礦物摻合料對堿礦渣混凝土氯離子滲透性的影響

摘要：氯離子滲透是造成混凝土中鋼筋銹蝕的主要原因之一。本文采用ASTM C1202 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的快速氯離子滲透試驗方法，研究了粉煤灰和硅灰等量取代礦渣對堿礦渣混凝土氯離子滲透性能的影響。研究表明，在其它條件相同時，堿礦渣混凝土氯離子滲透性隨粉煤灰摻量增加而提高，隨硅灰摻量增加而降低。從控制堿礦渣混凝土氯離子滲透性的角度，粉煤灰替代礦渣量宜控制在50%以內(nèi)。
關(guān)鍵詞：堿礦渣混凝土氯離子滲透性電量
1 引言
　　氯離子滲透是造成混凝土中鋼筋銹蝕的主要原因之一，因為當(dāng)鋼筋周圍的混凝土液相中氯離子濃度達到一定濃度時，鋼筋表面鈍化膜開始破壞，此時只要鋼筋遇到空氣和水，便會開始銹蝕。1989年出版的歐洲混凝土委員會耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計指南確定了影響混凝土耐久性的因素與相互關(guān)系，氯離子對鋼筋的銹蝕是影響鋼筋混凝土耐久性的主要因素,占混凝土耐久性破壞的33%[1]。因此，控制氯離子滲透擴散性是保證鋼筋混凝土耐久性的重要方面。
　　堿礦渣混凝土作為一種節(jié)能、利廢、環(huán)保型建筑材料，具有優(yōu)良的物理力學(xué)性能和耐久性。目前，有關(guān)該混凝土氯離子滲透性的研究較少，開展相關(guān)研究對促進堿礦渣混凝土在鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土工程中應(yīng)用具有重要意義。本文采用ASTM C1202 規(guī)定的試驗方法，研究了硅灰和粉煤灰等量取代礦渣對堿礦渣混凝土氯離子滲透性能的影響。
2 試驗設(shè)計
2.1 試驗原材料
　　(1)礦渣：重慶鋼鐵集團水淬高爐礦渣，粉磨至勃氏比表面積為413 m2/kg，密度為2.90 g/cm3，堿性系數(shù)Mo＝1.114，活性系數(shù)Ma＝0.304?；瘜W(xué)成分見表1。
　　(2)粉煤灰：重慶珞璜電廠生產(chǎn)的Ⅱ級灰，勃氏比表面積為280m2/kg，密度為2.48 g/cm3?；瘜W(xué)成分見表1。
　　(3)硅灰：貴州鐵合金廠生產(chǎn)的硅灰，勃氏比表面積20000 m2/kg。化學(xué)成分見表1。表1 礦渣、粉煤灰、硅灰的化學(xué)成分/%

　　(4) 堿組分：采用重慶北碚東風(fēng)化工廠生產(chǎn)的水玻璃作為堿組分。其性能指標(biāo)見表2。表2 水玻璃主要性能指標(biāo)
　　(5)集料：粗集料為5-25mm 石灰石碎石；細(xì)集料為簡陽中砂，細(xì)度模數(shù)2.9。
2.2 試驗方法
　　抗壓強度測試按《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GB/T50081-2002)規(guī)定進行。強度試件尺寸為100mm×100mm×100mm。
　　氯離子滲透性測試按ASTM C1202 規(guī)定的試驗方法：成型150mm×150mm×150mm 的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護至試驗齡期后，鉆芯取樣制成￠100mm×50mm 圓柱體試件，放入真空干燥器中，保證試件兩端表面暴露，進行抽真空飽水浸泡18±2h。然后將真空飽水的試件側(cè)面密封并置于兩個電解池之間，一端浸入0.3mol/L 的NaOH 溶液，另一端浸入3%的NaCl 溶液，在60V 的恒定電壓下，測試6h 通過混凝土試件的電量[2]。
2.3 評判標(biāo)準(zhǔn)
　　ASTM C1202 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方能直觀地反映混凝土中氯離子滲透性，其評判標(biāo)準(zhǔn)是在6h 內(nèi)測定通過混凝土試件的總電量庫侖數(shù)，由電量庫侖數(shù)大小判斷混凝土的氯離子滲透性[3]。具體分類見表3。
　　混凝土氯離子滲透性也可用氯離子擴散系數(shù)Deff 來評價。本文采用馮乃謙教授提出的經(jīng)驗公式計算擴散系數(shù)：Deff=2.57765+0.00492Q,該公式定量反映了通過試件的總電量與氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系[4]。表3 ASTM C1202 對混凝土氯離子滲透性的分級標(biāo)準(zhǔn)

2.4 試驗配合比
　　試驗混凝土配合比見表4。水玻璃模數(shù)1.5、堿含量(以Na2O 當(dāng)量計)4%、溶膠比0.48、砂率36%、膠凝材料和集料的單方用量分別為450kg 和1800kg；煤灰摻量分別為30%、50%、70%；硅灰摻量分別為5%、10%、15%。表4 堿礦渣混凝土配合比及試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果及分析
3.1 粉煤灰對堿礦渣混凝土氯離子滲透性的影響
　　粉煤灰摻量對6h 通過堿礦渣混凝土電量的影響結(jié)果如圖1 所示，強度試驗結(jié)果見表4。由表4可知，粉煤灰的摻入對堿礦渣混凝土28 天抗壓強度有明顯的影響，隨著摻量的增加強度逐漸降低。這是因為粉煤灰活性較低，等量取代礦渣后，體系一定齡期內(nèi)膠凝材料的水化程度降低。由圖1 可知，粉煤灰取代礦渣后6h 通過堿礦渣混凝土的電量大幅度上升，并且隨著摻量增加電量逐漸增多。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時，28 天6h 通過混凝土的電量較基準(zhǔn)混凝土增加達44%；當(dāng)摻量為50%時，6h 通過混凝土的電量增加達70%；當(dāng)摻量為70%時，6h 通過混凝土的電量增加到1.8倍，從表4 可以看出，此時摻入粉煤灰的堿礦渣混凝土氯離子滲透性由基準(zhǔn)混凝土的“中等”變成“高”。由圖1 還可以看出，當(dāng)摻量為30%時，90 天6h 通過混凝土的電量僅增加了23%，隨摻量增加，摻粉煤灰的堿礦渣混凝土氯離子滲透性發(fā)生顯著變化；摻量為50%時，電量增加1 倍多，氯離子滲透性由“低”變?yōu)椤爸械取?；摻量?0%時，電量增加近3 倍，氯離子滲透性由“低”變?yōu)椤案摺薄?P align=center>

　　由圖1 還可以看出，同一粉煤灰摻量60 天和90 天齡期電量接近，而28 天和60 天、90 天齡期電量相差較大，說明粉煤灰對堿礦渣混凝土混凝土氯離子滲透性早期影響大于后期影響。
　　本次試驗所用粉煤灰屬低鈣灰，盡管它與礦渣同屬于CaO-SiO2-Al2O3 系統(tǒng)，但CaO 含量遠低于礦渣，其活性激發(fā)比礦渣困難得多[5]。在堿性條件下，粉煤灰玻璃體發(fā)生結(jié)構(gòu)解體，形成[SiO4]4-、[AlO4]2-陰離子，這個過程進行得十分緩慢，致使?jié){體早期強度很低[6]。因此，粉煤灰摻入堿礦渣混凝土后不但降低混凝土強度，同時也削弱混凝土抗氯離子滲透性。為了獲得較好性能的堿礦渣混凝土，在考慮綜合利用粉煤灰和礦渣的同時，粉煤灰摻量宜控制在50%以內(nèi)。
3.2 硅灰對堿礦渣混凝土氯離子滲透性的影響
　　硅灰摻量對6h 通過堿礦渣混凝土電量的影響結(jié)果如圖2 所示，強度試驗結(jié)果見表4。由表4 可知，硅灰的摻入對堿礦渣混凝土28 天抗壓強度有明顯影響，隨著摻量的增加強度逐漸提高。由圖2 可知，硅灰等量取代礦渣后6h 通過堿礦渣混凝土的電量下降，并且隨著摻量增加電量逐漸降低。當(dāng)硅灰摻量為5%時，28 天6h 通過混凝土的電量較基準(zhǔn)混凝土降低達14%；當(dāng)摻量為10%時，6h 通過混凝土的電量降低達21%，由表4 可以看出，此時氯離子滲透性由基準(zhǔn)混凝土的“中等”變?yōu)椤暗汀?；?dāng)摻量為15%時，6h 通過混凝土的電量降低近30%，此時氯離子滲透性也由“中等”變?yōu)椤暗汀薄Ｓ蓤D2 還可以看出，隨著齡期的增加，6h 通過堿礦渣混凝土的電量逐漸降低，混凝土抗氯離子滲透性逐漸提高，當(dāng)硅灰摻量為15%時，90 天堿礦渣混凝土氯離子滲透性由基準(zhǔn)混凝土的“低”變成“極低”。

　　氯離子在混凝土中滲透主要是通過水泥石中的貫通孔、集料中的貫通孔、水泥石和集料界面的貫通孔實現(xiàn)。硅灰顆粒呈球狀，平均尺寸為0.1μm，比表面積高達20000 m2/kg，無定形二氧化硅含量高達90%以上，具有極大的比表面積和很高的活性[7]，能高度分散于混凝土中，有效填充礦渣顆粒，凝膠產(chǎn)物之間的空隙，使水泥石結(jié)構(gòu)和界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)更加致密，大大降低混凝土的孔隙率，并使孔徑細(xì)化，使混凝土連通孔隙變得曲折，阻斷可能形成的滲透通道[8]。這是硅灰能有效改善堿礦渣混凝土抗氯離子滲透性的主要原因。
4 結(jié)論
綜合試驗結(jié)果及分析，得出下述結(jié)論：
　　在30%～70%摻量范圍內(nèi)，粉煤灰等量取代礦渣后6h 通過堿礦渣混凝土的電量增加，混凝土抗氯離子滲透性降低。從控制堿礦渣混凝土氯離子滲透性的角度，粉煤灰替代礦渣的量宜控制在50%以內(nèi)。
　　在5%～15%摻量范圍內(nèi)，硅灰等量取代礦渣后6h 通過堿礦渣混凝土的電量降低，混凝土抗氯離子滲透性提高。
參考文獻
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原作者：陳喬，叢鋼，楊長輝