抗裂抗氯鹽侵蝕高性能混凝土試驗(yàn)研究
摘要:針對(duì)北方寒冷地區(qū)易受環(huán)境或化冰鹽中氯離子侵蝕的橋墩或塊體混凝土,進(jìn)行不同摻合料的混凝土配比試驗(yàn),分析在不同水膠比混凝土中摻入不同組分的礦渣與粉煤灰時(shí)混凝土的強(qiáng)度、抗氯鹽侵蝕及抗裂性能相關(guān)參數(shù)的變化情況。試驗(yàn)表明,采用中熱水泥和摻量比例適當(dāng)?shù)娜M分膠凝材料,可配制出強(qiáng)度等級(jí)較高的滿足相關(guān)規(guī)范要求的具有良好抗裂與抗氯離子侵蝕能力的高性能混凝土。
關(guān)鍵詞:高性能混凝土,氯鹽侵蝕,熱裂縫,試驗(yàn)研究
1. 引言
20 世紀(jì)80 年代以來(lái),隨著對(duì)高性能混凝土的不斷研究,混凝土制作水平不斷提高,并形成以高強(qiáng)、高耐久性、高工作性為特征的“高性能混凝土(HPC)”新概念[1]。目前可以做到采用常規(guī)材料和工藝生產(chǎn)出抗壓強(qiáng)度達(dá)90MPa 以上的高強(qiáng)混凝土。但實(shí)際工程中除了強(qiáng)度要求外,往往還要求混凝土具有良好的體積穩(wěn)定性、抗裂及防鹽類(lèi)侵蝕性能。
處于氯鹽污染環(huán)境下的混凝土結(jié)構(gòu)如港口工程、大壩混凝土結(jié)構(gòu)及北方寒冷地區(qū)需撒化冰鹽的路橋工程及其墩塊體結(jié)構(gòu),一方面因受氯離子的滲透侵蝕作用易導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生鋼筋銹蝕,另一方面由于結(jié)構(gòu)尺寸較大,容易產(chǎn)生溫度熱裂縫。當(dāng)裂縫達(dá)到一定開(kāi)度,就會(huì)影響其使用壽命。如歐盟有報(bào)告認(rèn)為,假如混凝土設(shè)計(jì)壽命為50 年,那么從鋼筋開(kāi)始銹蝕到致使混凝土裂縫開(kāi)度達(dá)到1.0mm 時(shí),就被認(rèn)為達(dá)到壽命極限[2]。為此,香港的青馬大橋及長(zhǎng)江的三峽大壩均采用了嚴(yán)格的措施防止產(chǎn)生熱裂縫。一般要求采用低熱或超低熱水泥,按ASTM 規(guī)定:7 天相應(yīng)水化熱應(yīng)分別低于250J/g 或185J/g。因此,對(duì)此類(lèi)混凝土,既要求有抗氯離子侵蝕能力,又要求控制其水化熱過(guò)高以避免收縮開(kāi)裂。
本文針對(duì)用于北方寒冷地區(qū)易受環(huán)境或化冰鹽中氯離子侵蝕的橋墩或塊體混凝土,根據(jù)配制試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,分析在不同水膠比混凝土中摻入不同組分的礦渣與粉煤灰時(shí)混凝土的強(qiáng)度、抗氯鹽侵蝕及抗裂性能相關(guān)參數(shù)的變化情況[3],為工程實(shí)際應(yīng)用提供參考。
2. 試驗(yàn)方案
(1) 試驗(yàn)材料: 水泥采用42.5#硅酸鹽水泥與52.5#中熱水泥;試驗(yàn)用砂級(jí)配良好,細(xì)度模數(shù)為2.68;碎石采用二級(jí)配石灰?guī)r碎石,含泥量為0.34%,壓碎指標(biāo)為1.0%,級(jí)配良好;拌和用水采用自來(lái)水,其氯離子含量為12mg/L;考慮到Mohammed TU[4, 5] 的長(zhǎng)期試驗(yàn)結(jié)果,即混凝土中摻入聚羧酸鹽系高效減水劑會(huì)對(duì)其抗壓強(qiáng)度的發(fā)展及抗氯化物侵蝕性能產(chǎn)生較大不利影響, 本試驗(yàn)中外加劑采用非聚羧酸鹽系高效減水劑[6]湛江FDN-5高效減水劑,其氯離子含量為0.5%,硫酸鈉含量為13%,其減水率為20%~25%;粉煤灰采用山西霍州電廠產(chǎn)Ⅰ級(jí)灰;礦渣粉采用馬鋼產(chǎn)磨細(xì)礦渣,比表面積為4500m2/kg。
?。?)試樣制備: 制備18 組試樣,其中1-8 組水膠比采用0.30,9-18 組采用0.35,具體配合比(水泥:砂:石)采用情況見(jiàn)表1。
?。?)測(cè)試項(xiàng)目: 測(cè)試膠凝材料不同齡期的水化熱;測(cè)試試件不同齡期的抗拉、抗壓強(qiáng)度;進(jìn)行混凝土氯離子電通量測(cè)試及絕熱溫升測(cè)試。各項(xiàng)測(cè)試均為研究分析雙組分(含水泥與礦碴或水泥與粉煤灰)和三組分(含水泥、礦碴、粉煤灰)膠凝材料配制混凝土的抗裂、抗拉壓強(qiáng)度及抗氯離子侵蝕能力等性能變化情況提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
3. 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 各因素對(duì)混凝土抗裂性能的影響
首先是摻合料對(duì)水泥膠凝材料水化熱的影響。根據(jù)不同時(shí)間不同試樣水化熱的測(cè)試結(jié)果(如圖1),當(dāng)膠凝材料中摻入50%的粉煤灰時(shí), 其1d、3d、7d 水化熱可分別降低36%、30%和30%,當(dāng)粉煤灰摻量增加到55%時(shí),其水化熱可分別降低53%、35%和32%。若膠凝材料中摻入75%的磨細(xì)礦渣粉,其 1d、3d、7d 水化熱可分別降低到45%、35%和35%。若采用30%水泥和70%摻合料(粉煤灰10%~20%,磨細(xì)礦渣50%~60%)膠凝材料,其1d、3d、7d 水化熱可分別降低65%、31%和28%。試驗(yàn)還證明粉煤灰比磨細(xì)礦渣的降低水化熱效果更明顯。另外,當(dāng)單摻磨細(xì)礦渣摻量小于60%時(shí),它對(duì)膠凝材料水化熱的降低效果并不明顯。由試驗(yàn)得知,大摻量的粉煤灰、磨細(xì)礦渣或摻用兩種摻合料可以顯著降低膠凝材料的早期水化熱,對(duì)后期水化熱也有較大的降低作用[7],并因此改善混凝土的抗裂性能。若摻入適量引氣劑(含氣量為3%~ 5%), 還可大大改善其其抗凍性能[8]。
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其次是水泥品種的影響。為測(cè)試不同水泥品種對(duì)水化熱的影響,將42.5#硅酸鹽水泥與52.5#中熱水泥進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比,并測(cè)試各自混凝土的絕熱溫升,試驗(yàn)按水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的方法進(jìn)行?;炷僚浜媳炔捎?.35:1:1.78:2.30。結(jié)果是:采用42.5#硅酸鹽水泥測(cè)得的相應(yīng)混凝土28天齡期的絕熱溫升為48℃,而采用52.5#中熱水泥時(shí)則為38℃。由此可以認(rèn)為,在大體積混凝土施工時(shí),應(yīng)盡量避免采用硅酸鹽水泥,同時(shí)應(yīng)盡可能采用中、低熱水泥,以提高混凝土的抗裂性能。
再次是摻合料對(duì)混凝土干縮性能的影響。對(duì)試樣7、11、16、18 四組進(jìn)行了混凝土干縮試驗(yàn), 結(jié)果圖2 所示。從不同齡期干縮試驗(yàn)結(jié)果看,同時(shí)摻礦渣與粉煤灰混凝土的干縮值小于只摻礦渣混凝土的干縮值,且隨水泥用量的增加而增大。
3.2 摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響
在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,選出試樣編號(hào)為5、11、15、16、17、18 共6 組的混凝土試樣進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn),并對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得出所有利用摻合料的混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)于基準(zhǔn)情況(水泥中不摻混合料)的強(qiáng)度均有所降低,具體影響結(jié)果見(jiàn)表2。
試驗(yàn)還表明,當(dāng)采用水膠比為0.30 的配合比時(shí),除礦渣摻量大于70%的兩組配合比外,其它28 天抗壓強(qiáng)度均滿足C45 混凝土的強(qiáng)度要求。水膠比為0.35 的配合比,除粉煤灰摻量大于35%的兩組配合比外,其它28 天抗壓強(qiáng)度也滿足C45 混凝土的要求。所有配合比的90天抗壓強(qiáng)度均滿足C45 的強(qiáng)度要求。并測(cè)得6 組配合比的混凝土試樣28 天彈性模量在4.41×104~4.82×104MPa 之間,28 天抗拉強(qiáng)度在3.9~5.5MPa 之間,拉壓強(qiáng)度比為6.0%~11.0%,滿足C45 混凝土性能要求。
3.3 摻合料對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響
針對(duì)上述6 組配合比試樣進(jìn)行抗氯離子侵蝕試驗(yàn),表3 為混凝土氯離子電通量試驗(yàn)結(jié)果。
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結(jié)果表明,當(dāng)其它條件相同,只摻礦渣時(shí)混凝土的28 天電通量要小于既摻礦渣又摻粉煤灰的混凝土電通量,并隨混合材取代水泥用量的增大而減小?;炷?0 天的電通量均小于28 天的電通量。這也證實(shí)了隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,混凝土將趨于更加致密的判斷。另外,摻礦渣和粉煤灰的6 組混凝土的電通量均小于500 庫(kù)侖,說(shuō)明試驗(yàn)混凝土具有良好的抗氯離子侵蝕能力[9, 10],足以滿足橋梁混凝土相關(guān)規(guī)范對(duì)抵抗除冰鹽中氯離子侵蝕的性能要求。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析還表明,氯離子擴(kuò)散數(shù)量隨深度而遞減,混合摻有礦渣和粉煤灰的三組分混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比僅摻70%礦渣或僅摻50%粉煤灰的二組分混凝土要小。
4. 結(jié)論
?。?)混凝土的抗裂及抗氯離子侵蝕性能可通過(guò)改變膠凝材料中摻合料的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。
?。?)大比例單摻粉煤灰或單摻磨細(xì)礦渣可顯著降低膠凝材料的早期水化熱,對(duì)后期水化熱也有較大的降低作用,采用三組分(含水泥、礦碴、粉煤灰)膠凝材料配制的混凝土,可以配制出絕熱溫升小并利于改善混凝土的抗裂性能的低熱混凝土。
?。?)在降低水化熱方面,中熱水泥要優(yōu)于硅酸鹽水泥。利用中熱水泥,采用0.30-0.40的水膠比,摻加55%左右的磨細(xì)礦渣和15%左右的粉煤灰,可配制出強(qiáng)度等級(jí)滿足橋梁混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范要求的高性能混凝土,并具有良好的抗氯離子侵蝕能力。
參考文獻(xiàn)
[1]趙國(guó)藩. 高性能混凝土發(fā)展簡(jiǎn)介[J]. 施工技術(shù),2002 年4 月第31 卷第4 期:1-3
[2]劉秉京編著.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)[M]. 人民交通出版社,2007.02:201-233
[3]李淑進(jìn),萬(wàn)小梅,趙鐵軍. 粉煤灰高性能混凝土[J]. 混凝土, 2000 年第8 期:22-25
[4]Mohammed TU, Hamada H. Durability of concrete made with different
water- reducing chemical admixtures in tidal environment[J]. ACI Materials
Journal,2003,100( 3) : 194 -202.
[5]Mohnammed,TU.Yamaji,T.Toshiyuki,A. and Hamada H. “ Marine
Durability of 15 -year Old Concrete Specimens Made With Ordinary Portland, Slag
and Fly Ash Cement ”[C]. In:V.M. Malhotra,ed. Seventh CANMET/ACI International
Conference on Fly Ash ,Slag and Natural Pozzolans in Concrete, SP-199, American
Concrete Institute,Farmington Hills,2001. 2: 541- 560.
[6]潘莉莎, 邱學(xué)青, 龐煜霞等.減水劑對(duì)混凝土耐久性影響的研究進(jìn)展[J],混凝土. 2007年第1期. 48-50
[7]Schindler A.K.and Folliard K.J. Heat of hydration models for cementitious
materials[J].ACI Materials Journal,Vol.102,No.1,2005:24-33.
[8]劉萍華、許志敏、殷波. 大摻量粉煤灰高性能混凝土試驗(yàn)研究[J],揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007年2月:68-71
[9]屠柳青,張國(guó)志,夏衛(wèi)華等. 抗氯鹽污染高性能混凝土及評(píng)價(jià)方法研究[J],混凝土,2004 年第2 期:33-35.
[10]Tarek Uddin Mohammed,Toru Yamaji,Hidenori Hamada. Choride diffusion,
microstructure and mineralogy of concrete after 15 years of exposure in tidal
environment[J].ACI Materials Journal,2002,99(3):256-263
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