礦物摻合料對(duì)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(yàn)方法，研究了粉煤灰和硅灰等量取代礦渣對(duì)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(shí)，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?yàn)楫?dāng)鋼筋周圍的混凝土液相中氯離子濃度達(dá)到一定濃度時(shí)，鋼筋表面鈍化膜開(kāi)始破壞，此時(shí)只要鋼筋遇到空氣和水，便會(huì)開(kāi)始銹蝕。1989年出版的歐洲混凝土委員會(huì)耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)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(kuò)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(kāi)展相關(guān)研究對(duì)促進(jìn)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(yàn)方法，研究了硅灰和粉煤灰等量取代礦渣對(duì)堿礦渣混凝土氯離子滲透性能的影響。
2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1 試驗(yàn)原材料
　　(1)礦渣：重慶鋼鐵集團(tuán)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(jiàn)表1。
　　(2)粉煤灰：重慶珞璜電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)灰，勃氏比表面積為280m2/kg，密度為2.48 g/cm3?；瘜W(xué)成分見(jiàn)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?；瘜W(xué)成分見(jiàn)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(jiàn)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(jiǎn)陽(yáng)中砂，細(xì)度模數(shù)2.9。
2.2 試驗(yàn)方法
　　抗壓強(qiáng)度測(cè)試按《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T50081-2002)規(guī)定進(jìn)行。強(qiáng)度試件尺寸為100mm×100mm×100mm。
　　氯離子滲透性測(cè)試按ASTM C1202 規(guī)定的試驗(yàn)方法：成型150mm×150mm×150mm 的立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)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(jìn)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(gè)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(cè)試6h 通過(guò)混凝土試件的電量[2]。
2.3 評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)
　　ASTM C1202 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方能直觀地反映混凝土中氯離子滲透性，其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是在6h 內(nèi)測(cè)定通過(guò)混凝土試件的總電量庫(kù)侖數(shù)，由電量庫(kù)侖數(shù)大小判斷混凝土的氯離子滲透性[3]。具體分類見(jiàn)表3。
　　混凝土氯離子滲透性也可用氯離子擴(kuò)散系數(shù)Deff 來(lái)評(píng)價(jià)。本文采用馮乃謙教授提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)：Deff=2.57765+0.00492Q,該公式定量反映了通過(guò)試件的總電量與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系[4]。表3 ASTM C1202 對(duì)混凝土氯離子滲透性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.4 試驗(yàn)配合比
　　試驗(yàn)混凝土配合比見(jiàn)表4。水玻璃模數(shù)1.5、堿含量(以Na2O 當(dāng)量計(jì))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(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析
3.1 粉煤灰對(duì)堿礦渣混凝土氯離子滲透性的影響
　　粉煤灰摻量對(duì)6h 通過(guò)堿礦渣混凝土電量的影響結(jié)果如圖1 所示，強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，粉煤灰的摻入對(duì)堿礦渣混凝土28 天抗壓強(qiáng)度有明顯的影響，隨著摻量的增加強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)榉勖夯一钚暂^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(guò)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(shí)，28 天6h 通過(guò)混凝土的電量較基準(zhǔn)混凝土增加達(dá)44%；當(dāng)摻量為50%時(shí)，6h 通過(guò)混凝土的電量增加達(dá)70%；當(dāng)摻量為70%時(shí)，6h 通過(guò)混凝土的電量增加到1.8倍，從表4 可以看出，此時(shí)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(shí)，90 天6h 通過(guò)混凝土的電量?jī)H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(shí)，電量增加1 倍多，氯離子滲透性由“低”變?yōu)椤爸械取保粨搅繛?0%時(shí)，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(shuō)明粉煤灰對(duì)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(yàn)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(yuǎn)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(gè)過(guò)程進(jìn)行得十分緩慢，致使?jié){體早期強(qiáng)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(qiáng)度，同時(shí)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(shí)，粉煤灰摻量宜控制在50%以內(nèi)。
3.2 硅灰對(duì)堿礦渣混凝土氯離子滲透性的影響
　　硅灰摻量對(duì)6h 通過(guò)堿礦渣混凝土電量的影響結(jié)果如圖2 所示，強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知，硅灰的摻入對(duì)堿礦渣混凝土28 天抗壓強(qiáng)度有明顯影響，隨著摻量的增加強(qiáng)度逐漸提高。由圖2 可知，硅灰等量取代礦渣后6h 通過(guò)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(shí)，28 天6h 通過(guò)混凝土的電量較基準(zhǔn)混凝土降低達(dá)14%；當(dāng)摻量為10%時(shí)，6h 通過(guò)混凝土的電量降低達(dá)21%，由表4 可以看出，此時(shí)氯離子滲透性由基準(zhǔn)混凝土的“中等”變?yōu)椤暗汀保划?dāng)摻量為15%時(shí)，6h 通過(guò)混凝土的電量降低近30%，此時(shí)氯離子滲透性也由“中等”變?yōu)椤暗汀?。由圖2 還可以看出，隨著齡期的增加，6h 通過(guò)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(shí)，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(guò)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(shí)現(xiàn)。硅灰顆粒呈球狀，平均尺寸為0.1μm，比表面積高達(dá)20000 m2/kg，無(wú)定形二氧化硅含量高達(dá)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(guò)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(yàn)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(guò)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(guò)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(xiàn)
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原作者：陳喬，叢鋼，楊長(zhǎng)輝