摘要:通過(guò)氯離子加速滲透試驗(yàn)裝置，研究了粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅灰對(duì)水泥砂漿氯離子透過(guò)性能的影響。氯離子透過(guò)水泥砂漿試件后，其在陽(yáng)極溶液中的濃度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。結(jié)果表明：養(yǎng)護(hù)28d時(shí)，粉煤灰水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能隨粉煤灰摻量的增加而增加，且均高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；礦渣摻量不超過(guò)30%時(shí)，礦渣摻量越大水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能越低，礦渣摻量為40%時(shí)，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；摻入硅灰可明顯降低水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。
關(guān)鍵詞:水泥砂漿；氯離子；礦物摻合料；透過(guò)性能
中圖分類號(hào): TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
Influence of mineral admixtures on chloride ion penetrated through
cement mortar
ZHANG Wuman1,2, BA Hengjing2, SUN Wei1
(1. College of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing, 211189, China;
2. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150006, China）
Abstract The influence of mineral admixtures on chloride ion penetrated through cement mortar was studied by the accelerated chloride penetration test. The specimens were curing in water for 28 days. The chloride ion concentration in the anode chamber increased with the time extending. The results show that the chloride ion penetration of cement mortar mixed with fly ash is higher than that of control cement mortar and increase with the increment of fly ash content; The chloride ion penetration of the cement mortar incorporated with slag is less than that of the control cement mortar when the slag replacement is 10%, 20% and 30%, respectively. However, the chloride ion penetration of the cement mortar is greater than that of the control cement mortar when the slag replacement reaches 40%. The addition of silica fume obviously reduces the chloride ion penetration of the cement mortar.
Keywords cement mortar; chloride ion; mineral admixture; penetration
0 引言
混凝土澆注后，由于各組分比重的差別，粗骨料產(chǎn)生沉降現(xiàn)象，往往會(huì)在混凝土表面、混凝土與模板之間形成一個(gè)水泥砂漿薄層。外界有害介質(zhì)穿過(guò)該水泥砂漿薄層后才能到達(dá)混凝土內(nèi)部，因此，水泥砂漿薄層的滲透性直接影響混凝土的滲透性。然而，目前有關(guān)混凝土氯離子滲透性的研究中，混凝土試件通常是取芯或成型圓柱體，然后取中間一定厚度的混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)研究[1-3]，這樣一來(lái)，混凝土表面的水泥砂漿層就被忽略了，因而本文主要研究了水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能，在此主要考慮礦物摻合料的影響。
1 原材料及試驗(yàn)方案
1.1原材料
水泥為哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5硅酸鹽水泥；粉煤灰為哈爾濱三電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，比表面積分別為655m2/kg；礦渣為鞍山鋼鐵廠生產(chǎn)的高爐礦渣，其比表面積分別為501m2/kg，硅灰為挪威埃肯公司生產(chǎn)的中密質(zhì)硅灰，比表面積為1.5×104 m2/kg，水泥與摻合料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。粗集料選用連續(xù)級(jí)配輝綠巖碎石，粒徑5~20mm；細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)為2.82松花江江砂；水為哈爾濱市飲用水。減水劑為萘系減水劑，控制其摻量保證混凝土的坍落度在180±20 mm。
1.2水泥砂漿的配比及制備
為了獲得混凝土中的砂漿，將新拌的混凝土置于振動(dòng)臺(tái)上2.5mm方孔篩內(nèi)，方孔篩下鋪墊清潔的塑料薄膜，開(kāi)啟振動(dòng)臺(tái)，獲得足量的砂漿后，注入直徑100mm、高3mm的試模(見(jiàn)圖1)，并在跳桌上振動(dòng)25下，刮平后再振動(dòng)25下，然后置于溫度為20±2℃，相對(duì)濕度大于80%的養(yǎng)護(hù)室中的水平位置。成型24h后脫模，將試件置于水中養(yǎng)護(hù)28d。真空飽水3h，試件側(cè)面用環(huán)氧樹(shù)脂密封，成型面和底面為試驗(yàn)面。
混凝土的水膠比為0.35，每立方米配料中各組分的用量為：水157.5 kg，砂737 kg，碎石1105.5kg，膠凝材料總量為450 kg。粉煤灰與磨細(xì)礦渣等量取代水泥分別為10%、20 %、30 %和40%；硅灰等量取代水泥分別為5%和10%?；炷林械V物摻合料的用量見(jiàn)表2。
1.3水泥砂漿的氯離子透過(guò)試驗(yàn)
氯離子透過(guò)水泥砂漿的試驗(yàn)采用自主研發(fā)的多通道變電壓氯離子滲透裝置進(jìn)行，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。陰極室為0.3mol/L的NaOH和0.5mol/L的NaCl混合溶液；陽(yáng)極室為用蒸餾水配制的0.3mol/L的NaOH溶液，直流電壓為12V。試驗(yàn)過(guò)程中保持陰極室NaCl溶液濃度和兩端NaOH溶液濃度的恒定，采用高精度PClS-10型氯度計(jì)定期測(cè)量陽(yáng)極室溶液中氯離子的濃度。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1粉煤灰對(duì)氯離子透過(guò)水泥石性能的影響
由圖3可知，陽(yáng)極溶液中氯離子濃度與滲透時(shí)間呈線性關(guān)系，氯離子濃度隨滲透時(shí)間的延長(zhǎng)而增
大；基準(zhǔn)水泥砂漿72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度為0.0247 mol/L，粉煤灰等量取代水泥10%、20%、30%和40%時(shí)，72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度分別為0.0251mol/L、0.027mol/L、0.0303mol/L和0.038mol/L。由此可知，相同時(shí)間內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥砂漿的氯離子性能增加，并且均大于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。這與水泥中摻加粉煤灰后的水化速率和水化程度有關(guān)。
由于部分水泥用量被粉煤灰所取代，早期的水泥砂漿中水化產(chǎn)物數(shù)量減少，其強(qiáng)度的發(fā)展必然減慢。即使齡期長(zhǎng)達(dá)半年，活性效應(yīng)也可能仍未達(dá)到充分反應(yīng)的程度。從圖4a中可觀察到，早期混凝土試件斷面上粉煤灰微珠顆粒周圍形成的水膜層間隙，尚未明顯被水化產(chǎn)物所填充，較大孔隙和敞開(kāi)的毛細(xì)孔較多，結(jié)構(gòu)密實(shí)性差[4-6]。這勢(shì)必導(dǎo)致水泥砂漿或水泥混凝土早期的抗?jié)B透性變差。然而在硬化后期，隨著水泥水化程度的提高以及粉煤灰二次水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥石中的孔隙體積和較粗的孔隙減少，水泥石的顯微結(jié)構(gòu)更加致密(見(jiàn)圖4b)，將對(duì)混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性能有利。
2.2磨細(xì)礦渣對(duì)水泥砂漿氯離子透過(guò)性能的影響
由圖5可知，陽(yáng)極溶液中氯離子濃度與滲透時(shí)間呈線性關(guān)系，氯離子濃度隨滲透時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；磨細(xì)礦渣等量取代水泥10%、20%和30%時(shí)，72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度分別為0.0178mol/L、0.0145mol/L和0.0084mol/L；磨細(xì)礦渣等量取代水泥40%時(shí)，72h時(shí)陽(yáng)極溶液中氯離子濃度為0.0339mol/L。由此可知，磨細(xì)礦渣摻量不超過(guò)30%時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)，隨著礦渣摻量的增加，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能降低；而磨細(xì)礦渣摻量為40%時(shí)，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能增大，并且大于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。 磨細(xì)礦渣的活性效應(yīng)對(duì)水泥石可起到增密、作用；微集料效應(yīng)可改善水泥石的孔結(jié)構(gòu)，增大水泥石的密實(shí)度。但是，磨細(xì)礦渣的各種效應(yīng)與磨細(xì)礦渣摻量之間的變化關(guān)系各不相同，當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量小于臨界值時(shí)，各項(xiàng)效應(yīng)對(duì)混凝土密實(shí)度與強(qiáng)度都為正效應(yīng)，在這一范圍內(nèi)，隨著磨細(xì)礦渣摻量增大，磨細(xì)礦渣的總效應(yīng)系數(shù)將因各項(xiàng)正效應(yīng)的疊加而迅速增大，即水泥石微觀孔結(jié)構(gòu)的改善程度、孔隙率的降低幅度不斷提高，因此水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能明顯降低。當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量大于該臨界值時(shí)，不但礦渣的潛在活性不能得到充分發(fā)揮，而且由于過(guò)量礦渣的摻入相對(duì)減少了參與水化的水泥量，從而使水化產(chǎn)物更少，導(dǎo)致早期水泥砂漿或混凝土總孔隙率的增大，從而增大水泥砂漿或混凝土的氯離子透過(guò)性能[7,8]。
2.3硅灰對(duì)氯離子透過(guò)水泥石性能的影響
由圖6可知，摻加硅灰后，氯離子滲透首先出現(xiàn)了一段非線性段，滲透時(shí)間超過(guò)20h后，陽(yáng)極溶液中氯離子濃度與滲透時(shí)間呈線性關(guān)系。硅灰分別等量取代水泥5%和10%時(shí)，72h陽(yáng)極溶液中氯離子濃度分別為0.00846mol/L和0.00687mol/L，均明顯低于相同條件下的基準(zhǔn)水泥砂漿。因此，硅灰等量取代水泥5%和10%后，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能顯著降低。
硅灰具有極強(qiáng)的火山灰性能，當(dāng)它摻入水泥漿和水接觸后，部分小顆粒迅速溶解，溶液中富SiO2貧Ca的凝膠在硅粉顆粒表面形成附著層。一定時(shí)間后，富SiO2貧Ca的凝膠附著層開(kāi)始溶解并與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成C-S-H凝膠，從而改變了漿體的孔結(jié)構(gòu)，使大孔(大于0.1μm)減少，小孔(小于0.05μm)增加，使孔徑變細(xì)，還使?jié){體中Ca(OH)2減少，結(jié)晶細(xì)化，并使其定向程度變?nèi)?SUP>[9,10]。
不同礦物細(xì)摻料在水泥砂漿或混凝土中的作用有其各自的特點(diǎn)，有的是優(yōu)點(diǎn)，有的是缺點(diǎn)。例如，摻粉煤灰的混凝土自干燥收縮和干燥收縮都小，而且需水量小，但抗碳化性能較差；硅灰在混凝土中有增強(qiáng)的作用，但自干燥收縮大，而且因需水量大而允許摻量有限，對(duì)混凝土溫升無(wú)降低的作用；磨細(xì)礦渣的需水量不大，對(duì)混凝土的強(qiáng)度有利，但自干燥收縮較大等[11]。因此，采用礦物摻合料取代水泥時(shí)，應(yīng)綜合考慮礦物摻合料的形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)、微集料效應(yīng)以及最佳摻量，使礦物摻合料的各項(xiàng)優(yōu)質(zhì)性能得到充分發(fā)揮。
3 結(jié)論
(1)粉煤灰水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能隨粉煤灰摻量的增加而增加，且均高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；
(2)礦渣摻量不超過(guò)30%時(shí)，礦渣摻量越大水泥砂漿的氯離子透過(guò)透過(guò)性能越低，礦渣摻量為40%時(shí)，水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能高于基準(zhǔn)水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能；
(3)摻入硅灰可明顯降低水泥砂漿的氯離子透過(guò)性能。
