随总掺量的增加试件抗氯离子渗透性逐渐增强,并且氯离子扩散系数随着龄期的延长呈不断下降趋势。从图4(b)可以看出,总掺量达到30%时,改变掺配比例,试件抗氯离子渗透性能随着粉煤灰相对掺量的增加逐渐降低,并且氯离子扩散系数随着龄期的延长呈明显下降趋势。

深入分析作用机理:粉煤灰等量替代水泥相当于减少了胶凝体系中的水泥用量和参与早期水化的水泥熟料,故提供早期强度水化产物不足。另外随着时间的推移粉煤灰开始发挥“火山灰”效应,即粉煤灰中的Al2O3及活性SiO2能够与水化反应生成的Ca(OH)2反应生成大量水硬性物质,从而使得后期抗压强度提高。将矿粉掺入混凝土中具有微集料、火山灰效应和潜在水硬性,矿粉与能够改善浆体的孔结构,增大水泥石与骨料界面间的黏结强度提高,在低水胶比情况下掺入减水剂能够配制出强度和抗侵蚀性较好的混凝土。

3 结 论

1)单掺条件下,掺粉煤灰组相较于基准对照组的抗压强度有所降低,但掺粉煤灰组与基准对照组之间的强度差异随着龄期的延长不断减小,掺量越高混凝土早龄期抗压强度增长越慢,后期强度增长越快;掺矿粉组与基准对照组相比其强度有所降低,且强度发展规律与掺粉煤灰组具有较好一致性。复掺条件下,随总掺量的提高试件抗压强度均逐渐减小,改变掺配比例,试件抗压强度也随着粉煤灰相对掺量的提高不断下降,而90d强度则呈现出上升趋势,矿粉与粉煤灰复掺能够促进混凝土早期及后期强度的提升。

2)单掺条件下,水工混凝土掺粉煤灰或矿粉均可以在一定程度上改善其抗氯离子渗透性能,且龄期的影响更加显著。随着龄期的延长粉煤灰逐渐发挥火山灰效应,使混凝土内部密实度逐渐提高,相应的抗氯离子侵蚀性也不断增强。经对比分析发现,掺量<30%时,掺粉煤灰组相较于掺矿粉组的抗侵蚀性能较优;掺量达到50%时,掺矿粉组相较于掺粉煤灰组的抗氯离子侵蚀性能较优。复掺条件下,随总掺量的增加试件抗渗透性逐渐增强,并且氯离子扩散系数随着龄期的延长呈减小趋势。改变掺配比例,试件抗氯离子渗透性能随着粉煤灰相对掺量的增加逐渐降低。