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原材料

石粉含量對C60機制砂海工混凝土耐久性的影響研究

時間:2018-3-27 8:33:44 來源: 點擊次數:5844

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石粉含量對C60機制砂海工混凝土耐久性的影響研究

李北星1, 尹立愿1, 馮紫豪2, 樊立龍3,葉仙松1

(1. 武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,武漢430070; 2. 山東省交通科學研究院,濟南 250000;3.中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司 大連 116033)

摘要:研究了花崗巖機制砂石粉含量(5%、7%、10%)對C50機制砂海工混凝土(MSC)耐久性關鍵參數的影響,并與河砂混凝土(RSC)進行比較。結果表明:當機制砂石粉含量為7%時,混凝土的抗碳化性能、氯離子擴散系數及其齡期衰減系數、抗硫酸鹽侵蝕性能、護筋性能等耐久性指標均達到最佳,且優于河砂混凝土;另外,外摻4.5%~15%石粉均改善了膠漿的氯離子結合性能,當石粉摻量為膠材質量的7.5%時,氯離子結合能力最強。

關鍵字:機制砂海工混凝土;氯離子擴散系數;硫酸鹽侵蝕;護筋性能

1. 引言

砂是水泥混凝土的重要原材料之一,用量約占混凝土總體積的1/3,其質量對于新拌及硬化混凝土的性能有著重要影響。隨著天然砂尤其是優質河砂(RS)資源的日趨匱乏及環境保護的加強,機制砂(MS)逐漸成為我國建設用砂的主要來源[1]。但目前對于機制砂混凝土用于海洋環境下的耐久性還缺乏深入系統的研究,也鮮見機制砂混凝土在跨海大橋應用實例的報道[2,3]。平潭海峽公鐵兩用大橋橋區處于無掩護條件海洋環境,本橋除受到海水中氯鹽引起的鋼筋銹蝕外,處于浪濺區、水位變動區的承臺、鐵路橋墩和斜拉橋塔柱等構件還遭受碳化、硫酸鹽化學腐蝕及鹽結晶物理破壞。依據就地取材原則,該橋采用花崗巖機制砂制備海工混凝土。本文以海上鐵路橋墩為對象,對花崗巖機制砂配制的C50海工混凝土的耐久性包括:抗碳化性能、抗氯離子侵蝕性能、氯離子結合性能、護筋性能與抗硫酸鹽侵蝕性能進行了研究,并分析上述性能與機制砂中石粉含量的相關性,為機制砂混凝土在海工工程結構中的安全應用提供支撐。

2. 原材料和試驗方法

2.1原材料

本文試驗混凝土主要使用如下原材料進行配制:

(1)水泥:蕪湖瑞信水泥有限公司P·Ⅱ52.5水泥,3 d抗壓強度為32.0 MPa,28 d抗壓強度為58.2 MPa。

(2)粉煤灰:馬鞍山萬能達發電公司F類I級粉煤灰,細度(45μm篩篩余)5.1%,需水量比94%。

(3)礦渣粉:福建羅強建材公司S95級粒化高爐礦渣粉,比表面積403 m2/kg,7d、28d混合砂漿活性指數為78%、102%

(4)粗集料:福建平潭5~20mm級配花崗巖碎石,由粒級4.75-9.5 mm和9.5-19.0 mm碎石按質量比4:6二級配,表觀密度2710 kg/m3,壓碎值8.0%。

(5)細集料:福建平潭花崗巖機制砂、閩江河砂。兩者篩分、物理力學性能測定結果見表1和圖1。

(6)石粉:花崗巖石粉,由試驗所用同批次花崗巖機制砂通過0.075mm方孔篩篩分所得。

石粉含量對C60機制砂海工混凝土耐久性的影響研究

(7)外加劑:江蘇某公司聚羧酸高性能減水劑,固含量18.28%,減水率28.4%;烷基苯磺酸鹽類引氣劑,固含量4.81%。

2.2 混凝土配合比

平潭海峽公鐵兩用大橋處于海上浪濺區的鐵路橋墩其腐蝕環境作用等級為:碳化T2~T3、氯鹽侵蝕L3和硫酸鹽結晶破壞Y3。基于 100 年設計使用年限,該混凝土設計要求為:56d配制強度等級C50,56d 氯離子擴散系數DRCM≤3.0×10-12m2/s,56d抗硫酸鹽結晶破壞等級≥KS150。表2為試驗用混凝土配合比,其中RSC為對比用河砂混凝土。混凝土的工作性與強度指標如表3所示。

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2.3 試驗方法

碳化試驗采用北京數智意儀器生產的CCB-70型混凝土碳化試驗箱進行,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,成型混凝土在標養條件下養護28 d后進行碳化試驗。具體試驗操作按照GB/T 50082-2009規范的方法進行,測定3 d,7 d,14d,28 d的碳化深度。

氯離子擴散系數測定采用北京首瑞公司的RCM-D型氯離子擴散系數測定儀,所用試件尺寸均為直徑Φ=(100 ± 1) mm、高度h=(50 ± 2) mm的試塊。測定標準養護28 d、56 d、84 d、120 d、180 d的混凝土試塊的氯離子擴散系數。具體試驗操作按照GB/T 50082-2009的相關規定進行。

以石粉摻量0%、4.5%、7.5%、10%、15%(膠凝材料質量百分數,外摻)不同配比的膠凝材料漿體來研究機制砂引入的石粉對氯離子結合能力的影響規律,見表4。膠漿中粉煤灰、礦粉摻量各為25%,水膠比為0.33。試驗方法參照文獻[3]中氯離子結合的試驗方法,膠漿配合比如表4所示。每組配比成型3個平行試件,分別標準養護28 d和56 d后進行試驗。

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抗硫酸鹽侵蝕試驗用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,標準養護56 d后,將試塊移入到(80 ± 5)°C的烘箱中放置48 h,然后開始浸泡SO42—溶液(用5% Na2SO4溶液配制而成),進行干濕循環,平均每次干濕循環時間為48 h,循環試驗裝置采用北京首瑞公司的MKS-54B型混凝土硫酸鹽干濕循環試驗機,干濕循環次數n=0,30,60,90,120,150次。試驗結果以抗壓耐蝕系數來評定,計算公式如下:

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式(2)中:M為鋼筋失重率(%);W01、W02分別為空白樣鋼筋的初始重量(g);W1、W2分別為空白鋼筋經酸處理后的重量(g);W0為試驗鋼筋的初始重量(g);W為試驗后鋼筋的重量(g)。

3結果與討論

3.1碳化性能

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圖2是4組混凝土的碳化深度隨著碳化時間變化曲線。由圖2可知,各組混凝土的碳化深度增長速率隨著碳化時間的延長呈現先快后緩的總體趨勢,主要原因為:混凝土的碳化生成了一些非溶解性的鈣鹽,其體積比原反應物增大很多,堵塞了部分CO2向混凝土內部擴散的微細孔;另外,混凝土內水泥石的水化反應在標準養護28 d后仍在不斷進行,隨著碳化的進行,混凝土由于進一步的水化反應其孔隙率越來越低,內部結構更加密實,阻止了CO2對混凝土的滲透。4組混凝土碳化28 d齡期的碳化深度在0.50~0.71mm,差別并不大,但對比可以發現,抗碳化性能大小順序為:MSC7 > MSC5 > RSC > MSC10。表明機制砂中含適量石粉能夠提高混凝土的抗碳化性能,其中石粉含量為7%時抗碳化性能最佳,原因在于適量的石粉在混凝土體系中能夠起到填充效應,使水泥石更加密實,堵塞毛細孔擴散通道。

3.2 氯離子擴散系數

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圖3是利用Origin 8.5 對試驗數據擬合得到的混凝土氯離子擴散系數(DRCM)與養護齡期的關系圖。由圖3可知,回歸系數R2都在0.90以上,回歸效果顯著。從回歸方程可以看出4組混凝土的DRCM值隨著養護齡期的延長呈現冪級數衰減的規律。比較4組混凝土不同養護齡期的DRCM值可以發現,3組機制砂混凝土的DRCM值均小于河砂混凝土,且56 d齡期的DRCM值均符合小于3.0×10-12m2/s的耐久性設計要求。對比石粉含量對機制砂混凝土的DRCM 值影響發現,MSC7的DRCM 值最小,當石粉含量降低或升高時,DRCM 值均增大,說明石粉含量為7%的機制砂混凝土抗Cl—擴散性能最好。無論石粉含量過高或過低,均不利于混凝土的抗Cl—擴散性能。原因在于,適量的石粉可以填充混凝土的孔結構,增強混凝土的密實性。但是石粉含量過高,提高了石粉水泥的體積比,容易造成水泥對石粉的包裹不足,給Cl—的滲透提供了更多的通道,使得混凝土的抗滲性能降低,提高了氯離子擴散系數。

文獻[4]指出:氯離子擴散系數常用來衡量混凝土在氯鹽環境下的抗氯離子滲透性能。混凝土的氯離子擴散系數D隨暴露(海水)時間呈冪指數衰減關系,可以用以下函數表示:

D=At-m (3)

式(3)中,t為養護齡期,D為t時的氯離子擴散系數,A為回歸系數,m為齡期衰減系數,決定了擴散系數的衰減速率,m越大,氯離子擴散系數衰減的越快。

本文試驗中混凝土試塊雖然養護條件和上述文獻不同,但是從圖3可以看出,本文混凝土不同養護齡期和氯離子擴散系數關系依然可以用式(3)來描述。擬合方程中,MSC5、MSC7、MSC10、RSC對應的m值依次為0.997,1.243,0.816,0.612,可知:隨著石粉含量的增加MSC的m值先增大后減小,但都大于RSC的m值。當石粉含量7%時,m值最大,說明此時混凝土的氯離子擴散系數衰減最快。

3.3 石粉摻量對膠凝材料漿體氯離子結合性能的影響

圖4是外摻不同石粉含量膠漿試件28d和56d齡期對氯離子的總結合量(Z28d,Z56d)、化學結合量(H28d,H56d)和物理吸附量(W28d 1,W56d)測定結果。

石粉含量對C60機制砂海工混凝土耐久性的影響研究

從圖4可以看出,外摻4.5%~15%石粉的膠漿28d和56d氯離子結合總量均高于基準樣,且隨石粉摻量的增加呈先增后降的趨勢。當石粉摻量為7.5%時,氯離子結合總量達到最大值,相對于基準樣分別提高了9.89%(28 d)和8.07%(56 d)。

對于同一膠漿試樣,隨著齡期由28 d增至56 d,氯離子的物理吸附量增加,而氯離子結合總量和化學結合量均降低。這是由于對于外滲的氯離子,水泥膠漿對氯離子的結合主要是通過氯離子與未水化的鋁酸鹽繼續反應生成Friedel鹽的化學結合和水化硅酸鈣的物理吸附兩個途徑進行的[4,5]。隨著齡期的增加,漿體內部水化更加充分,孔結構進一步細化,未水化的鋁酸鹽量減少,水化產物水化硅酸鈣增多,所以才會隨著齡期的延長,氯離子的物理吸附量增加,化學結合量降低。

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石粉屬于一種惰性材料,不參與水化反應,石粉顆粒的表面粗糙,有許多坑洼小洞,如圖5所示,這有利于對氯離子的物理吸附,且時間越長,吸附量越大。因此在膠漿試樣中摻入適量石粉后,其物理吸附量隨著養護齡期的增加而增加,且石粉摻量越大,物理吸附量也越大。

3.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

圖6給出了混凝土試件抗壓強度耐蝕系數隨干濕循環-硫酸鹽侵蝕循環次數的變化。由圖6可知,四種混凝土在侵蝕過程中的抗壓強度變化均呈現先增大后減小的相同趨勢,可以分為侵蝕前期的性能強化和后期的性能劣化兩個階段,在侵蝕次數n=60次時,各組混凝土的抗壓強度耐蝕系數達到峰值,之后開始逐漸下降。侵蝕前期,由于SO42-擴散進入混凝土內部與水泥水化產物進行反應,生成的鈣礬石侵蝕產物填充了混凝土毛細孔隙,使其更加致密,同時膠凝材料繼續水化,有利于混凝土強度的增加;侵蝕后期,當水泥石致密結構形成后,混凝土內部孔隙減少,SO42-進入混凝土內部生成的鈣礬石或者石膏產物,在干濕循環作用下發生結晶甚至出現硫酸鈉自結晶,鹽結晶產生的結晶壓力壓迫混凝土內部的毛細孔壁,從而促進微裂紋的形成、擴展,使得混凝土的性能劣化。因此侵蝕后期,混凝土的抗壓強度值明顯降低[6]。

對比150次干濕循環侵蝕的各組混凝土的抗壓強度耐蝕系數可以發現:各組混凝土的抗硫酸鹽耐蝕系數均高于KS150級破壞時的耐蝕系數,且MSC10>MSC7>RSC≈MSC5,說明石粉含量越高,混凝土的抗SO42-侵蝕性能越優,主要原因為石粉可以填充混凝土內部結構的孔隙,使得混凝土內部結構更加致密,阻礙了部分SO42-侵入混凝土內部。

石粉含量對C60機制砂海工混凝土耐久性的影響研究

石粉含量對C60機制砂海工混凝土耐久性的影響研究

圖7給出了氯化鈉溶液干濕循環次數N=8次和N=16次后鋼筋的失重率。由圖7可知,四種混凝土中MSC7的鋼筋失重率最小,8次干濕循環的鋼筋失重率為0.043%,16次干濕循環的鋼筋失重率為0.098%;RSC的鋼筋失重率最大的是,8次干濕循環的鋼筋失重率為0.113%,16次干濕循環的鋼筋失重率為0.189%,略高于MSC10的鋼筋失重率;MSC5的鋼筋失重率介于MSC7和MSC10之間。由此可以說明:機制砂石粉含量為7%時,混凝土的護筋性能最優,而河砂混凝土的護筋性能最差。該規律剛好和本文3.3.2節機制砂海工混凝土的抗Cl—性能的規律吻合,抗Cl—擴散性能越好,抗滲性越強,則護筋性能也越好。究其原因還是由于機制砂中適當的石粉使得混凝土的內部結構更加密實,且石粉含量為7%時最佳。

4. 結論

(1)采用石粉含量5%~10%的花崗巖機制砂配制的C50海工混凝土的56 d齡期氯離子擴散系數均小于3.0×10-12m2/s,抗硫酸鹽結晶破壞等級均達到KS150,滿足耐久性設計要求,且優于對比用的河砂混凝土。

(2)擬合了用于描述機制砂海工混凝土的氯離子擴散系數齡期衰減方程,機制砂混凝土的氯離子擴散系數隨養護齡期延長呈現冪級數衰減規律,且其齡期衰減系數大于河砂混凝土。

(3)在水泥-粉煤灰-礦粉膠凝材料中外摻4.5%~15%的花崗巖石粉,改善了膠漿的氯離子結合性能,當石粉摻量7.5%時,膠漿的氯離子結合能力最強。

(4)當機制砂中石粉含量7%時,混凝土的抗碳化、抗離子滲透、抗硫酸鹽侵蝕和護筋性能最佳,氯離子擴散系數衰減也最快,由此確定C50海工混凝土用機制砂的石粉含量最佳控制值為7%。

參考文獻

[1] 李北星, 柯國炬, 王稷良, 等. 機制砂混凝土的路用性能研究[J].建筑材料學報, 2010, 13(4): 529-534.

[2] 柴瑞, 黎鵬平, 熊建波, 等. 混合砂對C60海工混凝土耐久性的影響及機理分析[J]. 中國港灣建設, 2013, (5): 25-28.

[3] 李遵云,周玉娟,秦明強,等. 凝灰巖機制砂海工混凝土抗氯鹽侵蝕耐久性研究.硅酸鹽通報, 2015, 34(4): 955-959.

[4] Thomas M D A, Bamforth P B. Modeling chloride diffusion in concrete-effect of fly ash and slag [J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29(2): 487-495.

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