雙摻粉煤灰和石灰粉影響混凝土抗氯離子滲透性能的試驗研究

田正林，吳相豪，白麗珍

(上海海事大學海洋環(huán)境與工程學院，上海201306)

混凝土結(jié)構(gòu)在使用期間可能受到各種環(huán)境荷載作用，導致混凝土結(jié)構(gòu)力學性能及耐久性能的劣化。氯離子不僅存在于海水中，還存在于道路除冰鹽、鹽湖鹽堿地、工業(yè)環(huán)境中，氯離子侵入混凝土內(nèi)部，引起鋼筋銹蝕、混凝土結(jié)構(gòu)開裂，對混凝土結(jié)構(gòu)造成多方面的危害，使得混凝土結(jié)構(gòu)提前失效，達不到預定的服役年限[1，2]?，F(xiàn)有研究表明，粉煤灰可有效提高混凝土抗氯離子滲透能力，被廣泛應用于建筑領域[3～5]。粉煤灰中含有大量氧化硅、氧化鋁等活性氧化物，在堿性條件下可被激發(fā)發(fā)生水化反應，生成水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物，從而改善混凝土的物理和力學性能。因此，本文擬通過室內(nèi)試驗，探討雙摻粉煤灰和石灰粉對混凝土抗氯離子滲透性的影響機理和影響規(guī)律。

1 試驗

1.1 原材料

試驗用原材料包括:海螺牌P.O 42.5水泥;Ⅱ級粉煤灰(45μm篩余為14.8%，需水量比98.6%，燒失量5.79%);石灰粉:上海金山生產(chǎn)的生石灰(CaO)，在室內(nèi)空氣中自然熟化而成的粉末;粗骨料為連續(xù)級配輝綠巖碎石，粒徑為5mm～20mm。細骨料為細度模數(shù)為2.8的河砂;水:自來水。

1.2 配合比

基準混凝土的膠凝材料為水泥和粉煤灰，其中水泥占膠凝材料的60%，粉煤灰占膠凝材料的40%。摻石灰粉時，水泥用量不變，石灰粉等量取代粉煤灰，取代率分別為10%、20%和30%?；炷了z比為0.45，各組混凝土配合比如表1。

表1 混凝土配合比 /kg/m3

1.3 試驗方法

1.3.1 試件制備 按照上述混凝土配合比攪拌混凝土拌合物，裝入100mm×100mm×100mm模型中振搗成型，成型1d后拆模，放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至28d。

1.3.2 孔隙率試驗 孔隙率試驗采用 100mm×100mm×100mm立方體試件。將養(yǎng)護至28d的試件取出，進行飽水試驗，試件達到飽水狀態(tài)后取出，用抹布擦干表面，稱得其重量為完全飽水的混凝土試件重量M0。然后把試件放入烘箱中，使試件在105℃下進行烘干至恒重時，再稱得其重量M2，則混凝土對應的體積孔隙率ρ可由公式(1)計算:

式中:Vw——混凝土試件的孔隙體積;Vc——混凝土試件的體積;ρc——混凝土試件的密度;ρw——水的密度。

1.3.3 氯離子滲透性試驗 試驗采用美國材料試驗協(xié)會提出的ASTM C1202法。儀器為中國建筑科學研究院建筑材料研究所研發(fā)的混凝土氯離子電通量測定儀(CABR－RCP6)。此儀器連接電腦，并在電腦上安裝好測試軟件后，可自動采集試驗數(shù)據(jù)。

具體步驟:將養(yǎng)護至28d后的混凝土立方體試件切成100mm×100mm×50mm試件，在真空條件下進行水飽和，然后固定在試驗槽上，兩端水槽分別注入3.0%NaCl和0.3mol/L NaoH 溶液，兩端施加 60V 直流電，每隔30min記錄一次電流，持續(xù)通電6h。最后由電流－時間函數(shù)曲線計算通過的總電量，以此評定混凝土的氯離子滲透性能，試驗裝置如圖1。

圖1 ASTM C1202法試驗裝置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 雙摻粉煤灰和石灰粉對混凝土孔隙率的影響

圖2 石灰粉取代率與混凝土孔隙率的關系

雙摻粉煤灰和石灰粉混凝土試件孔隙率試驗結(jié)果如圖2。從圖2可以看出，石灰粉取代粉煤灰為0、10%、20%、30%的混凝土孔隙率分別為 16.7%、20.1%、17.8%和 19.2%，并沒有顯示出逐步增加或逐步減小的趨勢。與不摻石灰粉的粉煤灰混凝土相比，摻石灰粉增大了粉煤灰混凝土的孔隙率，增大幅度在6.6%至20.4%之間。

2.2 雙摻粉煤灰和石灰粉對混凝土抗氯離子滲透性能的影響

2.2.1 雙摻粉煤灰和石灰粉對混凝土電通量的影響 雙摻粉煤灰和石灰粉混凝土試件6h電通量試驗結(jié)果如圖3。從圖3可以看出，石灰粉取代粉煤灰為0、10%、20%、30%的混凝土電通量分別為 938.2C、1381.2C、1035.4C 和 1728.3C，變化趨勢與孔隙率變化趨勢大致相同。與不摻石灰粉的粉煤灰混凝土相比，摻石灰粉使粉煤灰混凝土的電通量增加，增加的幅度在10.4% ～84.2%之間。

圖3 石灰粉取代率與混凝土電通量的關系

2.2.2 雙摻粉煤灰和石灰粉對混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響 根據(jù)雙摻粉煤灰和石灰粉混凝土試件6h電通量試驗結(jié)果，利用公式(2)可計算出混凝土氯離子擴散系數(shù)，計算結(jié)果如圖4。

式中:D——氯離子擴散系數(shù)(10－9cm2/s);

X——6h導電量(C)。

圖4 石灰粉取代率與混凝土氯離子擴散系數(shù)的關系

從圖4可看出，石灰粉取代粉煤灰為0、10%、20%、30%的混凝土抗氯離子系數(shù)分別為6.99×10－9cm2/s、9.73 × 10－9cm2/s、7.91 × 10－9cm2/s 和11.42×10－9cm2/s，變化趨勢與孔隙率和電通量基本相同。與不摻石灰粉的粉煤灰混凝土相比，摻石灰粉同樣使粉煤灰混凝土的抗氯離子系數(shù)增大，增大的幅度在13.2% ～63.4%之間。

對比雙摻石灰粉－粉煤灰的混凝土抗氯離子滲透試驗結(jié)果與孔隙率試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著石灰粉摻量的增加，孔隙率的發(fā)展趨勢和6h電通量的發(fā)展趨勢幾乎是一致的。說明混凝土孔隙率與混凝土抗氯離子滲透性能關系密切。石灰粉取代率為30%時，混凝土孔隙率小于石灰粉取代率為10%的混凝土，但其電通量或氯離子擴散系數(shù)卻大于石灰粉取代率為10%的混凝土，這是因為影響混凝土抗氯離子滲透能力的因素除了與孔隙率有關外，還與混凝土孔結(jié)構(gòu)有關。

本文試驗結(jié)果表明，摻石灰粉的粉煤灰混凝土抗氯離子滲透能力小于未摻石灰粉的粉煤灰混凝土。其原因可能是石灰粉激發(fā)粉煤灰活性引起粉煤灰混凝土孔結(jié)構(gòu)的改善不足以彌補粉煤灰用量減少引起混凝土孔結(jié)構(gòu)的改善和過多石灰粉與水生成的Ca(OH)2對混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響。

3 結(jié)論

(1)雙摻粉煤灰和石灰粉時，石灰粉等量取代粉煤灰從0增加到30%的過程中，混凝土的孔隙率表現(xiàn)為曲折上升趨勢，摻石灰粉增大了混凝土的孔隙率，且在石灰粉取代率為20%時孔隙率的增加幅度最小。

(2)隨著石灰粉取代粉煤灰量的增加，混凝土6h電通量及氯離子擴散系數(shù)總體呈現(xiàn)增加趨勢，在石灰粉取代粉煤灰率為20%時處于低谷點。摻石灰粉降低了粉煤灰混凝土抗氯離子滲透能力，因此實際工程使用中應控制石灰粉取代粉煤灰量。

[1]張雄.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫防治技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社，2007

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