高性能清水混凝土耐久性試驗(yàn)研究

   摘要：清水混凝土的表面直接裸露于空氣，這對(duì)混凝土的耐久性能提出了很高的要求。針對(duì)清水混凝土的抗凍性、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕、抗氯離子滲透等進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)比了不同粉煤灰摻量清水混凝土的耐久性差異，試驗(yàn)結(jié)果表明在低水膠比下，即使在60%的粉煤灰大摻量時(shí)，混凝土仍能保證較髙的抗凍性、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕、抗氯離子滲透能力。

關(guān)鍵詞：清水混凝土；耐久性；碳化；凍融；抗硫酸鹽侵蝕；抗氯離子滲透性

    清水混凝土又稱裝飾混凝土，因具裝飾效果而得名。它屬于一次澆筑成型，不做任何外裝飾，直接采用現(xiàn)澆混凝土的自然表面效果作為飾面，因此不同于普通混凝土。其表面平整光滑，色澤均勻，棱角分明，無碰損和污染，只是在表面涂一層或兩層透明的保護(hù)劑，顯得十分天然、莊重^[1-2]。

    國外清水混凝土產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代，隨著混凝土廣泛應(yīng)用于建筑施工領(lǐng)域，建筑師們逐漸把目光從混凝土作為一種結(jié)構(gòu)材料轉(zhuǎn)移到材料本身所擁有的質(zhì)感上，開始用混凝土與生俱來的裝飾性特征來表達(dá)建筑傳遞出的情感，最為著名的是路易·康（Lovis Kahn)設(shè)計(jì)的耶魯大學(xué)英國藝術(shù)館、美國設(shè)計(jì)師埃羅·沙里寧（Eero Searinen)設(shè)計(jì)的紐約肯尼迪國際機(jī)場(chǎng)環(huán)球航空大樓、華盛頓達(dá)拉斯國際機(jī)場(chǎng)候機(jī)大樓等。到20世紀(jì)60年代，越來越多的清水混凝土出現(xiàn)在歐洲、北美洲等發(fā)達(dá)國家，廣泛地運(yùn)用于工業(yè)化預(yù)制建筑構(gòu)件中。在現(xiàn)代主義建筑大師們的影響下，混凝土逐漸從單純的結(jié)構(gòu)材料發(fā)展成為一種具有外在表現(xiàn)力的功能齊全的建筑材料。混凝土作為一種功能材料如果能與設(shè)計(jì)很好地結(jié)合，通過控制施工精度和形態(tài)、色彩的變化可以傳達(dá)豐富多彩的建筑語言，表達(dá)特定的情感。

   在我國，市政、道橋混凝土工程，包括一些簡單的工業(yè)廠房也早就開始采用清水混凝土。近10年來，少量高檔建筑工程如首都機(jī)場(chǎng)、上海浦東國際機(jī)場(chǎng)、奧林匹克國家網(wǎng)球館等也采用了清水混凝土。

    清水混凝土與普通混凝土的最大區(qū)別在于清水混凝土沒有普通混凝土表面的裝飾材料保護(hù)層而長期裸露于外界環(huán)境中，直接受到外界環(huán)境的腐蝕作用，這對(duì)清水混凝土的耐久性就提出了更加嚴(yán)格的要求。本文針對(duì)清水混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化、抗硫酸鹽侵蝕等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1  試驗(yàn)原材料

    水泥為粵秀P·O42.5水泥，粉煤灰為珠江電場(chǎng)I級(jí)粉煤灰，砂為西江砂場(chǎng)細(xì)度模數(shù)2.6的中砂，石子為5〜20 mm連續(xù)級(jí)配天然碎石。其性能數(shù)據(jù)分別見表1〜表4。外加劑為長大一公司中心實(shí)驗(yàn)室自行復(fù)配生產(chǎn)的聚羧酸系外加劑，減水率為26%。

表1  粵秀P·O42.5水泥的主要物理性能

表2粉煤灰的主要物理性能

表3天然砂子材料性能

表4天然石子材料性能

從表5可以發(fā)現(xiàn)：粉煤灰摻量15%以內(nèi)的幾組混凝土的28 d強(qiáng)度無明顯變化，隨著粉煤灰摻量的提高，混凝土的28 d強(qiáng)度開始降低，粉煤灰摻量大于50%時(shí)，28 d強(qiáng)度明顯降低；在低水膠比下，大摻量粉煤灰混凝土亦可制得較高強(qiáng)度混凝土，如水泥用量176kg/m³、粉煤灰用量264 kg/m³時(shí)，混凝土的28 d強(qiáng)度可達(dá)到51.4Mpa。

表5高性能清水混凝土配合比及強(qiáng)度數(shù)據(jù)

注：表中粉煤灰摻量指單方混凝土中粉煤灰用量與膠凝材料總量的質(zhì)量百分比。

2  清水混凝土耐久性試驗(yàn)研究

2.1  抗碳化試驗(yàn)

   試驗(yàn)采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82-85）快速碳化法，使用標(biāo)準(zhǔn)碳化箱，100mm×100mm×100mm規(guī)格的混凝土試塊在標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)26 d完畢后，60℃干燥48 h，移入二氧化碳濃度為（20±3）%，溫度（20±5）℃，濕度（70±5）%的碳化箱中碳化，經(jīng)28 d碳化后再取出試件測(cè)定其碳化深度。一般來說，混凝土結(jié)構(gòu)物中鋼筋的保護(hù)層厚度為20～25mm，也就是說，實(shí)際工程中允許混凝土有一定的碳化，當(dāng)然碳化深度不允許超過保護(hù)層厚度。采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82-85）快速碳化法測(cè)定的28 d碳化深度，大致相當(dāng)于自然環(huán)境中50年的碳化深度?；炷恋奶蓟囼?yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6混凝土碳化深度

    在低水膠比下，混凝土的碳化可以控制，粉煤灰摻量為0～60%時(shí)，經(jīng)過28 d碳化試驗(yàn)，混凝土不碳化；經(jīng)過56 d碳化試驗(yàn)，粉煤灰摻量0～40%時(shí)，混凝土不碳化；粉煤灰摻量50%～60%時(shí)，混凝土碳化深度不大于4 mm。

2.2 凍融性能試驗(yàn)

    本試驗(yàn)采用《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ82-85）快速凍融法。采用100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，試件標(biāo)養(yǎng)28 d后，在溫度15～20℃的水中浸泡4 d,浸泡時(shí)水面至少高出試件200 mm。測(cè)量前應(yīng)將試件表面浮渣清洗干凈，擦去表面積水。凡達(dá)到以下3種情況之一即可停止試驗(yàn):(1)已達(dá)到300次循環(huán)；(2)動(dòng)彈性模量下降到60%以下；(3)質(zhì)量損失率達(dá)5%。相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量損失、耐久性系數(shù)公式分別見式(1)、式(2)、式(3)。

（1）

    式中：P為經(jīng)N次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，以3個(gè)試件的平均值計(jì)算，%；f_n為N次凍融循環(huán)后試件的橫向基頻，H_z;f₀為凍融循環(huán)試驗(yàn)前測(cè)得的試件橫向基頻初始值，Hz。

（2）

    式中：△W_n為N次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量損失率，以3個(gè)試件的平均值計(jì)算，%；G₀為凍融循環(huán)試驗(yàn)前的試件質(zhì)量，kg;G_n為N次循環(huán)后的試件質(zhì)量，kg。

(3)

    式中：K_n為混凝土耐久性系數(shù)；P為經(jīng)N次凍融循環(huán)后試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；N為達(dá)到上述3種情況之一時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)。

    本次試驗(yàn)的5組試塊經(jīng)300次凍融循環(huán)，均無破壞，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7混凝土的抗凍性能

注：表中質(zhì)量損失為負(fù)值的表示質(zhì)量不僅沒有減少,反而增加。

    由表7可以看出:(1)膠凝材料用量為440kg/m³，粉煤灰摻量為30%〜60%，水膠比為0.32的混凝土均有很好的抗凍能力，質(zhì)量損失均在1%之內(nèi)，300次凍融循環(huán)后耐久性系數(shù)均大于0.8，滿足《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS207-2006)中規(guī)定達(dá)到的0.6〜0.8；(2)在0.32的低水膠比下，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗凍能力下降很少。這是因?yàn)樵?.32的低水膠比下，即便粉煤灰占總膠凝材料的60%，由于混凝土自身的孔隙率比較低，亦使混凝土具備良好的抗凍能力。

    粉煤灰對(duì)混凝土抗凍性的改善主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：(1)粉煤灰的火山灰活性效應(yīng)固定了Ca(OH)₂，使之不致因浸析而擴(kuò)大加速冰凍劣化的孔隙；(2)粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)使混凝土拌和物的用水量減少，明顯有利于減少混凝土內(nèi)部孔隙和毛細(xì)孔；(3)粉煤灰的微集料效應(yīng)可使結(jié)構(gòu)更密實(shí)，并使孔隙細(xì)化有助于使引氣劑產(chǎn)生的微細(xì)氣孔分布均勻。

2.3  抗硫酸鹽侵蝕

    本次試驗(yàn)依據(jù)馮乃謙教授（參考美國ASTM1012標(biāo)準(zhǔn)）的干濕循環(huán)試驗(yàn)方法，試驗(yàn)的每個(gè)配比采用一組100mm×100mm×100mm規(guī)格的混凝土試塊,標(biāo)養(yǎng)28 d后，做干濕循環(huán)，即在室溫5%的硫酸鈉溶液中浸泡16 h,取出晾干1 h,再于80℃的烤箱烘干6 h，冷卻1 h稱重。24 h為一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)后觀察試件表面侵蝕情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。

    從表8可以看出，經(jīng)28次循環(huán)后粉煤灰摻量為0〜60%,混凝土試塊質(zhì)量變動(dòng)幅度小于1%，經(jīng)56次循環(huán)后質(zhì)量變動(dòng)幅度小于2%。以下幾方面原因可以造成混凝土質(zhì)量變化：(1)膠凝材料隨著齡期增長，繼續(xù)水化引起的試塊質(zhì)量變化；(2)在鹽溶液中的硫酸鹽隨著干濕循環(huán)進(jìn)入試塊內(nèi)部，產(chǎn)生結(jié)晶；(3)硫酸鹽與混凝土中的Ca(OH)₂產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣釩石，試塊質(zhì)量變化。

表8  試塊質(zhì)量比                          %

    注：表8中質(zhì)量比表示置于鹽溶液（或水溶液）中浸泡規(guī)定次數(shù)后的試塊質(zhì)量與進(jìn)行浸泡試驗(yàn)之前的試塊質(zhì)量的百分比值，混凝土初始質(zhì)量以100%表示；鹽-28表示在鹽溶液中浸泡28次后的質(zhì)量百分比；鹽-56表示在鹽溶液中浸泡56次后的質(zhì)量百分比;水-28 表示在水溶液中浸泡28次后的質(zhì)量百分比；水-56表示在水溶液中浸泡56次后的質(zhì)量百分比；編號(hào)1〜10所用混凝土配合比與表5相同。

    從表9中看出，混凝土在硫酸鹽溶液中，混凝土強(qiáng)度繼續(xù)增長。編號(hào)6〜10組混凝土強(qiáng)度比均大于100%，在鹽溶液中的強(qiáng)度均比標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度高，這是因?yàn)榛炷敛粌H密實(shí)度高，抗?jié)B性好，而且摻加了對(duì)耐堿和耐硫酸鹽侵蝕性有很大幫助的活性摻合料,經(jīng) 28次循環(huán)后，這5組強(qiáng)度比隨著粉煤灰摻量的增加而增大。普通水泥中硅酸鹽水泥熟料多，水化生成Ca(OH）₂和CAH的礦物成分C₂S、C₃S、C₃A和C₄AF含量相對(duì)就高。因此普通水泥水化形成的水泥石中抗腐蝕性差組分也就多，遇到侵蝕介質(zhì)，既易被侵蝕，又會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的侵蝕破壞。而以部分粉煤灰代替水泥熟料，不僅減少了水泥石中抗腐蝕性差的組分，更重要的是提高了水泥石的密實(shí)性，防止侵蝕介質(zhì)隨環(huán)境水的入侵，改善和提高混凝土抗侵蝕性。摻粉煤灰混凝土所具備的這種良好的抗化學(xué)物質(zhì)侵蝕性，將保證使其在惡劣的環(huán)境中長期服役而不遭受破壞。

    粉煤灰的摻入，細(xì)化了水泥漿體的孔徑，一方面，顆粒本身阻塞連通的孔隙；另一方面，粉煤灰的二次水化反應(yīng)產(chǎn)物填充于孔隙處。粉煤灰的二次水化反應(yīng)生成次C-S-H，填充于孔隙處，使混凝土更密實(shí)，降低了滲透性。粉煤灰能降低混凝土的收縮值, 初裂時(shí)間明顯推遲,且最大裂紋寬度隨時(shí)間的發(fā)展緩慢。說明粉煤灰能明顯降低混凝土的收縮開裂趨勢(shì)，這在很大程度上提高了混凝土的抗硫酸鹽性能。

表9  混凝土強(qiáng)度比

    注：表中強(qiáng)度比表示在硫酸鹽溶液中循環(huán)28次后強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)至同齡期混凝土強(qiáng)度的比值百分?jǐn)?shù)。

2.4  抗氯離子侵蝕

    氯離子電通量試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表10?；炷琉B(yǎng)護(hù)齡期均取28d,抗氯離子侵蝕試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表10  氯離子試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表11  抗氯離子滲透試驗(yàn)結(jié)果

    從表11可以看出，膠凝材料總量440kg/m³ ,水膠比0.32，粉煤灰摻量在0〜60%的齡期混凝土 28 d電通量小于1 000 C，混凝土滲透能力低，抗氯離子滲透能力好。由于混凝土中摻加了大量的粉煤灰，粉煤灰在28 d以后對(duì)于混凝土的孔結(jié)構(gòu)將有很好的改善，混凝土的抗氯離子滲透能力將進(jìn)一步提高，混凝土完全能滿足《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(CECS 207-2006)中56 d齡期6 h總導(dǎo)電量小于1 000C的要求。

3  小結(jié)

(1)在低水膠比下，大摻量粉煤灰混凝土亦可制得較高強(qiáng)度混凝土，如水泥用量176kg/m³、粉煤灰用量264 kg/m³時(shí)，混凝土的28 d強(qiáng)度可達(dá)到51.4MPa。

(2)在低水膠比下，混凝土的碳化可以控制：膠凝材料總量440kg/m³，粉煤灰摻量為0〜60%時(shí)，經(jīng)過28 d碳化試驗(yàn)，混凝土不碳化；經(jīng)過56 d碳化試驗(yàn)，粉煤灰摻量0〜40%時(shí)，混凝土不碳化;粉煤灰摻量50%〜60%時(shí)，混凝土碳化深度不大于4mm。

(3)膠凝材料用量440 kg/m³、水膠比為0.32時(shí)，混凝土具有良好的抗凍性能，質(zhì)量損失均在1%之內(nèi)，300次凍融循環(huán)后耐久性系數(shù)均大于0.8，滿足《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定達(dá)到0.6〜0.8的要求。

(4)高性能清水混凝土具有優(yōu)異的抗硫酸鹽侵蝕能力。在硫酸鹽溶液中，經(jīng)28次循環(huán)后，混凝土質(zhì)量變化在±2%以內(nèi)，混凝土強(qiáng)度繼續(xù)增長；粉煤灰摻量在15%〜60%范圍內(nèi)的混凝土，強(qiáng)度比數(shù)值隨著粉煤灰摻量增加而增大。

(5)膠凝材料用量440 kg/m³、水膠比為0.32，粉煤灰摻量為0〜60%的28 d齡期混凝土電通量小于1 000 C，混凝土滲透能力低，抗氯離子滲透能力好，混凝土完全能滿足《高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中56 d齡期6 h總導(dǎo)電量小于1 000 C的要求。

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