混合材料摻量對硫鋁酸鹽水泥混凝土氯離子滲透的影響
2010-08-19 00:00
摘要：通過對不同摻量混合材料制作的硫鋁酸鹽水泥混凝土氯離子滲透的比較，實(shí)驗(yàn)得出混合材料對得出硫鋁酸鹽水泥混凝土氯離子滲透的影響，為生產(chǎn)提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：混合材料 硫鋁酸鹽水泥 混凝土、氯離子滲透
1． 前言
在資源、能源日益緊缺的今天，研制開發(fā)高性能、環(huán)保節(jié)能、能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的混凝土已成為時代的需要。至于此情況,礦渣、粉煤灰等作為摻和料代替部分水泥來制作混凝土進(jìn)入人們的研究范圍,并得到了廣泛的應(yīng)用。
硫鋁酸鹽水泥混凝土作為一與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥相比更加具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、抗凍、抗?jié)B、耐侵蝕優(yōu)勢的混凝土，在海港等建筑也是廣泛使用。本實(shí)驗(yàn)方案主要目的通過混合材料代替部分水泥來改善混凝土的對氯離子的抗侵蝕性能,為海港等建筑用混凝土生產(chǎn)提供依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)計劃通過用同摻量的1:1礦渣與粉煤灰的混合材來代替硫鋁酸鹽水泥制作混凝土，觀察混凝土氯離子的滲透情況，為以后利用礦渣，粉煤灰的混合材料來代替硫鋁酸鹽制造混凝土提供數(shù)據(jù)及理論支持。
2.實(shí)驗(yàn)材料及指標(biāo)
2.1水泥的選擇
水泥作為最為重要的膠凝材料，它的性能對混凝土的性能有著舉足輕重的影響。我們選用的是快硬早強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥，其指標(biāo)為1d抗壓強(qiáng)度：41.5MPa;3d抗壓強(qiáng)度：52.9MPa。
2.2骨料的選擇
在混凝土中，石子粒徑的大小、形狀和類型直接影響了混凝土的性能。實(shí)驗(yàn)選用的石子來自于混凝土攪拌站。石子的粒徑為5-20mm,種類為碎石。另外,選擇細(xì)度模數(shù)為2.6的中砂作為細(xì)骨料。
2.3 摻和料的選擇
礦渣的主要成分是硅酸鈣（鎂）和鋁酸鈣（鎂），我們選用的礦渣符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18046—2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》。
粉煤灰是由燃煤熱電站煙囪收集的灰塵。其主要化學(xué)成分為SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO等，主要物相為結(jié)晶體、玻璃體和少量未燃盡的炭粒。粉煤灰的活性主要來自低鐵玻璃體，SiO2和Al2O3是其主要活性成分。其主要指標(biāo)為一級粉煤灰。本實(shí)驗(yàn)所用的混合材是將粉煤灰與礦渣按照1:1的比例用磨機(jī)混合而得到的。
2.4 外加劑的選擇
實(shí)驗(yàn)選用兩種外加劑：一種為SR3，另一種為調(diào)節(jié)劑。
3.實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.1混凝土試樣制備
混凝土是由硫鋁酸鹽水泥、砂、石、混合材料、外加劑，加水?dāng)嚢柚频?。組分的不同直接影響著混凝土的性能，因此，有必要對混凝土的各部分組成進(jìn)行計算。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ55-2000《普通混凝土配合設(shè)計規(guī)程》,確定水灰比分別為0.37、0.33和0.35，混凝土有共同的砂率即固定砂率為0.42。通過計算和試驗(yàn)得到的11組不同摻量混凝土數(shù)據(jù)見表3-1。
表3-1 各組混凝土的組分及坍落度
|
編
號 |
水灰比
W/C |
混和材
摻量(%) |
混和材
(kg) |
石子
(kg) |
砂子
(kg) |
水泥
(kg) |
用水量
(kg) |
SR3含量
(%) |
調(diào)節(jié)劑
(%) |
坍落度(mm) |
|
1 |
0.37 |
0 |
0 |
1063 |
770 |
450 |
166.5 |
1.2 |
0.13 |
210 |
|
2 |
0.37 |
10 |
45 |
1063 |
770 |
405 |
166.5 |
0.96 |
0.13 |
230 |
|
3 |
0.37 |
20 |
90 |
1063 |
770 |
360 |
166.5 |
0.64 |
0.13 |
220 |
|
4 |
0.37 |
30 |
135 |
1063 |
770 |
315 |
166.5 |
0.61 |
0.11 |
200 |
|
5 |
0.37 |
40 |
180 |
1063 |
770 |
270 |
166.5 |
0.53 |
0.089 |
165 |
|
6 |
0.35 |
0 |
0 |
1069 |
774 |
450 |
157.5 |
1.2 |
0.13 |
195 |
|
7 |
0.33 |
0 |
0 |
1074 |
778 |
450 |
148.5 |
1.6 |
0.13 |
200 |
|
8 |
0.33 |
10 |
45 |
1074 |
778 |
405 |
148.5 |
1.6 |
0.065 |
190 |
|
9 |
0.33 |
20 |
90 |
1074 |
778 |
360 |
148.5 |
1.6 |
0.065 |
195 |
|
10 |
0.33 |
30 |
135 |
1074 |
778 |
315 |
148.5 |
1.28 |
0.065 |
205 |
|
11 |
0.33 |
40 |
180 |
1074 |
778 |
270 |
148.5 |
1.4 |
0.065 |
220 |
3.2 混凝土氯離子滲透實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
混凝土是一種非均勻性、多元、多孔的固、液、氣三相并存的復(fù)合性材料?；炷两Y(jié)構(gòu)所處環(huán)境中的某些腐蝕性介質(zhì)會通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，與孔隙中的氫氧化鈣飽和溶液及水泥水化產(chǎn)物接觸，發(fā)生某種化學(xué)反應(yīng)以及一系列的物理、化學(xué)破壞作用, 混凝土抵抗腐蝕性介質(zhì)會通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部的性能稱之為抗?jié)B性?；炷恋目?jié)B性是保護(hù)混凝土不受侵蝕的第一道屏障，因此在工程建設(shè)中, 抗?jié)B性是衡量混凝土性能的一個重要指標(biāo)。在本論文實(shí)驗(yàn)中，混凝土的抗?jié)B性是通過氯離子滲透來標(biāo)識的。
氯離子對混凝土的破壞是影響混凝土耐久性最常見的一種方式。環(huán)境中Cl-濃度很高或因干濕循環(huán)致使氯鹽濃度富集到一定程度時，氯鹽可以直接與混凝土材料發(fā)生反應(yīng)，形成膨脹型產(chǎn)物三氯型水化氯鋁酸鈣（ ），從而引起膨脹并破壞混凝土結(jié)構(gòu)。但一般環(huán)境中Cl-濃度遠(yuǎn)小于此值，其破壞作用主要是通過誘發(fā)鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的劣化。Cl-通過擴(kuò)散和滲透，可以侵入混凝土內(nèi)部鋼筋表面，當(dāng)富集到一定濃度時破壞鋼筋表面的γ-Fe2O3保護(hù)膜，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕。這不僅降低鋼筋與混凝土之間的握裹力，而且由于銹蝕產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂 。在海洋工程或近海工程以及冬季施用除冰鹽的混凝土道路與鋼筋混凝土橋梁工程條件下，Cl-的擴(kuò)散與腐蝕作用，以及劇烈的氣象作用等等，會加速其劣化，這類結(jié)構(gòu)通過維修恢復(fù)功能有時也很困難。因此，必須考慮其具有足夠的耐久性。滲透性是混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的第一道防線?；炷罜l-擴(kuò)散系數(shù)的大小可以表征混凝土滲透性的高低，也是評價混凝土耐久性的重要參數(shù)。因此在工程中測試氯離子滲透，對改善混凝土的抗?jié)B性具有一定的指導(dǎo)意義。
.
對于具有一定保護(hù)層厚度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其耐久性可以通過混凝土Cl-擴(kuò)散系數(shù)加以評價。例如普通混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)：下限為（0.3～0.5）×10-8cm2/s，上限為10×10-8cm2/s；高性能混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)：下限<0.01×10-8cm2/s，上限為（3～5）×10-8cm2/s。Cl-擴(kuò)散系數(shù)（0.3～0.5）×10-8cm2/s，保護(hù)層厚度3cm，在海洋工程條件下，耐久性可達(dá)75年[5]。影響Cl-在水泥基材料中的擴(kuò)散性主要因素有水膠比、漿體含量、養(yǎng)護(hù)齡期以及礦物質(zhì)粉體的種類、質(zhì)量及數(shù)量等。
對于具有一定保護(hù)層厚度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其耐久性可以通過混凝土Cl-擴(kuò)散系數(shù)加以評價。例如普通混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)：下限為（0.3～0.5）×10-8cm2/s，上限為10×10-8cm2/s；高性能混凝土的Cl-擴(kuò)散系數(shù)：下限<0.01×10-8cm2/s，上限為（3～5）×10-8cm2/s。Cl-擴(kuò)散系數(shù)（0.3～0.5）×10-8cm2/s，保護(hù)層厚度3cm，在海洋工程條件下，耐久性可達(dá)75年[5]。影響Cl-在水泥基材料中的擴(kuò)散性主要因素有水膠比、漿體含量、養(yǎng)護(hù)齡期以及礦物質(zhì)粉體的種類、質(zhì)量及數(shù)量等。
按照氯離子滲透系數(shù)把氯離子滲透性劃分了幾個等級如表3-2。
表3-2 氯離子滲透等級
|
氯離子滲透系數(shù)（10-14m2/s） |
Cl-滲透性 |
|
>1000
500～1000
100～500
50～100
10～50
5～10
〈5 |
很高
高
中
低
很低
極低
忽略 |
測試氯離子滲透的測量步驟如下:
(1)試樣的制備:
利用切片機(jī)將混凝土試塊切割成100×100×50mm3上下平整且表面不留浮漿層的試塊。
(2)混凝土的真空飽水飽鹽:
將切好的混凝土試樣垂直放于真空室內(nèi)的不銹鋼套筒中，試樣間要留有空隙,如果試樣分兩層，則上下兩層應(yīng)該能夠很好的通氣。
調(diào)整液位傳感器的高度，使之剛好垂直放于最上層試樣的表面。注意：不能水平放于試樣上面，也不能讓試樣夾住。
注水孔下端的橡膠軟管若不能放于套筒內(nèi)壁的專用半圓通道中,則應(yīng)該置于試樣底部：防止注水時四處濺射。
擰緊螺栓, 封閉真空室。順序打開電源適配器開關(guān)，真空泵，真空室的抽氣開關(guān)，當(dāng)真空室的真空度達(dá)到-0.08Mpa后，保持4～6小時，之后關(guān)閉的抽氣閥，打開注水開關(guān)，將水引入真空室，當(dāng)液位指示燈滅后，立即關(guān)閉注水閥,然后再打開抽氣開關(guān)，抽真空至-0.08Mpa，保持1～2小時，關(guān)閉抽氣開關(guān)。靜止至自動停止。靜止24小時后放氣，取樣量。
根據(jù)所測結(jié)果得到水化28天時，氯離子滲透系數(shù)數(shù)據(jù)如表3-3所示。
表3-4水化28天混凝土試樣中氯離子滲透系數(shù)
|
編
號 |
水灰比
w/c |
混合材的摻量
（%） |
水化齡期
（day） |
氯離子擴(kuò)散系數(shù)
（10-13 m2/s) |
混凝土滲透性 |
|
1 |
0.37 |
0 |
28 |
4.96 |
很低 |
|
2 |
0.37 |
10 |
28 |
5.88 |
低 |
|
3 |
0.37 |
20 |
28 |
9.48 |
低 |
|
4 |
0.37 |
30 |
28 |
10.7 |
中 |
|
5 |
0.37 |
40 |
28 |
17.8 |
中 |
|
6 |
0.35 |
0 |
28 |
-- |
-- |
|
7 |
0.33 |
0 |
28 |
3.45 |
很低 |
|
8 |
0.33 |
10 |
28 |
7.98 |
低 |
|
9 |
0.33 |
20 |
28 |
7.18 |
低 |
|
10 |
0.33 |
30 |
28 |
7.88 |
低 |
|
11 |
0.33 |
40 |
28 |
11.1 |
中 |
5.結(jié)論
?。?）隨著混合材摻量的增加，抗氯離子滲透性能下降。
（2）氯離子在混凝土中的滲透與水灰比密切相關(guān)，水灰比越小，氯離子滲透系數(shù)越小。
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