摘 要: 為提高混凝土耐海水腐蝕的性能,采用氯離子滲透、硫酸鹽腐蝕、腐蝕干濕循環(huán)等試驗方法來研究耐腐蝕外加劑的性能,并且對混凝土耐腐蝕外加劑的機理進行分析。試驗結果表明:混凝土耐腐蝕外加劑在試驗測試中表現出優(yōu)良的綜合性能。
關鍵詞: 海工混凝土;外加劑;氯離子滲透;硫酸鹽腐蝕;干濕循環(huán);試驗
中圖分類號: TU528. 042 文獻標識碼: A
1 前 言
混凝土中使用外加劑被公認為是改善混凝土性能方面有效的措施[ 1 ,2 ] 。我國混凝土外加劑的研究、生產和發(fā)展很快,品種不斷增加,應用日益廣泛[3 ] 。外加劑的摻量也不僅限于水泥重量的5 % ,如混凝土膨脹劑摻量10 %～12 % ,混凝土氣密劑摻量8 %～12 %。甚至提出混凝土高性能化的摻合料[4 ] ,摻量達到30 %?；炷聊透g外加劑是一種新型的外加劑,國內有部分產品,使用時必需和其他混凝土的摻合料共同使用,給施工帶來諸多不便,而且效果有待進一步提高,專用于海水等腐蝕的混凝土外加劑未見報道。本文中混凝土耐腐蝕劑是針對橋梁受海水腐蝕的混凝土而專門研制的,摻量為水泥質量的10 %～12 %。
現場調查和試驗資料表明:海工混凝土失效最嚴重的部位發(fā)生在浪濺區(qū),失效是由于氯離子引起的鋼筋銹蝕、海水中的不斷變化的干濕循環(huán)、鹽類結晶腐蝕以及海水的沖刷、氣蝕等綜合因素造成的[5 ,6 ] 。由于海水的沖刷和氣蝕不但與組成混凝土的材料性能有關,還與混凝土的強度等級有關,而且不易在室內模擬試驗,因此本耐腐蝕混凝土外加劑試驗內容主要為抗氯離子滲透性試驗、腐蝕干濕循環(huán)試驗、硫酸鹽腐蝕試驗等項目,其中腐蝕干濕循環(huán)試驗循環(huán)次數達到110 次(110 d 的循環(huán)) ,且與摻混合材料(硅灰和粉煤灰合摻) 的混凝土進行了比較。
2 混凝土的原材料
(1) 水泥。江油水泥廠生產普通硅酸鹽水泥,3d 抗壓強度25. 4 MPa ,抗折強度4. 7 MPa ,28 d 抗壓強度47. 6 MPa ,抗折強度8. 1 MPa 。
(2) 骨料。砂:廣漢河砂,細度模數2. 60 ,滿足Ⅱ區(qū)級配; 石子: 5 ～ 20 mm 粒級, 級配為5 ～ 10mm45 % ,10～20 mm55 %。
(3) 外加劑。自行研制的FL - V 型混凝土耐腐蝕外加劑,主要成分為:高活性SiO2 ,有機活性激發(fā)劑,有機表面活性劑及高效減水劑和少量的納米材料等。摻量10 %～12 % ,等量取代水泥。本試驗摻量為10 %。
3 試驗方法
3. 1 配合比設計及物理力學性能試驗
本試驗按照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(J GJ 55 - 2000) 《, 普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》( GB/ T 50080 - 2002) 進行。
3. 2 硫酸鹽腐蝕試驗
硫酸鹽腐蝕試驗按照文獻[ 7 ]方法進行,基準配合比采用其推薦的配合比,耐腐蝕試件采用內摻10 %耐腐蝕外加劑(取代同質量的水泥) 的配比配制。
3. 3 混凝土抗氯離子滲透性能試驗
抗氯離子滲透性能試驗是目前評定混凝土抗?jié)B性及耐腐蝕性能常用的方法[6 ,8 ] ,氯離子滲透性的試驗方法有多種。本試驗采用文獻[9 ]中“混凝土抗氯離子快速試驗方法”混凝土電導測試法。試驗中,每組試件取3 塊,做混凝土的齡期為28 d、90 d 氯離子滲透試驗。氯離子滲透試驗采用選用的配合比見表1 。
3. 4 混凝土干濕循環(huán)試驗
有關混凝土腐蝕干濕循環(huán)試驗尚無試驗規(guī)程。參照國內外類似試驗研究,采用在一定鹽溶液中浸泡與60 ℃干燥的循環(huán)的試驗制度。在反復的循環(huán)過程中考查試件強度變化。具體方法:
(1) 配制鹽溶液。鹽溶液配比見表2 。此溶液的濃度參照國內外有關資料配制[10 ] ,鹽的濃度遠大于海水中鹽的濃度,其中硫酸鹽濃度增加幅度最大。其目的是加速鹽的結晶應力和硫酸鹽腐蝕等對混凝土的破壞作用。
(2) 成型試件。試件尺寸40 mm ×40 mm ×160mm。粗骨料5～10 mm 粒級,砂為普通砂,采用的配合比見表3 。采用小試件是為了加速干濕循環(huán)對混凝土強度的影響。
(3) 循環(huán)制度。成型并標準養(yǎng)護14 d 后即進行干濕循環(huán)。第15 d 時取出試件擦干試件表面水分放入烘箱烘干,一般試件放入烘箱后30 min 左右升至60 ℃恒溫16 h ,打開烘箱冷卻30 min ,取出試件放入已配制的鹽溶液中,8 h 后取出為1 個循環(huán),一晝夜恰好1 個循環(huán)。
(4) 以28 d 時標準養(yǎng)護(無循環(huán)) 試件強度作為基準進行對比。
(5) 試件強度試驗參照《水泥膠砂強度檢驗方法》( GB/ T 17671 - 1999) 進行。
(6) 為便于比較,混凝土的坍落度均調整為150～170 mm ,同時用摻入硅灰和粉煤灰的混凝土作對比,考察耐腐蝕外加劑的性能。
4 試驗結果及分析
4. 1 硫酸鹽腐蝕試驗
從表4 硫酸鹽腐蝕試驗的結果可以看出:基準配合比試件抗蝕系數只有0. 80 ,而摻有耐腐蝕外加劑配合比試件在1 個月、3 個月抗蝕系數均大于1. 0 ,分別達到1. 12 和1. 11 ,抗硫酸鹽腐蝕能力明顯提高。
為更好地說明耐腐蝕外加劑的效果,定義各齡期在清水、硫酸鹽溶液中的抗折強度與基準砂漿清水28 d 抗折強度之比為強度變化系數Kb ,結果見表4 。
與基準試件相比,其強度在清水中1 個月、3 個月時分別為基準試件的1. 22 倍、1. 26 倍,硫酸鹽環(huán)境中分別為1. 37 倍、1. 40 倍,說明后期強度穩(wěn)步增長。
4. 2 干濕循環(huán)試驗
在試驗中由于小的混凝土試件抗折強度波動性大,本文采用其抗壓強度(6 塊) 的平均值作為該組的強度值進行分析評定。強度變化結果見表5 。
為便于分析,提出抗干濕腐蝕循環(huán)系數Kx 與對比干濕腐蝕循環(huán)系數Kr 的概念,其定義分別為:
從110 次干濕循環(huán)后混凝土強度的變化看,基準混凝土g - 0 干濕腐蝕循環(huán)系數Kx 只有0. 77 ,摻入30 %粉煤灰和3 %的硅灰的g - 3 混凝土Kx 為1. 09 ,摻耐腐蝕外加劑的混凝土g - 1 、g - 2 效果最為顯著, Kx 在1. 35～1. 38 之間。對比干濕腐蝕循環(huán)系數更能說明問題, 摻合料混凝土g - 3 達到1. 42 ,耐腐蝕外加劑配置的混凝土達到1. 75 以上。
說明耐腐蝕外加劑能夠極大地提高混凝土耐干濕循環(huán)及鹽的結晶膨脹(同樣包括硫酸鹽腐蝕) 的性能。
4. 3 混凝土的抗氯離子滲透試驗
混凝土的氯離子滲透試驗結果見表6?？梢钥闯?摻入耐腐蝕外加劑混凝土抗氯離子滲透能力明顯提高。與相同強度等級的普通混凝土相比,耐腐蝕外加劑配置的混凝土28 d、90 d 滲透系數分別只有基準混凝土的51 %及12. 1 %。耐腐蝕外加劑配置的混凝土90 d 與其本身28 d 的抗?jié)B性能相比,氯離子滲透系數下降75 %,說明耐腐蝕外加劑配置的混凝土抗?jié)B性能在后期不但能夠保持而且有較大的提高。
5 機理分析
耐腐蝕外加劑含有機活性激發(fā)劑等,能夠加速水泥的水化,同時有高活性SiO2 等,參與膠凝材料的二次水化反應。因此,28 d 的水化產物中C - S -H 凝膠體提高。同時水化產物中不耐腐蝕的氫氧化鈣含量降低,水泥石強度提高。
混凝土耐腐蝕外加劑是一種復合型的外加劑,同時含有有機表面活性劑及活性激發(fā)劑等在改善混凝土的密實度的同時,能夠改善水泥與骨料的界面效果。在普通混凝土中,由于混凝土的泌水等使得界面過渡區(qū)中孔隙較大,同時也是氫氧化鈣的集聚地。防腐蝕外加劑使得界面過渡區(qū)厚度減少,過渡區(qū)內的缺陷降低(見圖1) ,所以抗干濕腐蝕循環(huán)等耐久性的能力大幅度提高。
6 結 論
混凝土耐腐蝕外加劑中含有機活性激發(fā)劑等,加速水泥的水化,同時含有高活性SiO2 等,參與膠凝材料的二次水化反應,改善了混凝土中膠結材料與骨料的界面結構。
耐腐蝕外加劑能夠有效地提高普通硅酸鹽水泥的耐硫酸鹽腐蝕能力,28 d 及90 d 的抗蝕系數分別達到1. 12 和1. 11 ,強度穩(wěn)定增加。耐腐蝕外加劑配置的防腐蝕混凝土在高濃度鹽溶液中經過110 d(次) 干濕循環(huán),腐蝕循環(huán)系數為1. 35～1. 38 ,比普通混凝土提高75 %以上,具有很高的抗腐蝕干濕循環(huán)能力;在氯離子滲透試驗方面,耐腐蝕外加劑混凝土28 d、90 d 滲透系數分別為普通混凝土28 d 的51. 1 %和12. 8 % ,有效地提高了混凝土的抗?jié)B性,并且后期性能能夠保持并有所提高。
參 考 文 獻:
[1 ] 王 耶. 美國混凝土化學外加劑標準及應用現狀[J ] .中國建材科技,2001 , (2) :30 - 31.
[2 ] 蔣亞清. 混凝土外加劑應用基礎[M] . 北京:化學工業(yè)出版社,2004.
[3 ] 國延輝,覃維祖,郭京育. 混凝土外加劑及其應用技術[M] . 北京:機械工業(yè)出版社,2004.
[4 ] 高 亞. 高性能混凝土復合劑[J ] . 建材工業(yè)信息,2003 , (3) :18.
[5 ] 林寶玉,單國良. 南方海港浪濺區(qū)鋼筋混凝土耐久性研究[J ] . 水運工程,1998 , (1) :1 - 5.
[6 ] 馮乃謙,邢 鋒. 高性能混凝土的氯離子滲透性和導電量[J ] . 混凝土,2001 , (1) :3 - 7.
[7 ] GB/ T 2420 - 1981 ,水泥抗硫酸鹽侵蝕快速試驗[ S] .
[8 ] ASTM C120221997 , Standard Test Method for Elec2t rical Indication of Concrete Ability to Resist Chlorideion Penet ration[ S] .
[9 ] DL/ T 5150 - 2001 ,水工混凝土試驗規(guī)程[ S] .
[10 ] 張玉敏,王鐵成. 人工海水對混凝土侵蝕性的研究[J ] . 混凝土,2001 , (1) :48 - 50.
