UEA 摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響

摘要：在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，就膨脹劑UEA 摻量對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究. 結(jié)果表明：摻入膨脹劑能有效降低混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)中的初始電流、最大電流增量和氯離子遷移電量. 因此，摻加膨脹劑是一種提高混凝土抗氯離子滲透能力的有效措施.
關(guān)鍵詞：抗氯離子滲透；膨脹劑；礦渣；海工混凝土Effect of Expansion Agent UEA on Chloride penetrationResistance of Concrete for Ocean ConstructionY E Qi ng1 ，　WA N G J i a2j i a2 ，　MA Cheng2chan g1 ， 　L I L i2qi n1(1. College of Architecture & Civil Engineering ， Zhejiang University of Technology ， Hangzhou 310014 ， China ； 2. Zhejiang First Hydropower Engineering Const ruction Company ， Hangzhou 310051 ， China)Abstract ：Effect of expansion agent content on t he chloride2penet ration resistance of concrete containing 50 % slag in it s binder material for ocean const ruction was studied according to ASTM C1202. Result s indicate t hat with adding 5 % ， 10 % and 15 % of expansion agent ， compressive strength fluctuates a little wit h mw / mb being 0. 30 ， but the strength decreases by less than 10 % with mw / mb being 0. 50. The concrete expansion is increased wit h amount of expansion agent increasing and it s expansion is stable within ages of 14～28 d. Chlorine anion mobility is decreased with use level of expansion agent increasing. For example ， the quantity of concrete wit h 10 % expansion agent and 50 % slag in it s binder material was less by 50 % than t hat wit h only 50 % slag. So ， t he addition of expansion agent is an effective method to enhance chloride penetration resistance.
Key words ：chloride penetration resistance ； expansion agent ； slag ； concrete for ocean construction 針對(duì)海水腐蝕，各國在海工混凝土護(hù)筋方面采取的基本措施為：通過仔細(xì)設(shè)計(jì)與施工，最大限度地提高混凝土本身的抗?jié)B能力，從而預(yù)防鋼筋腐蝕[1 ] 。當(dāng)今應(yīng)用較多的海工混凝土中以普通水泥內(nèi)摻30 %～70 %1) 的礦渣作為膠凝材料，只要適當(dāng)降低水灰比(小于0. 4 或0. 3) 及單位體積用水量(小于170 kg/ m3) ，添加減水劑，就可制得性能較好的海工混凝土[2～4 ]。然而，一般的高強(qiáng)海工混凝土具有與普通混凝土相當(dāng)?shù)母煽s和比普通混凝土還要大的自縮[5 ] 和冷縮。收縮是導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微裂縫和表面開裂的主要根源之一。為了使高強(qiáng)海工混凝土具有良好的體積穩(wěn)定性，可將適量膨脹組分引入高強(qiáng)混凝土[6 ]以補(bǔ)償其收縮。因此，本文將著重研究在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，膨脹劑摻量對(duì)海工混凝土抗氯離子滲透性能的影響。1 　原材料的選擇、確定和試驗(yàn)1. 1 　原材料水泥(C) ：P ·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其SO3含量為2. 7 %；細(xì)骨料( S) ：細(xì)度模數(shù)為2.5 ，級(jí)配為Ⅱ區(qū)，表觀密度為2.62g/ cm3 ；粗骨料( G) ：級(jí)配為5～20 mm ，表觀密度為2.72g/ cm3 ；高效減水劑(A) ：減水率約為20%的萘系減水劑(含固量約為40%，摻入量以固體量計(jì)) ；摻合料(BS) ：礦渣比表面積大于480m2 / kg ，SO3含量為0；膨脹劑( EA) ：UEA-H 膨脹劑，其化學(xué)成分見表1 ；拌合水和養(yǎng)護(hù)水(W) ：自來水.表1 　UEA-H膨脹劑的化學(xué)組成Table 1 　Chemical composition of UEA-H expansion agent %1. 2 　摻膨脹劑海工混凝土的配合比確定
摻膨脹劑海工混凝土的膠凝材料(BM) 由水泥、礦渣和膨脹劑組成，且m (水泥) ∶m (礦渣) ∶m(膨脹劑) = (50- i) ∶50∶i ，其中i 分別為0，5.0，7.5，10.0，12. 5 ，15. 0. 由計(jì)算可得膠凝材料中的SO3含量分別為1. 4 % ，2. 7 %，3. 4 % ，4. 1 % ，4. 8 % ，5. 4 %。在水膠比為0. 30 、砂率為40 %和單位體積用水量為150 kg/ m3的條件下配制A 系列摻膨脹劑海工混凝土，其中膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料和減水劑的用量分別為500 ，725 ，1 085 ，2. 0 kg/ m3。在水膠比為0. 50 、砂率為40 %和單位體積用水量為190 kg/ m3 的條件下，配制B 系列摻膨脹劑的海工混凝土，其中膠凝材料、細(xì)骨料、粗骨料和減水劑的用量分別為380 ，730 ，1 100 ，1. 0 kg/ m3 。摻膨脹劑海工混凝土的配合比見表2。在A ，B 系列海工混凝土中，膠凝材料漿體體積與骨料體積之比均控制在32 ∶68 左右，混凝土拌合物的坍落度要求達(dá)到150～200 mm。表2 　摻膨脹劑海工混凝土的膠凝材料組成及其實(shí)測抗壓強(qiáng)度和自由膨脹率Table 2 　Binder material( BM) composition of concrete for ocean construction added with expansion agent and their compressive strength and free expansion1. 3 　試驗(yàn)方法
采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌制混凝土，一次攪拌60 L 。先將粗骨料、細(xì)骨料、水泥、摻合料和膨脹劑按配合比放入攪拌機(jī)中干拌2 min ，然后加入溶有減水劑的拌合水，再攪拌2 min 制成混凝土拌合物。按GBJ 80 —85《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》測定混凝土拌合物的和易性。混凝土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法按GBJ 81 —85《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。混凝土自由膨脹率試驗(yàn)按下列方法進(jìn)行，采用上述混凝土拌合物在尺寸為100 mm ×100 mm×300 mm 的試模內(nèi)成型3條膨脹試件，先在(20 ±2) ℃和相對(duì)濕度大于95 %的條件下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模并用外徑螺旋測微儀(精度為0. 01 mm) 測定其初始長度；然后在(20 ±2) ℃的水中養(yǎng)護(hù)至齡期，并測定其膨脹率。抗氯離子滲透性能試驗(yàn)方法按ASTM C 1202 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。2 　試驗(yàn)結(jié)果與討論
2. 1 　膨脹劑摻量對(duì)海工混凝土中氯離子遷移電量的影響
圖1 為混凝土中氯離子遷移電量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律。由圖可見，A 系列海工混凝土空白試樣A (在水膠比為0. 30的條件下，以普通水泥為膠凝材料) 的遷移電量較高，為1192C；當(dāng)摻入50%礦渣時(shí)，混凝土基準(zhǔn)試樣A0 的遷移電量明顯降低，為421C ，僅為前者的35. 3 %。由此可見，礦渣的摻入明顯提高了混凝土的抗氯離子滲透性能. 隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土的遷移電量進(jìn)一步降低?；炷猎嚇覣0，A2，A4， A6的遷移電量分別為421，256，206，139C. 以試樣A0為基準(zhǔn)，則試樣A2，A4 和A6的遷移電量分別降低了39.2% ，51.1%和67.0%.在50%礦渣摻量、水膠比為0.50的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，B 系列海工混凝土的遷移電量也進(jìn)一步降低. 混凝土試樣B0，B0，B4，B6 的遷移電量分別為958，777，415，392C。以試樣B0為基準(zhǔn)，則試樣B2 ，B4 和B6 的遷移電量分別降低了18.9% ，56.7%和59.1%.圖1 海工混凝土遷移電量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律(空白樣為不摻加礦渣和膨脹劑的混凝土)Fig. 1 　Variation of elect ric quantity passing through concrete with expansive agent added ( sample blank represents the concrete without slag and expansion agent) 由此可見，在摻礦渣提高混凝土抗氯離子滲透性能的基礎(chǔ)上，摻入膨脹劑能進(jìn)一步提高混凝土的抗氯離子滲透能力。2. 2 　膨脹劑摻量對(duì)海工混凝土初始電流的影響
在混凝土抗氯離子滲透試驗(yàn)中初始電流隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律如圖2 所示。由圖2 可見，A系列海工混凝土空白試樣A 的初始電流較高，為30. 1 mA ；基準(zhǔn)試樣A0 的初始電流明顯降低，為17. 0 mA ，僅為前者的56. 5 %. 再隨著5 % ，10 %和15 %膨脹劑的摻入，混凝土試樣A2 ，A4 ，A6 的初始電流進(jìn)一步降低，分別為10. 3 ，9. 1 ，6. 4 mA ，它們又分別是基準(zhǔn)試樣A0 的60. 6 % ，53. 5 % ，37. 6 %. 隨著膨脹劑摻量的增加，B 系列海工混凝土的初始電流同樣也出現(xiàn)進(jìn)一步降低的現(xiàn)象。由此可見，在50 %礦渣摻量的條件下，膨脹劑的摻入能降低混凝土的初始電流，從而可進(jìn)一步提高混凝土的抗氯離子滲透性能。
圖2 　混凝土試樣初始電流隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律Fig. 2 　Variation of initial elect ric current flowing through concrete with expansion agent added2. 3 　膨脹劑摻量對(duì)海工混凝土最大電流增量的影響
在50 %礦渣摻量的條件下，膨脹劑的摻入能明顯降低海工混凝土的最大電流增量(最大電流增量為在6 h 測定時(shí)間內(nèi)，最大電流值減去初始電流值)。在50 %礦渣摻量和水膠比為0. 30 的條件下，隨著膨脹劑的摻入，混凝土試樣A0 ，A2 ，A4 和A6 的最大電流增量分別為3. 6 ，2. 5 ，0. 8 ，0. 4mA ，若以百分比表示，則分別為100 % ，69. 4 % ，22. 2 % ，11. 1 %. 空白試樣A 的最大電流增量最大，為31. 5 mA ，分別是試樣A0 ，A4 的8. 7 ，39. 4 倍. 混凝土最大電流增量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律見圖3。圖3 　混凝土最大電流增量隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律Fig. 3 　Variation of maximum elect ric current increment flowing through concrete with expansion agent added 由圖3 可知，在50 %礦渣摻量、水膠比為0. 50 的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，B 系列海工混凝土的最大電流增量同樣也有進(jìn)一步降低的現(xiàn)象。2. 4 　摻膨脹劑海工混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果
由表2 可知：在水膠比為0. 30 的條件下，A 系列海工混凝土的抗壓強(qiáng)度隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律。其中空白試樣A 的抗壓強(qiáng)度最高。在50 %礦渣摻量，7 d 齡期的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強(qiáng)度分布出現(xiàn)了1 個(gè)峰值，即在10 %膨脹劑摻量以前海工混凝土的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為遞增；在10 %摻量以后表現(xiàn)為遞減，但與基準(zhǔn)試樣A0 相比，其抗壓強(qiáng)度降低不多，如試樣A6 僅降低1. 3 %。同理，在50 %礦渣摻量，28 d 齡期的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強(qiáng)度分布也出現(xiàn)了1 個(gè)峰值(膨脹劑摻量為10 %) ，且在15 %膨脹劑摻量范圍內(nèi)海工混凝土的抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)試樣A0 相比均沒有降低。
再由表2 可知：在水膠比為0. 50 的條件下，B 系列海工混凝土的抗壓強(qiáng)度隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律。其中空白試樣B 的抗壓強(qiáng)度最強(qiáng)在50 %礦渣摻量，7 d 齡期的條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強(qiáng)度分布出現(xiàn)1 個(gè)小起伏，與基準(zhǔn)試樣B0 相比，其抗壓強(qiáng)度波動(dòng)范圍在+ 2.2 %～ - 3.8%。在50 %礦渣摻量，28 d 齡期條件下，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的遞減現(xiàn)象，與基準(zhǔn)試樣B0 相比，試樣B3 ，B4 ，B5 ，B6 的抗壓強(qiáng)度分別下降了2. 6 % ，9. 3 %，9. 8 % ，10. 5 %。海工混凝土的抗壓強(qiáng)度隨膨脹劑摻量的變化規(guī)律可解釋為：隨著(少量) 膨脹劑的摻入，膨脹型水化產(chǎn)物鈣礬石填充孔隙使混凝土致密，同時(shí)使混凝土膨脹，因此海工混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高. 而隨著較多膨脹劑的摻入，水泥熟料量進(jìn)一步減少，鈣礬石數(shù)量增加，海工混凝土的抗壓強(qiáng)度難以抑制鈣礬石的膨脹，因此海工混凝土的自由膨脹率將增加，而抗壓強(qiáng)度卻有所降低.2. 5 　摻膨脹劑海工混凝土的膨脹性能試驗(yàn)結(jié)果
由表2 可知：在28 d 齡期內(nèi)，隨著膨脹劑摻量的增加，A 系列海工混凝土的膨脹率依次增加，而在膨脹劑摻量大于等于10 %時(shí)才有較大的膨脹，但與膨脹劑摻量不成正比。A 系列海工混凝土的膨脹主要發(fā)生在7 d 齡期以前，在14～28 d 齡期內(nèi)，其膨脹已趨于穩(wěn)定，且膨脹劑摻量沒有過量。以28 d 齡期為例，混凝土試樣A0 ，A2 ，A4 和A6 的自由膨脹率分別為45 ×10-6 ，72 ×10 - 6 ，204 ×10 - 6 ，441 ×10 - 6。以試樣A4 為例，在3，7 ，14 ，28 d 齡期，其自由膨脹率分別為148 ×10 - 6 ，168 ×10 - 6 ，196 ×10 - 6 ，204 ×10 - 6 ，具有一定的微膨脹性能。而B 系列海工混凝土的自由膨脹率隨膨脹劑摻量增加的發(fā)展規(guī)律與A 系列海工混凝土相似，膨脹主要發(fā)生在7 d 齡期以前，在14～28 d 齡期內(nèi)其膨脹已趨于穩(wěn)定，膨脹發(fā)展規(guī)律正常。由于50 %礦渣的摻入，使膠凝材料中SO3 含量降低到約1. 4 % ，礦渣水化后又生成了較多的凝膠型水化產(chǎn)物，故在膨脹劑摻量相同的條件下，與不摻摻合料的混凝土相比，本文研究的海工混凝土的自由膨脹率較低，而且易達(dá)到膨脹的穩(wěn)定。在水膠比為0. 30 時(shí)，海工混凝土中SO3 的總含量較高，但由于該混凝土的抗壓強(qiáng)度較高，對(duì)其膨脹有較大的限制作用，因此，在膨脹劑摻量相同的條件下，A 系列海工混凝土的自由膨脹率小于B 系列海工混凝土(水膠比為0. 50 ，抗壓強(qiáng)度較低，混凝土中SO3 的總含量相對(duì)較低) 的自由膨脹率。3 　結(jié)論
1. 在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，當(dāng)膨脹劑摻量由5 %增至15 %時(shí)，海工混凝土抗氯離子滲透性能試驗(yàn)中的初始電流、最大電流增量和氯離子遷移電量亦隨之降低。在摻入10 %膨脹劑的條件下，氯離子遷移電量比只摻50 %礦渣的混凝土降低了約50 %。這表明：與降低水膠比和摻加礦渣一樣，摻加膨脹劑也是一種有效提高海工混凝土抗氯離子滲透能力的措施。 2. 在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，當(dāng)水膠比為0. 30 時(shí)，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較小；當(dāng)水膠比為0. 50 時(shí)，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的抗壓強(qiáng)度波動(dòng)較大，并有明顯的降低現(xiàn)象。 3. 在50 %礦渣摻量的基礎(chǔ)上，隨著膨脹劑摻量的增加，海工混凝土的自由膨脹率依次增加，其膨脹主要發(fā)生在7 d 齡期以前，在14～28 d 齡期內(nèi)其膨脹已趨于穩(wěn)定。在摻入10 %膨脹劑時(shí)，海工混凝土的自由膨脹率達(dá)到200 ×10 - 4 ，具有一定的微膨脹性能。參考文獻(xiàn)：[ 1 ] 　洪定海. 混凝土中鋼筋的腐蝕與保護(hù)[M] . 北京：中國鐵道出版社，1998.[ 2 ] 　MOHAMMED T U ， YAMANJ I T ， HAMADA H ， et al . Chloride diffusion ， microst ructure and mineralogy of concrete after 15 years of exposure in tidal environment [J ] . ACI Materials Journal ，2002 ，99 (3) ：256 - 263.[ 3 ] 　李俊毅. 論耐用100 年以上海工混凝土的基本技術(shù)條件[J ] . 水運(yùn)工程，2002 ， (5) ：4 - 7.[ 4 ] 　田俊峰. 海工高性能混凝土抗氯離子侵蝕耐久壽命預(yù)測[J ] . 中國港灣建設(shè)，2002 ， (2) ：1 - 6.[ 5 ] 　LI H ， WEE T H ， WONG S F ， et al . Early2age creep and shrinkage of cement concrete[J ] . ACI material s journal ， 2002 ，99(1) ：3 - 10.[ 6 ] 　王媛俐，姚　燕. 重點(diǎn)工程混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用[M] . 北京：中國建材工業(yè)出版社，2001.