矿物掺和料对混凝土抗渗和抗碳化性能影响的研究

李燕军， 张美珍， 牛　宁

(1. 山西交通职业技术学院 土木工程实训中心, 山西 太原 030619；2. 山西诚达公路勘察设计有限公司， 山西 太原 030006)



矿物掺和料对混凝土抗渗和抗碳化性能影响的研究

李燕军1， 张美珍1， 牛宁2

(1. 山西交通职业技术学院 土木工程实训中心, 山西 太原 030619；2. 山西诚达公路勘察设计有限公司， 山西 太原 030006)

摘要:通过试验， 研究了不同标准养护时间和湿度下， 矿渣粉替代粉煤灰比例对混凝土吸水率、 氯离子渗透系数和不同碳化龄期碳化深度的影响. 试验结果表明， 养护时间越长， 养护湿度越大， 混凝土的抗渗性能和抗碳化性能越好； 随着矿渣粉替代比例的增多， 混凝土抗渗性能和抗碳化性能逐渐增强， 当替代比例超过60%时， 混凝土的抗渗性能和抗碳化性能会得到明显改善； 碳化深度和吸水率之间有较好的线性相关性， 当矿渣粉替代比例超过40%时， 回归系数k值会明显减小. 所以， 矿渣粉替代粉煤灰比例不宜小于60%.

关键词:混凝土； 矿物掺和料； 抗渗性能； 抗碳化性能； 养护条件

0引言

随着经济社会的发展， 混凝土逐渐向绿色、 高性能、 智能化方向发展， 以矿物掺和料替代部分胶凝材料的混凝土具有广阔的应用前景， 其中最为突出的是大掺量粉煤灰混凝土[1-2]. 研究表明， 粉煤灰的掺加能显著降低水泥的水化热， 提高混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力， 抑制碱骨料反应的发生[3-4]. 然而， 粉煤灰对混凝土的抗碳化性能、 抗渗性能和抗冻融性能却有不利影响[5-6]. 如何提高大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能和抗渗性能已成为研究的热点. 何庭树[7]对比研究了矿渣粉和粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的影响， 结果表明矿渣粉对混凝土抗渗性能的贡献远大于粉煤灰. 赵苏政[8]、 李春辉[9]等人研究了粉煤灰、 矿渣粉和硅灰等矿物掺和料单掺、 复掺对混凝土抗渗性能和抗碳化性能的影响， 结果表明复掺型掺合料混凝土的抗渗性能优于普通混凝土， 粉煤灰掺量越大矿渣粉掺量越小， 混凝土抗碳化性能越差. 以上研究均从材料组成方面探讨了矿物掺和料混凝土的抗渗和抗碳化性能， 并没有考虑养护条件对其的影响. 混凝土的抗渗和抗碳化性能不仅与自身的材料组成有关， 而且与养护条件密切相关[10-11]， 养护条件不同则水泥的水化硬化速度和混凝土的微观结构不同， 因此抗渗和抗碳化性能也会有所不同. 本文研究了不同养护条件下复掺粉煤灰和矿渣粉混凝土的抗渗性能和抗碳化性能， 为进一步研究矿物掺和料混凝土的耐久性提供新思路.

1试验

1.1原材料

本文选用河南三星水泥工业有限公司生产的 P.O 42.5 水泥， 主要组成见表 1， 主要力学性能指标见表 2； 粗集料为5～20 mm连续级配碎石， 表观密度为2.65 g/cm3； 细集料采用普通河砂， 细度模数为2.63， 密度为2.63 g/cm3； 矿物掺和料选用Ⅰ级粉煤灰和磨细矿渣粉， 两者的比表面积分别为550 kg/m3和460 kg/m3， 其主要化学组成见表 3； 减水剂为聚羧酸系高效减水剂； 不同矿渣粉替代粉煤灰比例下的混凝土配合比见表 4， 其中粉煤灰和矿渣粉的总量为水泥质量的50%.

1.2试验方法

1.2.1吸水率试验

将成型好的混凝土试块在一定条件下养护至规定龄期后(养护龄期由空气养护和标准养护组成， 总共为28 d)， 放入 110±5 ℃ 的烘箱中烘干48 h， 称量试块的干重. 然后将试块放入常温水中浸泡72 h(全浸泡法)， 称量试块的饱和面干质量， 最后由干重和饱和面干质量计算混凝土的吸水率.

1.2.2氯离子渗透试验

成型尺寸为150×150×150 mm的混凝土试件， 达到规定养护条件后钻芯取样， 芯样的尺寸为100×50 mm的圆柱体. 按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)中的通电量法测定混凝土圆柱体芯样的氯离子渗透系数.

1.2.3碳化试验

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)， 成型尺寸为100×100×100 mm 的混凝土试件达到规定养护条件后， 在CO2浓度为20±5%， 温度为20±5 ℃， 相对湿度为80±5%的碳化箱中进行碳化. 碳化时封闭混凝土试件的其余4个表面， 只留两个相对的表面， 测定经不同碳化时间后的碳化深度.

2标准养护时间对混凝土性能的影响

2.1标准养护时间对渗透性能的影响

控制空气养护和标准养护的总时间为28 d， 分别测定不同标准养护时间时， 矿渣粉替代粉煤灰比例为0%, 20%, 40%, 60%, 80%和100%时混凝土的吸水率和氯离子渗透系数， 研究标准养护时间和矿渣粉替代比例对混凝土抗渗性能的影响， 试验结果如图 1 所示.

从图 1 可以看出， 同等条件下， 混凝土的吸水率和氯离子渗透系数随着标准养护时间的增多逐渐减小. 其中， 当标准养护时间由0 d(0 d标准养护+28 d空气养护)变为3 d(3 d标准养护+25 d空气养护)时， 吸水率和氯离子渗透系数大幅降低， 之后氯离子渗透系数随标准养护时间的变化趋势较小； 而当标准养护时间超过14 d时， 吸水率的降低幅度又开始增大. 表明当养护总时间一定时， 标准养护时间越长， 混凝土的抗渗性能越好. 这主要是因为在空气中养护时， 由于水分不足， 一方面水泥水化不完全， 生成的Ca(OH)2较少， 无法激活矿物掺和料的火山灰效应， 无法生成更多的二次水化产物填充混凝土的孔隙， 导致混凝土密实性下降； 另一方面由于水分的缺失， 混凝土中的自由水蒸发变成表面吸附水， 造成混凝土疏松多孔， 孔隙率较大， 因此抗渗性能不足. 随着标准养护时间的增长， 尤其是当标准养护时间超过14 d时， 水泥水化反应加剧， 矿物掺和料的火山灰效应增强， 生成了更多的二次水化产物填充在混凝土内部的孔隙中， 使混凝土内部的毛细孔数量急剧减少， 混凝土密实度增大， 因此吸水率和氯离子渗透系数减小， 抗渗性能得到改善.

当养护时间相同时， 随着矿渣粉替代粉煤灰比例的增大， 混凝土的吸水率和氯离子渗透系数逐渐减小， 其中当矿渣粉的替代比例超过60%时， 氯离子渗透系数趋于稳定. 表明矿渣粉单掺时混凝土的抗渗性能最好， 粉煤灰和矿渣粉复掺时抗渗性能次之， 单掺粉煤灰时抗渗性能最差. 这主要是因为， 一方面粉煤灰活性较差， 二次水化反应缓慢， 而矿渣粉活性较好， 同等条件下能生成更多的水化反应产物填充在混凝土内部的孔隙中； 另一方面， 矿渣粉吸附氯离子的能力很强， 因此矿渣粉替代比例越大， 混凝土抗渗性能越好.

2.2标准养护时间对抗碳化性能的影响

分别测定不同标准养护时间和矿渣粉替代粉煤灰比例时， 混凝土在不同碳化龄期(3, 7, 14和28 d)的碳化深度. 研究标准养护时间和矿渣粉替代比例对混凝土抗碳化性能的影响， 试验结果如图 2 所示.

从图 2 可以看出， 当矿渣粉替代比例相同时， 随着标准养护时间的增多， 混凝土各碳化龄期的碳化深度逐渐减小， 混凝土抗碳化性能逐渐增强， 其中当标准养护时间大于7 d时， 各碳化龄期的碳化深度差别较小. 其原因为， 当标准养护时间为0 d或者时间较短时， 矿渣粉来不及水化， 混凝土内部孔隙较多. 而当标准养护时间大于7 d时， 充足的水分为矿渣粉的水化提供了良好的环境， 其二次水化的产物使混凝土的密实度提高， 孔隙率逐渐减小， CO2的扩散速率逐渐降低， 因此混凝土的抗碳化性能逐渐加强.

当养护时间相同时， 随着矿渣粉替代粉煤灰比例的增大， 混凝土不同碳化龄期的碳化深度逐渐减小， 抗碳化性能逐渐增强. 在相同的养护条件下， 混凝土前期的碳化速度较快， 而当碳化龄期超过7 d时， 碳化速度较小. 这是因为混凝土是一种典型的多孔结构材料， 在碳化初期CO2通过混凝土中的毛细管道向混凝土内部扩散， 并与混凝土中的碱性水化产物发生中和反应生成CaCO3， 使混凝土的碱性下降. 随着CO2的继续扩散， 生成的CaCO3逐渐增多， CaCO3填充在混凝土内部的孔隙中， 使混凝土的密实度增大， 切断了CO2的扩散渠道， 因此碳化后期的碳化速度降低.

混凝土的抗碳化性能主要与其内部的孔结构有关， 而混凝土的吸水率主要反映了混凝土内部毛细连通孔的数量， 为了验证混凝土抗碳化性能与混凝土内部孔结构的关系， 将混凝土不同养护机制下的吸水率和碳化28 d的碳化深度进行线性回归， 具体回归模型见式(1)， 回归结果见表 5.

(1)

式中：C为混凝土的碳化深度， mm；W为混凝土的吸水率， %；k，d为回归系数， 其中k越大表明碳化深度随吸水率的变化趋势越大.

从表 5 可以看出， 矿物掺和料单掺和复掺时， 混凝土的碳化深度和吸水率之间都有较好的线性相关性， 相关系数均大于0.9. 随着吸水量的增多， 混凝土的碳化深度逐渐增大， 其中当矿渣粉替代粉煤灰的比例大于40%时， 随着替代比例的增多，k值逐渐减小， 碳化深度随吸水率的变化趋势减小.

3养护湿度对混凝土性能的影响

3.1养护湿度对渗透性能的影响

分别测定不同的养护湿度(60%, 70%和90%)和矿渣粉替代比例时， 混凝土养护28 d的吸水率和氯离子渗透系数， 研究养护湿度对混凝土抗渗性能的影响， 试验结果如图 3 所示， 其中养护温度为室温(20 ℃).

从图 3 可以看出， 养护湿度对混凝土的吸水率和氯离子渗透系数有较大的影响， 尤其对吸水率的影响更大. 当矿渣粉替代比例为60%， 养护湿度由60%增大至70%和90%时， 吸水率分别从4.05%减小至3.66%和3.35%， 分别降低了9.6%和17.3%. 相关研究表明[12]， 当养护湿度大于80%时， 混凝土中的水泥和矿物掺和料才能够进行正常的水化， 且湿度越大， 水化反应越快； 当养护湿度较低时， 一方面混凝土中水泥的水化产物较少， 无法对混凝土的孔结构造成明显的堵塞作用； 另一方面， 混凝土失水过多， 对粉煤灰和矿渣粉的二次水化反应造成不利影响， 因此混凝土吸水量较大， 抗渗性能不足[13].

当矿渣粉替代粉煤灰的比例小于60%时， 吸水率和氯离子渗透系数的降低幅度较明显， 而当矿渣粉替代粉煤灰的比例大于60%时， 吸水率和氯离子渗透系数变化幅度有限， 尤其是氯离子渗透系数更是趋于稳定， 表明矿渣粉替代粉煤灰的最小比例为60%.

3.2养护湿度对抗碳化性能的影响

分别测定对于不同养护湿度和矿渣粉替代比例， 当混凝土养护28 d时各碳化龄期的碳化深度， 研究养护湿度对混凝土抗碳化性能的影响， 试验结果如图 4 所示.

从图 4 可以看出， 养护湿度对混凝土的抗碳化性能具有较大的影响. 随着养护湿度的增大， 混凝土各碳化龄期的碳化深度逐渐减小， 抗碳化性能逐渐提高， 尤其对矿渣粉替代比例较小的情况， 这一趋势更加明显. 当养护湿度较低时， 水泥的水化和矿物掺和料的水化活性都受到不良影响， 矿物掺和料的二次水化作用无法正常进行， 致使混凝土结构疏松多孔， CO2的扩散速度加快， 因此混凝土抗碳化性能下降. 而当养护湿度较大时， 不仅水泥能够正常进行水化作用， 而且矿物掺和料的活性也被彻底激发， 生成大量的胶凝材料填充在混凝土的内部孔中， 减少了连通孔的数量， 因此抗碳化性能都得到改善[14-15].

在各养护湿度条件下， 当矿渣粉替代比例小于60%时， 随着矿渣粉替代比例的增多， 混凝土各碳化龄期的碳化深度大幅降低， 而当矿渣粉替代比例大于60%时， 碳化深度随矿渣粉替代比例的减小趋势放缓. 表明各湿度养护条件下， 单掺粉煤灰、 单掺矿渣粉、 复掺粉煤灰和矿渣粉时混凝土抗碳化性能的顺序是： 单掺矿渣粉>复掺粉煤灰和矿渣粉>单掺粉煤灰. 当矿渣粉替代比例大于60%时， 混凝土的抗碳化性能会得到明显改善.

4结论

1) 标准养护时间越长， 吸水率和氯离子渗透系数越小， 混凝土抗渗性能越好； 随着矿渣粉替代粉煤灰比例的增大， 吸水率和氯离子渗透系数逐渐减小， 其中当矿渣粉替代比例大于60%时， 氯离子渗透系数趋于稳定.

2) 延长标准养护时间、 增大矿渣粉替代比例都能降低各碳化龄期的碳化深度， 提高混凝土的抗碳化性能； 同等条件下， 碳化初期混凝土碳化深度随碳化龄期的延长大幅增大， 而碳化后期碳化深度随碳化龄期的变化趋势较小； 各矿渣粉替代比例下吸水率和碳化深度之间有较好的线性相关性， 当矿渣粉替代比例大于40%时，k值逐渐减小.

3) 养护湿度对混凝土的吸水率和氯离子渗透系数有较大的影响， 当养护湿度由60%增大至90%时， 混凝土的抗渗性能得到明显改善； 各养护湿度下， 吸水率和氯离子渗透系数随矿渣粉替代比例的增大逐渐减小， 其中当替代比例大于60%时， 氯离子渗透系数变化幅度很小.

4) 增大养护湿度， 能明显减小混凝土各碳化龄期的碳化深度， 大幅改善混凝土的抗碳化性能； 矿渣粉替代比例越大， 碳化深度越小， 其中当矿渣粉替代比例大于60%时， 混凝土的抗碳化性能会得到明显改善.

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Study on the Effect of Mineral Admixture on Anti-Permeability and Anti-Carbonization Properties of Concrete

LI Yan-jun1， ZHANG Mei-zhen1， NIU Ning2

(1. Civil Engingeering Training Center, Shanxi Traffic Vocational and Technical College， Taiyuan 030619， China；2. Shanxi Chengda Highway Survey and Design Co. Ltd., Taiyuan 030006, China)

Key words:concrete; mineral admixture; anti-permeability; anti-carbonation; maintenance condition

Abstract:The effects of ratio of slag powder instead of fly ash on water absorption, chloride ion permeability coefficient and carbonization depth of different carbonization ages were studied under different standard curing time and humidity. The test results showed that the longer the curing time, the greater the curing humidity, the better the concrete anti-permeability performance and anti-carbonation performance; with the increase slag powder substitution ratio, concrete anti-permeability and anti-carbonation resistance increase gradually; when the replacement ratio was more than 60%, concrete impermeability and anti-carbonation performance will be significantly improved. Good linear correlation between the carbonation depth and water absorption rate, when the slag powder instead of more than 40%, and regression coefficientkwill be significantly reduced. We can tet that the ratio of slag powder instead of fly ash should not be less than 60%.

文章编号:1673-3193(2016)03-0311-07

收稿日期:2015-11-18

作者简介：李燕军(1974-)， 男， 高级工程师， 主要从事土木工程研究.

中图分类号:

文献标识码:A

doi:10.3969/j.issn.1673-3193.2016.03.019